Физические процессы в биологических мембранах. Лекция 8 презентация

Строение биологических мембран
Гидрофильная головка
Гидрофильные головки
Молекула липида
Гидрофобные хвосты
Билипидный слой
Белки
Углевод
Жидкостно-мозаичная модель строения биомембраны:
Фосфолипидный бимолекулярный слой составляет основу клеточной мембраны
Поверхностные белки
Интегральные белки
Полуинтегральные белки
Липиды и белки обмениваются местами и перемещаются вдоль плоскости мембраны – латеральная диффузия и поперек – «флип-флоп»

Модели биологических мембран

Физические свойства биологических мембран
0,48 нм2
0,58 нм2
3,9 нм
4,7 нм
Повышение температуры
Твердое
состояние
Жидко-кристаллическое состояние
Плавление липидов
Т, К
С

Физические свойства биологических мембран
Клеточную мембрану можно рассматривать как плоский конденсатор, где роль пластин играют электролиты наружного и внутренних растворов с погруженными в них головками фосфолипидов. Роль диэлектрика выполняет двойной слой хвостов
- Электроемкость мембраны
ε – диэлектрическая проницаемость липидного слоя мембраны (2-2,2)
S – площадь поверхности мембраны
d – толщина мембраны
Напряженность электрического поля в мембране составляет приблизительно 20х106 В/м
- Удельная электроемкость

Перенос молекул (атомов) через мембраны
Диффузия в однородной среде - явление самопроизвольного переноса массы вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Такой перенос называется пассивным транспортом.
x
Потоком вещества (Ф) через элемент поверхности, который перпендикулярен направлению диффузии, называется количество этого вещества, переносимого через данный элемент за единицу времени.
Градиент концентрации
Площадь элемента поверхности, через которую идет поток
Среднее расстояние между молекулами
Время оседлой жизни молекулы

Перенос молекул (атомов) через мембраны
Плотностью потока вещества (J) называется отношение потока вещества (Ф) через элемент поверхности к площади этого элемента (S):
Плотность потока в однородной среде описывается уравнением диффузии (уравнением Фика):
Коэффициент распределения вещества (К) - величина, равная отношению концентраций частиц в граничащих средах:
Коэффициент распределения вещества между мембраной и окружающей средой равен коэффициенту распределения вещества между мембраной и клеткой:

Перенос молекул (атомов) через мембраны
P
P – коэффициент проницаемости мембраны – характеризует способность мембраны пропускать те или иные ионы
[P] – м/с.
Уравнение Фика для мембран, описывающее пассивный транспорт незаряженных частиц:
Jс – плотность потока незаряженных частиц, проходящих через мембрану
Сi – концентрация частиц внутри клетки
Со – концентрация частиц вне клетки

Транспорт ионов через мембрану
S
l=υt
Ф
Сила, действующая на 1 ион со стороны электрического поля мембраны
Сила, действующая на 1 моль ионов со стороны электрического поля мембраны
F ≈ 96500 Кл/моль – постоянная Фарадея
Плотность потока ионов через единичную площадку под действием электрического поля
Уравнение Нернста-Планка:
В общем случае перенос ионов определяется двумя факторами:
Неравномерностью их распределения (градиентом концентрации)
Воздействием электрического поля (градиентом потенциала)

Формула Борна
Затраты энергии (Дж/моль), необходимые для проникновения иона через липидный слой мембраны:
Затраты энергии (Дж/моль), необходимые для проникновения ионофора через липидный слой мембраны:
Затраты энергии (Дж/моль), необходимые для проникновения иона через пору:

Активный транспорт
Активный транспорт - перенос вещества через клеточную или внутриклеточную мембрану, протекающий из области низкой концентрации в область высокой, т.е. с затратой свободной энергии.
К-Na-насос представляет собой мембранные белки, которые работают как ферменты АТФазы. Их задачей является расщепление АТФ на АДН и неорганический фосфат. Процесс распада сопровождается выделением энергии, которая расходуется на транспорт ионов в сторону увеличения электрохимического потенциала.
Энергии, выделяющейся при гидролизе одной молекуле АТФ, достаточно, что бы вывести из клетки три иона Na+ и ввести 2 иона K+.

Потенциал покоя
Потенциал покоя — это разность электрических потенциалов, имеющихся на внутренней и наружной сторонах мембраны, когда клетка находится в состоянии физиологического покоя. Его величина измеряется изнутри клетки, она отрицательна и составляет в среднем −70 мВ, хотя в разных клетках может быть различной: от −35 мВ до −90 мВ.
Уравнение Нернста для равновесного мембранного потенциала:

Потенциал покоя
Уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца:
Причина отклонения равновесного потенциала от опытных данных заключается в проницаемости мембраны и для других ионов, которые вносят свой вклад в образование мембранного потенциала. Основной вклад в суммарный поток зарядов, а следовательно, в создание и поддержание потенциала покоя, помимо К+, вносят ионы Na+, Cl-. Суммарная плотность потока этих ионов с учетом их знаков равна:
В состоянии покоя мембранная проницаемость для ионов K+, Na+ и Cl- относятся друг к другу как:
Так как в покое проницаемость клетки для ионов калия намного больше ее проницаемости для других ионов, то потенциал покоя определяется преимущественно разность концентраций ионов калия.
Поддержание разности концентрации ионов осуществляется при помощи работы ионных насосов, использующих энергию АТФ.

Потенциал действия
При воздействии на клетку какого-либо раздражителя ее мембранный потенциал изменяется, возникает потенциал действия, или спайк.
При возбуждении мембраны:
Причиной возникновения потенциала действия является изменение проницаемости мембраны для натрия, что, в свою очередь, вызвано открытием натриевых ионных каналов. В результате поток ионов натрия в клетку начинает превышать поток ионов калия из клетки

Потенциал действия

Распространения возбуждения по нервному волокну
Непрерывное проведение возбуждения по немиелинизированному нервному волокну
Сальтаторный механизм проведение возбуждения по миелинизированному нервному волокну
Миелинизированное нервное волокно
В миелинизированных нервных волокнах возбуждение может возникать только в перехватах Ранвье!