Лекция_5_леч_16

Кафедра медицинской и биологической физики
Тема: Биологические мембраны
и их физические свойства
лекция № 5
для студентов 1 курса, обучающихся по специальности
31.05.01 – Лечебное дело
К.п.н., доцент Шилина Н.Г.
Красноярск, 2016
План лекции
1.
2.
3.
4.
5.
Строение мембраны. Модели
мембраны
Транспорт веществ через мембрану
Уравнение Нернста-Планка
Мембранный потенциал
Потенциал покоя.Биопотенциал
действия
Биологические мембраны



Элементарная
живая
система,
способная
к
самостоятельному
существованию,
развитию
и
воспроизведению – живая клетка – основа строения всех
живых организмов.
Условия существования клетки:
автономность по отношению к окружающей среде
связь с окружающей средой (непрерывный обмен
веществом и энергией)
Поэтому
важнейшее
условие
существования
следовательно, жизни –биологические мембраны.
Биологическая мембрана
пленка
фосфолипидов,
полисахаридами.
клетки
и,
– ультратонкая биомолекулярная
«инкрустированная»
белками
и
Функции мембран:






Механическое разделение
Транспортная функция
Селективный барьер
Рецепция
Распространение нервного импульса
Матричная функция
Мембрана – важнейший орган клетки, регулирующий
процессы
внутри клетки и взаимодействия клетки с
окружающей средой. При нарушении функций мембран
происходит изменение нормального функционирования
клетки.
Структура мембраны
Структурная основа мембраны – двойной фосфолипидный слой.
В липидную матрицу встроены белки и белковые комплексы.
На поверхности мембраны находятся поверхностные белки.
Интегральные белки пронизывают липидный слой насквозь.
Структура мембраны
Двойной фосфолипидный слой выполняет функцию барьера и
матрицы для различных белков.
Липиды и белки в бислое могут перемещаться:
быстро вдоль плоскости мембраны (латеральная диффузия)
очень медленно поперек мембраны (флип-флоп переходы)
На одну белковую молекулу в мембране приходится в среднем
75-90 липидов.
Строение мембраны
СТРОЕНИЕ МЕМБРАНЫ
ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ

Переход из кристаллического в
жидкокристаллическое
состояние
(температура повышается)
Функции мембраны



Транспортная функция- перенос
различных веществ
Барьерная функция- защита клетки от
проникновения нежелательных частиц
Матричная функция- основа для
удержания белков, ферментов.
Модели мембраны
Билипидная мембрана
(БЛМ)
Монослой фосфолипидов
Липосома
«Кинки»
В жидкой фазе
молекулы
фосфолипидов
образуют полости
«кинки»
Происходит
диффузия
молекул поперёк
мембран.
Физические свойства мембран:
Жидкокристаллическое состояние – обладает текучестью, но
сохраняет
упорядоченность
в
расположении
молекул
и
анизотропию свойств.
Плотность:
Толщина:
800
кг / м
3
от 4 нм до 13 нм
Вязкость липидного слоя:
30-100
Поверхностное натяжение
0,03-1 мН/м
Емкость
мПа  с
1см 2: 0,5–1,3 мкФ
Электрическое сопротивление
1см 2: 10 2  105
Напряженность электрического поля:
2 10 7
Ом
В/м
ЯВЛЕНИЕ ПЕРЕНОСА





– необратимые процессы, в результате
которых в физической системе происходит
пространственное перемещение (перенос)
массы, импульса, энергии, заряда или др.
физической величины.
ВИДЫ ПЕРЕНОСА:
Диффузия (перенос массы)
Вязкость (перенос импульса)
Теплопроводность (перенос энергии)
Электропроводность (перенос заряда)
Транспорт веществ через
мембрану
ВИДЫ ТРАНСПОРТА
ПАССИВНЫЙ
АКТИВНЫЙ
Пассивный – без затрат энергии клетки
Активный – за счет энергии гидролиза АТФ
Классификация видов пассивного транспорта
ПАССИВНЫЙ
ФИЛЬТРАЦИЯ
ОСМОC
ЧЕРЕЗ
ЛИПИДНЫЙ
СЛОЙ
ПРОСТАЯ
ДИФФУЗИЯ
ОБЛЕГЧЕННАЯ
ДИФФУЗИЯ
С ПОДВИЖНЫМ
ПЕРЕНОСЧИКОМ
ЧЕРЕЗ ПОРЫ
В ЛИПИДНОМ
БИСЛОЕ
ЧЕРЕЗ
БЕЛКОВУЮ
ПОРУ
С ФИКСИРОВАННЫМ
ПЕРЕНОСЧИКОМ
Осмос.
Диффузия молекул растворителя, через
мембрану называется осмосом.
c2
G  A  RT ln
c1
Формула Вант–Гоффа
Осмотическое давление
Р  pgh
Р  CRT
m RT 
Р
 RT
M V
V
Интенсивность потока воды, вызванного
градиентом осмотического давления.
Iос  Р1  Р2 
Диффузия масс вещества.
X
C
2C 1
m   D
St
x
C 2  C1
dC

x
dx
m
dc
 D
st
dx
dc
I  D
dx
Диффузия через мембрану.
CMO C 0
CMO CMO



K
CMI Ci
CO
Ci
dc CMO  CMi

dX
l
K- коэффициент распределения вещества
между мембраной и окружающей средой.
dc KC 0  KCi
K

 (C 0  Ci )
dX
l
l
Dk
I 
(C 0  Ci )
l
Dk
P
l
Коэф.прониц.
I   P(C 0  Ci )
Уравнение Нернста-Планка
Сила, действующая на1 ион
d
f  qE  zeE   ze
dx
Сила действующая на 1 моль ион
d
d
fNA   zeNA
  zF
dx
dx
Перенос ионов определяется двумя факторами:
1)Градиентом концентрации
2)Градиентом электрического поля.
dc zFc
d 

j   D


 dx RT dx 
Разновидности пассивного
транспорта.
Обычное диффузное
уравнение Фика.
Облегченная диффузия
через пору.
Облегченная диффузия с
помощью молекулпереносчиков.
Активный транспорт- происходит за счет энергии,
высвобождающейся в ходе химических реакций
внутри клетки.
а) К+-Na+-насос
б) Ca2+-насос
в) Н+-насос (протонная помпа)
Работа K- Na насоса






Связывание трех ионов Na+ и фосфорилирование
АТФазы на внутренней поверхности мембраны.
Транслокация комплекса со связанными ионами
натрия на наружную поверхность мембраны.
Перевод ионов натрия в межклеточную жидкость и
присоединение из нее двух ионов калия.
Гидролиз
АТФ
с
отщеплением
молекулы
фосфорной кислоты.
Вторая транслокация: перенос связанных ионов К+
через мембрану с наружной поверхности на
внутреннюю.
Завершение цикла: отсоединение двух ионов
калия, присоединение трех ионов натрия и
фосфорилирование молекулы АТФазы.
Активный транспорт
Перенос веществ против
соответствующих
градиентов ( из области
С1 меньшей
концентрации в область
С2 большей
концентрации
Перенос ионов через
электрически
поляризованную
мембрану
C2
АD  RT ln
C1
Аэ  zF ( 1   2 )
C2
А  RT ln  ZF ( 1   2)
C1
Результирующие работы.
Мембранный потенциал
C2
RT ln
 F ( 1   2)
C1
RT
C2
1 2  EM 
ln
ZF
C1
Z 1
C 2  [ K ]i
  потенциал
M
вне клетки
внутри клетки
Уравнение

[
K
]i
RT
M 
ln 
F
[ K ]0
C 1  [K ]0
Нернста
Нернста
Потенциал покоя

Основной вклад в создание и поддержание
потенциала покоя вносят ионы
Na+, K+, Cl-
Уравнение
ГОЛЬДМАНА-ХОДЖКИНА-КАТЦА
RT
Pk[ K ]i  PNa[ Na]i  PCl[Cl ]o
м  
ln
T
Pk[ K ]o  PNa[ Na]o  PCl[Cl ]i
знак минус- внутренняя поверхность мембраны
заряжена отрицательно.
Биопотенциал действия

При раздражении клетки проницаемость
ионов Na резко возрастает.
Биопотенциал действия

При раздражении клетки разность потенциалов между клеткой и
окружающей средой изменяется, возникает электрический импульс,
обусловленный изменением ионной проницаемости мембраны и
называемый потенциал действия.
Биопотенциал действия

В состоянии покоя концентрация ионов калия во внешней
среде больше чем в мембране. Для ионов натрия – все
наоборот. Внутренняя поверхность мембраны заряжена
отрицательно.
При возбуждении:
 открывается натриевый канал, ионы Na входят в мембрану,
внутренняя
поверхность
мембраны
приобретает
положительный заряд.
 натриевый канал закрывается и открывается калиевый
канал, ионы K выходят наружу, отрицательный заряд
восстанавливается.
 Рефрактерный период – мембрана возвращается в исходное
состояние.
Характерные свойства биопотенциала действия:

Наличие порогового значения мембранного потенциала.

Закон «все или ничего».

Рефрактерный период (невозбудимость мембраны) во
время развития потенциала действия и остаточных
явлений после снятия возбуждения.

В момент возбуждения проводимость мембраны резко
увеличивается ( от 500 до 1000 раз)
Автоволна

Распространение потенциала действия
волокну называется волной возбуждения.

Эта волна не затухает, т.к. получает энергию из среды –
заряженных
мембран.
Такая
волна
называется
автоволной.

Среда, дающая энергию автоволне, называется активной.

Скорость распространения
нервному волокну:
r- радиус нервного волокна.
потенциала

по
нервному
действия
r
Значение скорости распространения волны составляет 2030 м/с.
по
Автоволна




Волна, получающая энергию из среды в
процессе
распространения,
называется
автоволной.
Среда
дающая
энергию
автоволне
называется активной.
Распространение потенциала действия по
нервному волокну происходит в форме
автоволны. Активной средой является
возбуждение клетки.
Скорость
распространения
потенциала
действия
 r
r- радиус нервного волокна.
Заключение:
В лекции рассмотрены:
 строение, основные функции и свойства
мембран;
 виды транспорта веществ через
мембрану (пассивный и активный)
 виды мембранного потенциала.
Тест-контроль
Примером пассивного транспорта
является:
1. натриевый насос
2. эстафетный перенос
3. кальциевый насос
4. протонный насос.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Обязательная:

Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика: учебник. -М.: Дрофа, 2007.Дополнительная:

Федорова В.Н. Краткий курс медицинской и биологической физики с элементами
реабилитологии: учебное пособие. -М.: Физматлит, 2005.
Антонов В.Ф. Физика и биофизика. Курс лекций: учебное пособие.-М.: ГЭОТАР-Медиа,
2006.
Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике для
самост. работы студентов /сост. О.Д. Барцева и др. Красноярск: Литера-принт, 2009.
Сборник задач по медицинской и биологической физике: учебное пособие для самост.
работы студентов / сост. О.П.Квашнина и др. -Красноярск: тип.КрасГМА, 2007.
Физика. Физические методы исследования в биологии и медицине: метод. указания к
внеаудит. работе студентов по спец. – педиатрия / сост. О.П.Квашнина и др. -Красноярск:
тип.КрасГМУ, 2009.Электронные ресурсы:

ЭБС КрасГМУ

Ресурсы интернет

Электронная медицинская библиотека. Т.4. Физика и биофизика.- М.: Русский врач, 2004.
БЛАГОДАРЮ
ЗА ВНИМАНИЕ