Презентація на тему:
Фізичні основи функціонування біологічних мембран.

Фізичні основи функціонування біологічних мембран.

Біологічні мембрани- тонкі напівпроникні оболонки, що відокремлюють клітину від зовнішнього середовища і функціональні одиниці клітини одну від одної.

Структура клітини та її функціональних одиниць ГлЕР – гладенький ендоплазматичний ретикулюм; ГрЕР – гранульований ендоплазматичний ретикулюм; ЕПС – ендоплазматична сітка; Ліз – лізосома; Ліп – ліпосома; М – мітохондрія; Мв – мікроворсинки; Мт – мікротрубочки; ПМ – плазматична мембрана; Риб – рибосоми; СГ – система Гольджі; Хр – хромосоми; Ц – центріоль; Я – ядро; Я – ядречко;

Схематичне зображення молекули фосфоліпіду Головним матеріалом біомембран виступають амфіфільні (амфіпатичні) молекули фосфоліпідів – сполук з гідрофобним хвостом і гідрофільною голівкою.

До складу полярної голівки, що становить приблизно одну чверть всієї довжини молекули, входить гліцерин, фосфорна кислота і полярне сполучення, характерне для кожного класу фосфоліпідів (холін, серин та інші). Гідрофобний хвіст, що становить три чверті довжини молекули фосфоліпіду, складається із залишків жирних кислот, одна з яких насичена, а інша ненасичена, з подвійними вуглецевими зв'язками.

Самозбірка ліпідів у водному розчині Молекули ліпідів здатні самодовільно об'єднуватись, утворюючи у воді протяжні бішарові структури, котрі намагаються замкнутися самі на собі, ховаючи гідрофобні ділянки від води. У результаті утворюютсья везикули (ліпосоми). Процес цей називають самозбіркою.

Фосфоліпідний бішар виконує функцію матриці для білків, гліколіпідів, глікопротеїдів, відіграючи водночас роль бар'єра для іонів та молекул водорозчинних речовин .

Внаслідок перекисного окислення одного з жирнокислотних ланцюгів або його відщеплення під дією ферменту фосфоліпази, може утворюватись фосфоліпід з розміром голівки, що перевищує розмір гідрофобної частини. Такі дефектні молекули утворюють не бішар, а міцелярні структури.

Загальна схема будови біологічної мембрани 1 - елементи цитоскелета; 2 - гідрофобні головки ліпідів; 3 - гідрофільні головки ліпідів; 4 - вуглеводи; 5 - поверхневі білки; 6 - білок, який перетинає мембрану Схема будови клітинної мембрани: Білки мембран можуть знаходитись на поверхні ліпідного бішару (периферичні білки, ПБ), утримуючись переважно електростатичними силами або вбудовуватись до ліпідного бішару, іноді пронизуючи його наскрізь (інтегровані білки, ІБ). Інтегральні білки, опинившись поряд можуть утворювати білковий канал (БК).

Рідкі кристали - це особливий стан деяких речовин, переважно органічних, якому притаманна плинність (як рідини), але молекули при цьому зберігають впорядкованість у розташуванні, що спонукає до анізотропії ряду фізичних властивостей (як у кристалів).

Бішар - це рідка структура, в якій молекули ліпідів здатні здійснювати сегментальну рухливість, обертальні рухи і латеральну дифузією, що являє собою послідовний обмін місцями у межах одного шару.

Оцінка частоти перескоків v і характерних відстаней таких перескоків при латеральній дифузії Час перескоку оцінюється за формулою t=S/D, де S - площа, яку займає одна фосфоліпідна молекула, D - коефіцієнт латеральної дифузії . Згідно з цією формулою: а частота перескоків:

Середню відстань при перескоці оцінимо за формулою Тоді за рахунок латеральної дифузії молекула ліпіду пройде за час t=1с відстань

Перехід молекул на інший бік бішару (перехід “flip-flop”). Цей перехід відбувається зі швидкістю одна молекула за декілька годин. Білки в ліпідному бішарі також досить рухливі. Період обертального руху білка становить Латеральна рухливість білка визначається не тільки його властивостями, але й мікров'язкістю ліпідного оточення, тобто фазовим станом ліпідного бішару.

Фізичні методи досліджень свідчать про те, що ліпідний бішар, може перебувати у двох фазових станах: 1) у стані твердого двомірного кристалу; 2) у рідкокристалічному стані. При фазовому переході змінюється рухливість полярних груп, а також обертальна рухливість С-С зв'язків вуглеводневих ланцюгів.

Якщо мембрана знаходиться у твердій фазі, то в ній існують ліпіди лише у стані трансконформерів.

У рідкій фазі з'являються транс-гош-переходи. Після плавлення бішар становить динамічну суміш транс- та гош-конформерів. Гош-конформери, розташовані поряд, утворюють порожнини в бішарі чи так звані “кінки”. Синхронні транс-гош переходи можуть бути представлені як рух “кінків” вздовж вуглеводневих ланцюгів.

Крізь мембрану можуть проникати молекули гідрофільних речовин, уникаючи пори та канали.

Вся поверхня мембрани клітин має різні властивості. За ліпідним складом, включенням білків мембрани є гетерогенними. Це означає, що у мембранах спостерігаються дільниці з різною рухливістю: рідкі фази; більш структуровані фази.

Кооперативна реакція типу фазового переходу – важлива властивість ліпідів, бо саме на ній базуються механізми відбирання іонів із середовища, посилення зовнішнього сигналу, мембранної пам'яті клітини.

Деякі фізичні характеристики біологічних мембран: товщина 6-12 нм; поверхнева ємність 0,4-1,0 мкФ/см2; напруга в спокої 75 мВ; напруга пробою 150-200 мВ; напруженість електричного поля 106-107 В/м; поверхневий натяг 10-5-10-3 Н/м; в'язкість 10-1-10-2 Па*с; оптичний показник заломлення 1,6.

Основу сучасних уявлень про будову мембрани складає рідкокристалічна концепція, створена у 1972 році С.Сингером та Дж. Нікольсеном і вдосконалена у 1981 році С.Сингером.

Вивчення структури і функцій біологічних мембран – сучасна область біофізики, яка має надзвичайно важливе значення для теоретичної і клінічної медицини.

Порушення структури і бар'єрної функції мембран призводить до багатьох патологій, ракового переродження тканин, тканинної гіпоксії, пошкоджень, що виникають при інтоксикаціях, під впливом іонізуючої радіації тощо.

Біологічні мембрани (лат. membrana шкіра, оболонка) – функціонально активні поверхневі структури клітин товщиною в декілька молекулярних слоїв, що обмежують цитоплазму і більшість внутріклітинних структур, а також утворюють єдину внутріклітинну систему канальців, складок і замкнутих порожнин. Мембрану, яка обмежує цитоплазму клітини ззовні, називають плазматичною або цитоплазматичною мембраною, оболонкою клітини або плазмолеммою. Назва внутріклітинних (субклітинних) мембран звичайно походить від назви обмежених або утворених ними субклітинних структур.

Функції, що їх виконують біологічні мембрани надзвичайно різнобічні і важливі: формування клітинних структур; підтримка внутріклітинного гомеостазу; участь у процесі збудження і проведення нервового імпульсу; фото-, механо-, хеморецепція; всмоктування; секреція і газообмін; тканинне дихання; запасання і трансформація енергії і т.д. Всім цим визначається загально біологічне значення біологічних мембран як універсальної і домінуючої форми структурної і функціональної організації живої матерії.

Гіпоксія (hypoxia; гр. hypo- + лат. oxy[genium] кисень; синоніми: киснева недостатність, кисневе голодування) – стан, що виникає при недостатньому постачанні тканин організму киснем або порушенні його утилізації в процесі біологічного окислення.

Гліколіпіди (глікосфинголіпіди) – ліпіди, що вміщують в складі молекули цукор, відіграють значну роль в функціонуванні біологічних мембран.

Дифузія (лат. diffusio розповсюдження, розтікання) – процес самовільного взаємного проникнення речовин, що дотикаються один в одного за рахунок теплового руху часток речовин.

Ліпіди – велика група речовин, що містяться в живих організмах, розрізняються за хімічним складом, структурі і функції, яку виконують в організмі, але подібних за фізико-хімічними властивостями. Складні ліпіди – фосфоліпіди (фосфатиди, фосфогліцерини) і сфінголіпіди – це велика група з’єднань, що містять в молекулах окрім вуглеводу, водню і кисню, ще й азот, часто фосфор, а в окремих випадках і сірку (сульфоліпіди).

Ліпосоми (гр. lipos жир + soma тіло) – штучно отримані сферичні замкнуті частинки, утворені бімолекулярними ліпідними шарами. Ліпіди знайшли широке застосування в експериментальних дослідженнях моделі біологічних мембран. За фізико-хімічними властивостями ліпіди відносяться до рідкокристалічних систем.

Особливу групу кристалів (твердих тіл, що характеризуються правильним періодичним розташуванням в просторі частин, з яких вони складаються: атомів, молекул, іонів) складають так звані рідкі кристали. Цей тип кристалів цікавий тим, що входить в склад живої тканини і грає окрему роль в життєдіяльності клітини. Є дані про те, що рідкокристалічні стани властиві клітинним структурам, включаючи мембранні структури.

Пасивний та активний транспорт речовин крізь мембранні структури клітин Пасивний та активний транспорт речовин крізь мембранні структури клітин

У нормально функціонуючих клітинах присутні сотні різних молекул та іонів у концентраціях, значно менших або значно більших, ніж у навколишньому середовищі. Так, наприклад, концентрація іонів калію у клітині людини у десятки разів перевищує їх концентрацію в крові. Для іонів натрію співвідношення таких концентрацій обернене. Таким чином, існує певна вибірковість у розподілі цих іонів між клітиною і міжклітинним середовищем. Однією з основних функцій біологічних мембран є забезпечення вибіркової (селективної) проникності для речовин, що транспортуються у процесі життєдіяльності із клітини у середовище та з середовища у клітину.

Розрізняють пасивний і активний перенос (транспорт) молекул та іонів крізь мембрани. Пасивний транспорт не потребує затрат хімічної енергії. Він здійснюється за допомогою дифузії, що зумовлена різницею концентрацій у разі незаряджених молекул і різницею електрохімічних потенціалів для іонів. Деякі молекули (іони) примусово накачуються в клітини або викачуються з клітин у напрямі збільшення концентрації (електрохімічного потенціалу). Таке переміщення молекул (іонів) називають активним транспортом. Активний транспорт здійснюється під час витрати хімічної енергії, що виділяється при гідролізі АТФ чи переносі електронів по дихальному ланцюгу мітохондрій.

Пасивний транспорт незаряджених молекул Математичний опис процесу дифузії було дано Фіком. Згідно з рівнянням Фіка потік Ф дифундуючої речовини визначається таким виразом: Ф = -Ddc/ dx. (1) Вираз (1)– це закон Фіка для вільної дифузії, де Ф = 1/ S * dN / dt – кількість частинок речовини (молекул), що перетинають одиничну площину за одиницю часу; D - коефіцієнт дифузії; dc/ dx – градієнт концентрації дифундуючої речовини. Для газів і розбавлених розчинів коефіцієнт дифузії може бути визначений за формулою D= V * λ / 3, де V – середня швидкість руху молекул; λ – середня довжина вільного пробігу молекул. Знак «-» вказує на те, що потік речовини Ф напрямлений в бік зменшення її концентрації (1).

Розглянемо пасивний транспорт незаряджених молекул крізь мембрану. Розподіл концентрацій молекул дифундуючої речовини при переході через мембрану показано на рис.2, де використані такі позначення: се, сі – концентрації дифундуючих частинок у водному середовищі зовні і в клітині; сме і смі - концентрації частинок у самій мембрані біля зовнішньої і внутрішньої її поверхонь.

Рис.1. Співвідношення напрямків градієнта концентрації та потоку дифундуючої речовини Рис.2. Розподіл концентрації при пасивному транспорті незаряджених молекул через мембрану З рис. 2 видно, що концентрація зовні клітини се перевищує концентрацію у клітині сі, а в самій мембрані змінюється за лінійним законом, тобто градієнт концентрації dc/dx = const і становить: dc/dx = - ( сме – смі)/ L, (2) де L – товщина мембрани. Це є, звичайно, припущенням. Концентрація частинок на поверхнях мембрани зазнає стрибок внаслідок різної розчинності речовини у водній фазі і пристінному шарі всередині мембрани. Звичайно існує пропорційний зв’язок: сме/ се = смі /сі = К, (3) де К - коефіцієнт розподілу речовини між мембраною та водною фазою.

Концентрація частинок на поверхнях мембрани зазнає стрибок внаслідок різної розчинності речовини у водній фазі і пристінному шарі всередині мембрани. Звичайно існує пропорційний зв’язок: сме/ се = смі /сі = К, (3) де К - коефіцієнт розподілу речовини між мембраною та водною фазою.

Під час руху речовини крізь мембрану, частинки змушені долати не лише гідрофобний шар ліпідів, а й нерухомі шари води, що прилягають до мембрани (примембранні шляхи). Нехай речовина рухається всередину клітини з водного розчину з концентрацією с е до водного розчину з концентрацією сі. При цьому частинки повинні долати три дифузійні бар’єри: зовнішній примембранний шар води, саму мембрану і внутрішній примембранний шар води (рис. 3). Рис.3: Розподіл концентрації при пасивному транспорті речовини через мембрану при наявності нерухомих примембранних шарів води

Пасивний транспорт іонів У відсутності градієнта концентрації перенос заряджених частинок (іонів) може відбуватися при наявності електричного поля, тобто градієнта електричного потенціалу. Густина електричного струму іонів за законом Ома: де γ – коефіцієнт електропровідності середовища. Як відомо, густина електричного струму де с- кількість носіїв заряду (іонів) в одиниці об’єму середовища; v – швидкість, з якою рухаються носії (іони) під впливом електричного поля; q – заряд носія (іона). j = γ E = -γ j = qcv

Коефіцієнт проникності мембрани при пасивному транспорті через канали де n – кількість каналів на одиницю площі мембрани; r – радіус каналу; L – довжина каналу (товщина мембрани); D – коефіцієнт дифузії речовини у воді. Згідно з гіпотезою Мулінза найкраще проходять крізь канали ті іони, радіус яких в оточенні одного шару молекул води близький до радіуса каналу. Швидкість пасивного транспорту крізь мембрани збільшується на кілька порядків у присутності переносників – молекул, що володіють дуже високим рівнем селективності. Наприклад, переносник який полегшує транспорт глюкози крізь мембрану, ніяк не впливає на транспорт амінокислот. Найбільш детально полегшений транспорт крізь біологічні мембрани було вивчено на прикладі переносу іонів іонофорними антибіотиками типу ваніломіцину. P =

Активний транспорт Поряд з пасивним транспортом у життєдіяльності клітини важливу роль відіграє активний транспорт – примусовий перенос молекул ті іонів з області малих концентрацій до області високих концентрацій. Завдяки активному транспорту підтримуються концентраційні градієнти, які необхідні для нормального функціонування клітини. Транспортні системи, які створюють необхідні концентраційні градієнти, називають насосами, або АТФазами. Відомо 4 основні системи активного транспорту: 1. Na+ - K+ - насос 2. Са2+ - насос 3. Н+ - насос 4. Перенос протонів під час роботи дихального ланцюга мітохондрій. Активний транспорт, як і пасивний, забезпечується спеціальними структурами: каналами, переносниками, ферментами. При активному транспорті (на відміну від пасивного) вектор переміщення іонів співпадає за напрямком з вектором концентраційного градієнта, тобто з напрямком збільшення концентрації. Активний транспорт відбувається з рахунок енергії, що виділяється при гідролізі АТФ (комплексу Mg – АТФ2-) з утворенням молекул АДФ і неорганічного фосфату (Фн).

ДЯКУЮ ЗА УВАГУ