|
| |||
Реферат: Конспект лекций по биофизикеКонспект лекций по биофизике Биофизика как наука Биофизика – это наука, изучающая физические и физико-химические процессы, протекающие в биосистемах на разных уровнях организации и являются основой физиологических актов. Возникновение биофизики произошло, как прогресс в физике, вклад внесли математика, химия и биология. Живые огранизмы – открытая, саморегулирующаяся, самовоспроизводящаяся и развивающаяся гетерогенная система, важнейшими функциональными веществами в которой являются биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты сложного атомно-молекулярного строения. Задачи биофизики: Теоретическое обоснование термодинамических (т/д) основ жизни.) (генерация и распределение нервного импульса, мышечное сокращение, рецепция, фотосинтез и др.) Разделы биофизики: Термодинамика биологических процессов 1. Предмет и практическая значимость т/д биосистем. Подходы: феноменологический и детальный. Значение имеют т/д параметры только в исходном и конечном состоянии. Термодинамика – это наука, изущающая наиболее общие закономерности превращения различных видов энергии в системе. - экстенсивные, зависят от количества вещества в системе (масса, объем), - интенсивные, не зависят от количества вещества в системе (давление, t0). Первое начало термодинамики (Q = dU - (W Количество теплоты, поступающей в систему расходуется на увеличение внутренней энергии системы за вычетом совершенной работы. (W = pdV + (W'max Работа равна произведению давления на изменившийся объем плюс максимально полезная работа против внешнего давления по изменению объема системы. Живые организмы не являются источников новой энергии. Окисление поступающих в живой организм питательных веществ приводит к высвобождению в нем эквивалетного количества энергии. .................. – определение питательных веществ, поступающих в организм. Металлический сосуд с теплоизолирующими стенками в который помещаются исследуемые питательные вещества, затем их сжигают с помощью высоковольтных разрядов и измерают теплоту сгорания. 1 г белка – 5,4 ккал (4,1 ккал до мочевины) 1 г жира – 9,3 ккал 1 г углеводов – 4,1 ккал Определение расхода энергии в течение суток. Метод прямой или непрямой калориметрии. Прямой: Камера "ледяной калориметр". Теплоизолирующий материал, лед, лабораторное животное (человек). Энергия, высвобождающаяся из организма эквивалентна поступающей в организм Непрямой: С полным и неполным газовым анализом. ДК = выд СО2 в ед t / погл О2 в ед t Производят сравнение состава и объема вдыхаемого и выдыхаемого
воздуха. Используют мешок Дугласа. Для анализа используют газоанализаторы: В клинических условиях используют неполный газовый анализатор, не
считают СО2. Считают объем поглощенного О2 с помощью спирографа (аппарат
метатест). Диаграмма под наклоном, из замкнутой системы постепенно уходит 1 л – 4,86 ккал 400 мл – х Второе начало термодинамики показывает в каком направлении происходит перемещение энергии в изолированных системах. Энтропия S в т/д имеет троякий смысл: если в т/д системе происходят процессы, связанные с выделением или
поглощением тепла, то эта система при любой t0 способна поглотить некоторое
дополнительное количество тепла. Величина, характеризующая тепловую емкость
системы и является функцией t0 – S. S = k*lgW Т/д вероятность – это количество микросостояний, возможных в пределах данного макросостояния. Все микросостояния, определяющие т/д вероятность имеют одинаковую математическую вероятность. Математическая вероятность – это среднее значение частоты появления события при массовых испытаниях. В изолированных системах необратимые т/д процессы протекают в направлении возрастания энтропии. S полностью обратимых т/д процессов сохраняет постоянное значение. Теплота – это особый вид энергии (низкого качетва) не может переходить без потери в другие виды энергии. Тепловая энергия связана с хаотическим движением молекул, остальные виды энергии базируются на упорядоченном движении молекул. Дриллюэн создал классификацию видов энергии по способности вида энергии превращаться в другие виды энергии. A. – max эффективная, превращается во все другие виды энергии. Гравитационная, ядерная, световая, электрическая, B. – химическая, C. – тепловая. Деградация высших типов энергии в энергию низших типов – основное эволюционное свойство изолированных систем. Рисунок Т/д потенциал Задачи т/д: (бесполезная работа – работа против сил внешнего давления) (Wmax=TdS-dU-pdV КПД КПД – это отношение произведенной работы к изменению свободной энергии,
затраченной на эту работу. КПД = W/dF ( 1 КПД может выражаться в
абсолютных единицах или процентах. Согласно второму закону т/д, КПД
обратимого процесса должно быть равно 1. КПД необратимых процессов < 1. КПД
реальных биологических процессов < 1. Приблизительное значение КПД реальных
биологических процессов: Градиенты Биологические системы характеризуются наличием большого количества
градиентов (осмотический, электрический, концентрационный…) Рисунок Ґ=??/ ?v Ґ – направление от большого значения параметра к меньшему. Биосистема способна совершать работу, если в ней имеется градиент. Градиент – своеобразное депо энергии. Ф значение т/д параметров в 1 и 2 точках Совершение работы в системе связано с реализацией этой свободной энергии. Применимость второго закона т/д для характеристики свойств био систем Энтропия и другие функции состояния могут быть определены в любой момент изменения неравновесного состояния или энтропии и др функций состояния является непрерывными и однозначными функциями т/д параметров и времени. В открытой системе dS=(Q'/T+(Q/T Второй закон т/д для открытых систем 1) dS/dt>0 количество энтропии в системе возрастает а) dS/dt>0; diS/dt>0; б) deS/dt=0 нет обмена со средой, система изолированная; в) deS/dt ? растущая Как изменится количество клеток в системе, если ограничить количество питательных веществ? В этом случае изменение количества клеток в популяции со временем будет описываться логистическим уравненем Ферхюста: dN/dt = kN*(Nmax–N/Nmax) Nmax – максимально возможная численность популяции в данных условиях. Рисунок. Логистическая кривая. Начальная часть N Nmax количество питательных веществ ограничивает дальнейший рост количества клеток в популяции. Основные особенности кинетики биопроцессов 1. В биокинетике в качестве переменных величин выступают не только концентрации веществ, но и другие параметры. Схема системы с отрицательной обратной связью ОУ – объект управления, РВ – регулируемая величина, ИУ – измерительное устройство (измерение параметров регулируемой величины) АС – аппарат сравнения, ОС – обратная связь, f – сигнал от высших центров регуляции. Простейшая кинетическая модель открытой системы . Модель системы в которой происходит обмен веществ "а" и "b" с окружающей средой, внутри обратимые реакции превращения "а" в "b", во внешних резервуарах концентрация этих веществ постоянна и равна соответственно А и В.
da/dt = k1(A–a)–k2(a–k–2b)
db/dt = k2a–k3(b–B)–K–2b Вывод: В каком бы начальном состоянии ни находилась система, в ней в конце концов установится один и тот же стационарный режим при котором а = а стационарное, b = b стационарное. Это свойство эквивалентности стационарных состояний. Оно присуще открытым системам и постоянно встречается при изучении свойств биополимеров. Качественный анализ кинетической модели Основная идея метода заключается в отказе от нахождения точных аналитических решений диф уравнений. Вместо этого используются качественные характеристики динамического поведения системы: устойчивость или неустойчивость стационарного состояния, переходы между стационарными состояниями, наличие колебательных движений в системе, качественная зависимость поведения системы от критических значений параметров. Наиболее важным свойством стационарного состояния является его устойчивость, она определяется спосбностью системы самопроизвольно в него возвращаться после внесения внешних возмущений, отклоняющих систему от исходно стационарной точки. Очевидно, чтобы сделать заключение об устойчивость стационарного состояния необходимо иметь соответствующие критерии. Бассейн с водой открытая система. С определенной Vпр в него поступает
вещество а, но оно с определенной Vот из системы истекает. Vпр постоянна, Рисунок. Стационарное состояние в т. а отвечает условию, что V = cosnt = 0. В стационарной точке da/dt = 0. Количество вещества в системе постоянно. Качетвенный анализ дается графическим методом. Случайные отклонения а будут компенсироваться системой. Стационарное состояние а устойчиво. Качественный критерий устойчивости стационарного состояния Ляпунова Если система находится в состоянии равновесия, то точка, изображающая местоположение исследуемого показателя на графике будет името постоянное значение координат. dx/dt = 0, dy/dt = 0 x(t) – const, y(t) – const Такая точка получила название особой точки. Она показывает местоположение на графике стационарной системы. Если система по каким то причинам выходит из состояния равновесия, то изображающая точка сместится из особой точки и начнет двигаться по плоскости в соответствии с изменением координат х и у. В этой ситуации: dx/dt = p; p = f (x;y); dy/dt = q; q = f (x;y). p и q – непрерывные функции, определенные в данной области плоскости. В соответствии с критерием Липунова состояние равновесия устойчиво, если для любой области допустимых отклонений от состояния равновесия (() можно указать область (, окружающую состояние равновесия и обладающую тем свойством, что ни одно движение преображающей точки, начинающееся в пределах области ( никогда не достигнет границ области (. При этих условиях стационарное состояние устойчиво. Если же для какой то области ( не существует области (, то равновесие не устойчиво. Во многих системах существует не одно, а несколько стационарных состояний, свойства их чаще всего различаются. И это в первую очередь касается их устойчивости, поэтому в данных ситуациях задачей качественного анализа является определение устойчивости всех стационарных состояний и условий перехода между ними. Редукция числа уравнений. Принцип узкого места Желательно отразить в системе уравнений все ее наиболее значимые свойства. Но вместе с тем системы диф уравнений из большого их числа, являются перегруженными. Такая модель чересчур детализирована, следовательно наиболее оптимальными моделями, характеризующими основные свойства систем являются модели, состоящие из небольшого числа диф уравнений (предположительно из двух). Принцип узкого места (ПУМ) основан на разделении всех переменных, характеризующих свойства системы на быстрые и медленные. Характерное время процесса – ( отражает время развития процесса. ( процессов ферментативного катализа 10–1 – 10–6 с, процессы физиологической адаптации, для них ( несколько минут и больше, процессы репродукции в этой же системе, для них ( несколько минут и больше. ( – величина противоположная скорости. V=1/(. В пределах одной отдельной цепочки взаимосвязанных реакций всегда имеются наиболее медленные и наиболее быстрые стадии. Согласно ПУМ общая скорость всей цепи реакций определяется наиболее
медленной стадией (она и есть узкое место), она имеет самое большое (, При внешних возмущениях в системе наблюдаются изменения как быстрых,
так и медленных перменных, однако эти изменения протекают с разной
скоростью. В устойчивой системе быстрые переменные быстро отклоняются от
своих начальных значений, но быстро в них возвращаются. Медленные
переменные изменяются в ходе длительных переходных процессов, определяющих
динамику всей системы. Фактически быстрые переменные колеблются возле своих
стационарных значений. Поэтому вместо диф уравнения, описывающего динамику
быстрой переменной можно записать алгебраическое уравнение, отражающее ее
стационарное значение, что приведет к постоянному уменьшению числа диф
уравнений в системе, останутся лишь те, что описывают наиболее медленные
процессы. dx/dt=AF(x;y) dy/dt=Q(x;y) Жидкая вода состоит из отдельных молекул и структурно связанных
кластеров. Кластеры постоянно распадаются и возникают вновь. Это создает
усредненное окружение для каждой отдельно взятой молекулы воды, - слабо
учитывает молекулы воды в молекулярных группах. Растворимость различных веществ в воде В воде хорошо растворяются электролиты вследствие высокой диэлектрической проницаемости воды, так же вещества с большим дипольным моментом и вещества, способные образовывать водородные связи с молекулами воды. Рисунок. Нерастворимые вещества в воде: различные углеводороды, масла, жиры. Это объясняется тем, что контакты между молекулами Н2О–Н2О и С6Н6–О молекулами оказываются более выгодными, чем С6Н6–Н2О. В любой ситуации, когда свободная энергия раствора меньше свободной энергии воды и растворимого вещества, данное вещество хорошо растворяется в воде (и наоборот). Гибкость полимерных молекул Молекулы биополимеров сложны и обладают набором свойств. Молекулы каучука подчиняются законам Гука ? = ?(L0–L)/L0, напряжение ? равно модулю упругости ?, L0 – начальная длина, L – конечная длина. Каучук обладает некоторыми свойствами идеального газа. Энтропийный характер упругости для идеального газа означает, что при движении поршня внутри цилиндра и росте давления в нем, мы переводим его из более вероятного состояния в менее верояное сжатое состояние, понижается энтропия газа. С каучуком происходит тоже самое. Между элементами каучука, связанными в линейную цепь, существуют связи между которыми могут происходить вращения, в результате чего изменяется конформация цепи. В биополимерах так же есть такие связи: С-С, С-N, С-О, вокруг которых могут происходить вращения – молекулы биополимеров обладают конформационной лабильностью. Эти конформационные свойства играют важную роль, так как на них базируются все функционально важные свойства биополимеров. Клубок, глобула и условия их существованиия Рисунок. Благодаря вращению вокруг единичных связей, цепочка биополимеров сворачивается самопроизвольно в клубок. N – количество звеньев l – средняя длина звена (длины звеньев не равны) h – расстояние между началом и концом Вследствие объемных эффектов плотность звеньев в пространстве, занятом молекулой биополимера, может изменяться от точки к точке. Существует пространственная корреляция. В состоянии клубка флукитуация (колебания) плотности имеет порядок самой плотности. Однако наличие объемных взаимодействий может привести к такому состоянию в котором флуктуация плотности окажется малой по сравнению с плотностью. Такое состояние носит название глобулы. Рисунок. Вид клубка при нулевой температуре, F- свободная энергия, n – число звеньев. В состоянии клубка молекула имеет min свободной энергии при N ? 0. Где F=0 будут осуществляться обратимые переходы между клубком и глобулой. Переходы могут быть двух видов: 1) переходы первого рода: при изменении t0 наблюдается тепловой эффект, S и внутреняя энергия изменяются скачками. 2) фазовый переход второго рода: без тепловых эффектов. Теплоемкость при этом изменяется скачкообразно, S и внутреняя энергия изменяются плавно. В результате удельный V системы не испытывает скачкообразность изменений. Рисунок. Графическая зависимость плотности мономерных звеньев от t0. n – плотность мономерных звеньев, 1 жесткая цепь, 2 гибкая цепь. В случае гибкой цепи нет конкретной Q точки, выделяется Q лишь область. В реальных био молекулах гибкость цепи может изменяться в силу различий отдельных участков. Статистическая теория полимерных цепей Рисунок. Этан. Более выгодня транс-конформация, так как вокруг единичной связи вращается молекула и меняется Е потенц. Рисунок. Графическая зависимость Е потенц. от угла вращения. ?=0 при транс. При поворотах вокруг единичной связи молекула этана преодолевает своеобразный энергетический барьер = 12200 Дж/моль. Рисунок. Бутан. СН3–СН2–СН2–СН3 энергетически более выгодна транс-конформация, при которой СН3 группы находятся на max расстоянии друг от друга. Время превращения одного ротомера в другой 10–10 с. Ротомеры нельзя разделить, они непрерывно переходят из одной конформации в другую. Биофизика клетки. Мембранология. Все клетки окружены цитоплазматической мембраной, которая представляет собой функциональную структуру, толщиной в несколько молекулярных слоев, которая ограничивает цитоплазму и большинство внутриклеточных структур, а так же образует единую систему канальцев, складок и замкнутых полостей, расположенных внутри клетки. Толщина редко превышает 10 нм, в этой структуре плотно упакованы липиды и белки, поэтому сухой вес мембраны составляет более Ѕ сухого веса клетки. В середине XIX века Дюбуа-Реймон впервые сообщил, что между внутренней и
внешней поверхностью кожи лягушки имеется разность потенциалов. Моль ввел
термин "мембрана" , он изучал цитоплазму клеток растений и выяснил, что она
окружена полупроницаемой мембраной. 1877 г. Пфейфер-ботаник, исследуя
явление осмоса, пользовался как естественной, так и искусственной мембраной
из осадочного ферроцианида. Cu > cходнства между ними > естественная
мембрана участвует в явлении осмоса. Позднее стали говорить о генерации
биопотенциала мембраны (конец XIX века). 1902 г – Бернштейн – мембранная
теория потенциала покоя и потенциала действия > развитие мембранологии. Химический состав мембраны Достаточно высокое содержание липидов, они составляют мембранную матрицу; белки составляют вариабильную часть; углеводы в виде гликопротеидов и гликолипидов. В мембране всегда находится небольшое кол-во воды (важная роль). Липиды мембраны: Классификация I. Классы: 1. Липиды – производные глицерина. Кефалины – фосфодиэтаноламин, Лецитин – фосфатидилхолин. 2. Липиды – производные сфингозина. Сфингомиолин, цереброзиды. 3. Стерины – холестерин, ?-ситостерин, эргостерин, зимостерин и т.д. 4. Минорные липиды - ?-каротин, витамин К. II. Группы: 1. Нейтральные липиды – холестерин, триглицериды. 2. Цвиттерионы – 2 заряда диполя – фосфотидилэтаноламин, фосфотидилхолин. 3. Липиды – слабые кислоты, фосфотидилсерин. 4. Липиды – сильные кислоты – фосфотидиловые кислоты и сульфокислоты. Мембранные белки С трудом поддаются выделению, многие вообще не выделяются без нарушения структуры. Белки в мембране отличаются большим разнообразием. Большинство белков в мембране находятся в виде клубка, 30% белков могут находится на поверхности мембраны в виде спирали. Существует несколько классификаций мембранных белков: I. Функциональная классификация 1. ферментативные, 2. транспортные, 3. рецепторные, 4. каналообразующие, 5. воротные, 6. структурные. II. Классификация по локализации по отношению к липидам. 1. интегральные, 2. периферические. Интегральные белки погружены в мембрану или пронизывают ее насквозь. Вандеркой и Капалди 1972 г. – все аминокислоты делятся на полярные,
неполярные и промежуточные. Полярность а-к первой группы приняли за 1,
полярность а-к второй группы – за 0, полярность а-к третьей группы – за Ѕ. Углеводы мембран В связанном виде не встречаются. В состав мембранных углеводов входят следующие сахара: - Д-галактоза, - Д-глюкоза, - ацетилглюкозамин, - ацетилгалактозамин, - Д-фруктоза, - Д-манноза, - Д-ксилоза. Родопсин – гликопротеин оболочки сетчатки, состоит из углеводородной цепочки (4%), связанной с белками М=28000 Да. Гликопротеиды являются рецепторами для гормонов, медиаторов, пептидов и др. Большое кол-во гликопротеидов в вирусных оболочках (до 40% оболочки). Вода С ней связаны многие структурно-функциональные свойства мембран, а так
же процессы стабилизации и формирования мембран. Вода входит в состав
мембран и делится на свободную, связанную и захваченную. Связанная и
свободная вода различается по подвижности молекул воды и растворяющей
способности. Наименьшей подвижностью и растворяющей способностью обладает
внутренняя связанная вода. Она присутствует в липидной зоне мембран в виде
отдельных молекул. Основную часть связанной воды представляет вода
гидратных оболочек. Эта вода окружает полярные группы белков и липидов,
имеет min подвижность и практически не обладает свойствами растворителя. Струкрурная организация мембран Плохо изучена, но внедряется электронная микроскопия, ЯМР, ЭПР. Мембраны – 3х слойная структура с наружным и внутренним слоем, тонкие,
темные до 2,5 нм, внутренний слой между ними светлый до 3,5 нм. Считается,
что основой биомембран в большинстве случаев являются мембранные липиды. Рисунок. В другой работе показано, что такие образования сохраняют устойчивость, если внешний d этой замкнутой поверхности не меннее 30 нм, так как чем меньше d, тем зазоры между головками липидов больше и вода просачивается внутрь замкнутого образования и нарушает стабильность. Стабильность бислоя определяется заряженными головками липидов. Ассимметричность – 2ух слоев, они могут состоять из разным липидов. Эритроцитарная мембрана: во внешнем слое много фосфатидилхолина и
сфингомиелина, во внутреннем слое много фосфатидилэтаноламина и
фосфатидилсерина. Во многих случаях неполярные хвосты содержат цепочки от Мембранные липиды обладают динамическими свойствами: - способность липидной молекулы к латеральной диффузии, коэффициент латеральной диффузии равен 3,25*10–8 см/сек. Коэф отражает способность перемещения липидной молекулы вдоль мембраны, - вращательная диффузия, К=10–9 сек, - flip-flop переход, липидные молекулы пересекают мембрану, переходя из одного слоя в другой. К=10–3 сек средняя величина, показывающая число переходов – 1 переход в 1000 сек. Организация мембранных белков Большая часть мембранных белков находится в виде клубка (?70%), основная часть может разворачиваться на поверхности липидного бислоя вследствие электростатического взаимодействия с липидными головками. В этом случае белки будут расположены на поверхности липидов в виде спирали. Родоспин, М=28000 Да, форма сферы, d=4 нм, мелкая молекула. Динамические свойства белков. 1. Латеральная диффузия. все значения для белков с М=100000, К=3*10–10 см/сек. Но белки могут объединяться в кластеры, которые мало подвижны. 2. Вращательная диффузия К=0,34 сек. 3. flip-flop переходы, К=10–4 сек – частота flip-flop перехода. Модели биологических мембран В 1935 г. модель Даниэля Доусона унитарная модель био мембран. Липидный бислой – структурная основа. Наружный и внутренний слои – глобулярные белки. Симметричная модель. В группе моделей предполагается наличие белков матрицы. Модель Лючи (середина 60х г.) – белково- кристаллическая модель. Модель _______________ (1970) сохраняется концепция липидного бислоя, однако этот слой прирастается участками симметрично расположенных белков, они жестко фиксированны пространственно за счет дальнодействующих белок-белковых свойств. Мембранный транспорт Диффузия
определяется движением молекулярных частиц по направлению концентрационного
градиента. Диффузия в физике рассматривается на примере простых моделей. Скорость диффузии будет определяться количеством вещества, диффундирующем в единицу времени. Закон Фика. dQs/dt=Ds*A*dCs/dx dQs/dt – количесво вещества диффундирующее в единицу времени Ds – коэффициент диффузии А – площадь поверхности dCs/dx – концентрационный градиент (изменение концентрации вещества с расстоянием) Для скорости диффузии важной величиной является концентрационный градиент. Коэф диффузии зависит от природы и молекулярной массы растворенного вещества и растворителя. Из правого в левый движение хаотичное, но оно не велико. Будут наблюдаться однонаправленные потоки – количество растворенного вещества, пересекающих единицу площади поверхности молекулы за 1 секунду в данном направлении. Iоднонапр потока = dQs/dt , I измеряется в моль/см2*сек. Однонаправленный поток вещества в одном направлении не зависит от потока
этого же вещества в противоположном направлении. dQs/dt=P*(C1-C2),
для описания диффузии незаряженных молекул. Скорость движения незаряженных молекул является линейной функцией концентрационного градиента. Р является функцией рассматриваемых мембран и диффунцирующего вещества. Р=Дм*К/х, Дм коэффициент диффузии вещества внутри мембраны (чем больше вязкость мембраны, тем больше диффузия молекул, тем ниже эта величина). К- коэффициент распределения. х – величина толщины мембраны. Коэффициент проницаемости от 10–12 до 10–2 см/сек эритроцитарный. Под действием антидиуретического гормона проницаемость мембраны может возрастать в 10 раз. Осмос 1748 г. – открытие осмоса. Офицально считается, что открыл Жан-Антуан Осмос заключается в переходе молекул воды через мембрану по направлениям ее концентрационных градиентов. Наступает равновесие (динамическое) определяется фактором осмотического давления (направление слева направо). Гидростатическое давление раствора в правом отсеке, когда эти два давления уравновесили друг друга, то мы получим равновесие. Вывод: для того, чтобы измерить осмотическое давление раствора нужно измерить гидростатическое давление во втором отсеке. В 1877 г. Пфейффер определил количественный показатель осмоса с помощью
осмометра (имеет полупроницаемую мембрану – из осадочного ферроцианида Сu). Вант-Гофер: в термодинамическом отношении молекулы воды ведут себя подобно молекулам газа. ?=RTS или ?=RT?/V, ? – осмотическое давление, RT? – количество молей вещества, R – газовая постоянная, Т – абсолютная температура, С – концентрация. Это выражение справедливо лишь для разбавленных растворов. Транспорт ионов Необходимо учитывать и влияние электрических сил. 1. На заряженные частицы (органические и неорганические ионы) действуют 2 силы, определяющие их диффузию через мембрану: концентрационный градиент и электрическая сила (определяется разностью потенциалов). Совокупность этих двух сил составляет электрохимический потенциал. 2. Существует разность потенциалов, уравновешивающая действующий на данный ион концентрационный градиент и предотвращающая трансмембранный перенос данного иона. В этой ситуации будет существовать некоторое состояние равновесия – электрохимическое равновесие, а соответствующие потенциалы мембраны будут называться равновесными потенциалами. Например, на мембране много К+, идет отток К+. Если зарядить внутреннюю поверхность мембраны до –97 мВ, для Na+ равновесный потенциал ? +55 мВ. 3. Диффузия заряженных частиц может происходить против концентрационного градиента, если электрический градиент будет направлен противоположно концентрационному и будет превышать его действие. Доннановское равновесие Фредерик Доннан – физико-химик, 1911 г. Если налить в сосуд с полупроницаемоей перегородкой воды, то в 1 и 2 будет вода. Доннан добавил в первый отсек соль KCl. По прошествии определенного времени концентрации различных ионов в двух отсеках стали равны. Доннан взял соль с органическими ионами, которые не проходят через мембрану. Через некоторое время ионы K+ и Cl– начинают диффунцировать. Наступает ситуация при которой в первом отсеке [K+] больше, чем во втором, в первом отсеке [Cl–] меньше, чем во втором. Вывод: анион, не проходящий через мембрану оказывает на распределение анионов и катионов, свободно проходящих через мембрану между отсеками. Такая же ситуация наблюдается и в клетках и в биосистемах. Установленное 1. Оба отсека по отдельности должны быть электронейтральными, то есть в каждом отсеке число "+" ионов должно быть равно числу "–" ионов. 2. Диффундирующие ионы (K+ и Cl–) пересекают мембрану парами, при этом сохраняется электронейтральность отсеков. Вероятность пересечения мембраны этими ионами определятется произведением их концентраций [K+]*[Cl–]. 3. В равновесии скорость диффузии KCl в одном направлении равна скорости диффузии KCl в противоположном направлении. Поэтому [K+]*[Cl–] должно быть одинаковым для обоих отсеков. [K+]2/[K+]1=([A–]1+[Cl–]1)/[Cl–]2. Механизмы пассивного транспорта через мембраны Пассивный транспорт осуществляется главным образом тремя способами: Коэф. распр. К = конц в-ва в липидной фазе / конц в-ва в водной фазе. Распределение точек для различных веществ. Но были исключения, например H2O, CO2 и другие мелкие незаряженные молекулы – наблюдаются большие колебания К и проницаемости. Гексанол (1 ОН) и монитол (6 ОН) одинаковы по элементарному составу. Это приводит к тому, что –ОН группы образуют водородные связи с водой, поэтому снижается растворимость вещества в липидах, это сказывается на К. Наличие только одной –ОН группы снижает К ( в 40 раз. Поэтому гексанол диффундирует гораздо быстрее, чем монитол. В отношении воды было сделано предположение: она дополнительно диффундирует через поры мембраны. Это было доказано экспериментально: если брать синтетическую мембрану, но состоящую только из липидов, вода проходит через нее ( еще одни механизм, связанный с динамическими свойствами липидов. Так как во время этих динамических движений образуются дефекты и очень подвижные молекулы воды успевают протикнуть через них через мембрану. Кинетика такого транспорта характеризует графическую зависимость скорости поступления через мембрану от концентрации вещества вне клетки. Эта прямая отражает кинетику без насыщения (то есть концентрация вещества может возрастать до бесконечености). Такая кинетика отличает простую диффузию от двух других механизмов пассивного транспорта. Через такие поры могут проходить отрицательные ионы (Cl–, молекулы воды, мочевина, мелкие незаряженные частицы, +заряженные частицы не проходят). На такой модели изучали этот вид транспорта. В области высокой концентрации наблюдается явление насыщения, так как пропускная способность ионноых каналов ограничена. Но в биосистемах явления насыщения не встречается. Скорость облегченной диффузии достигает max, когда все молекулы переносчика будут заняты транспортируемым веществом. Теория облегченной диффузии напоминает теорию субстрат-связывающего комплекса. Данный вид транспорта можно ингибировать с помощью химических аналогов транспортируемого вещества. Механизмы первично активного транспорта Энергия клеточного механизма концентрируется в виде АТФ. Существуют
специальные мембранные насосы, их совокупность – первично активный
транспорт. Источник энергии – клеточный метаболизм, если отключить источник
энергии, то ионы расположатся равномерно, относительно мембраны. Основные особенности первично активного транспорта: (метаболические яды блокируют насос). Современная гипотеза первично активного транспорта K-Na-АТФаза – молекула из двух субъединиц, имеющих внутренние полости: (-большая субъединица (полипептид), (- малая субъединица (гликопротеид). ( обладает высоким сродством к Na +, ( - к К+. Полость (-субъединицы заполняется 3 ионами Na+, полость (-субъединицы заполняется 2 ионами К+. Потом у (-субъединицы сродство к Na+ падает, а у (-субъединицы сродство к К+ возрастает. За счет флуктуации происходит пространственное совмещение полостей субъединиц и обмен ионами. В конце цикла полости открываются, и ионы их покидают. Другая гипотеза. В начале происходит заполнение полостей описанным выше способом, затем поворот K-Na-АТФазы на 1800. После чего ионы покидают полости, а K-Na-АТФаза опять поворачивается на 1800. Если молеула постоянно переворачивается, то это должно привести к перестройке молекулярного слоя – спорный момент. Механизм вторично активного транспорта заключается в переносе веществ через мембрану против концентрационного градиента, обеспечиваемом энергией, которая высвобождается при переносе другого вещества по градиенту. То, что транспортируется по градиенту, называется синпортом, или ко-транспорт. Пример, транспорт а-к или сахаров через био мембраны. Транспорт в клетки аланина. В присутствии внеклеточных ионов Na+ транспорт аланина в клетки
осуществляется до тех пор, пока внутриклеточная концентрация Na+ будет в 7- 2 рисунка. max скорость транспорта в двух случаях одинакова. Внеклеточный Na+ оказывает непосредственное влияние на транспорт аланина (различный наклон графиков). Если повысить внутриклеточную концентрацию Na+, то аланин из клетки будет выходить во внеклеточную среду. Вторично активный транспорт не зависит от концентрации Na+ вне клетки, а зависит от концентрации градиента ионов Na+. Градиент Na+ является движущей силой, промежуточной стадией в процессе использования энергии (в системе вторично активного транспорта). Системы антипорта, или контр-транспорта – это система вторично активного
транспорта, функциорующая на основе переносчика обменника, обеспечивающего
выведение из клетки транспортирующего вещества против его концентрационного
градиента в обмен на сопряженный, пассивно поступающий в клетки поток ионов Примеры: Уровень концентрации внутриклеточного Ca2+ 10–9 моля, внеклеточной – 10–6 моля. Мышечное сокращение, выделение нейромедиаторов синапсами регулируется Са2+-зависимыми К+-каналами. Механизм: и ионы Nа+ и ионы Са2+ имеют один и тот же переносчик, у внутренней поверхности мембраны, обладающей высоким сродством к Са2+, у наружной – к Nа+. Са2+-насос удаляет Са2+ из клетки. Nа+ на Н+. Из мочи к клетки проксимальных отделов нефрона выделяется Nа+, взамен выводится Н+. Система не совершает электрическую работу, поэтому не надо тратить энергию. K-Na-насос сохраняет Nа+ в организме. Визикулярный транспорт происходит путем эндо- и экзоцитоза. Это вид транспорта, при котором вещества перекачиваются внутрь клетки или из нее внутри маленьких пузырьков или визикул. Жидкие вещества – пиноцитоз, твердые вещества – фагоцитоз. Когда переносятся гормоны или медиаторы, то вначале они взаимодействуют с мембранными рецепторами. Рецепторы обладают способностью к латеральной диффузии, при этом образование комплекса рецептора с лигандом вызывает перемещение этого комплекса в углубление мембраны. Образуется окаймленная ямка. Внутренняя поверхность покрыта особым
белком – клатрином, он связывает занятую лигандом молекулу рецептора, затем
этот белок участвует в отшнуровывании визикулы от поверхности мембраны. Потенциал покоя это разница потенциалов между цитоплазмой и внеклеточной средой,
существующая в каждой живой клетке, находящейся в состоянии покоя. Для того, чтобы измерить величину ПП используется микроэлектродная техника. Используется специальный вид электродов, отличающийся намного меньшим диаметром кончика (доли мкм, или 1 мкм). Бывают стеклянные и металлические, по форме напоминают копье, необходим раствор электролита для хорошего проведения электрического тока. Основные теории ПП: 2. В 60-е годы XIX в. – альтернативная теория Германа. В состоянии покоя мембрана клетки не заряжена, и ПП отсутствует. Однако при повреждении, в поврежденном участке появляется избыток отрицательного заряда, в силу наличия кислых продуктов. Поэтому между поврежденными и неповреждеными участками возникает электрический ток. Теория Германа исключала существование разности потенциалов на мембране. ~ мембрана обладает свойством полупроницаемости (в специальных экспериментах в группе Пфейффера показали: при пропускании электрического тока – поляризация мембраны и появление концентрационной электро-двигательной силы. ~ наличие концентрационных градиентов на биологической мембране. В исходном состоянии К+, Сl–, Na+ и другие распределены различно на мембране. Берштейн обратил внимание на К+-концентрационный градиент по направлению из клетки наружу. Существуют механические насосы. Перемещение из клетки через мембрану осуществляется по градиенту; но выход не бесконечен, как только К+ выйдет из клетки, образуются силы, противодействующие этому выходу. 1. Первый положительный заряд на мембране препятствует выходу остальных (электростатическое отталкивание). 2. Крупные молекулы, которые не могут проходить через мембрану, мембраны их не пропускают, они не будут пропускать К+ мембранный слой ионов К+ снаружи, слой анионов изнутри. При повреждении мембраны анионы выходят наружу и создается электрический ток. Еm = RT/F * ln([K+]ant/[K+]in) Эксперимент: кнаружи поверхности мембраны облицеров. соли К+ ( выход ионов К+ из клетки затруднен ( величина ПП? Результат: ампликация солей К+ к наружной поверхности мембраны приводит к снижению величины ПП, степень снижения оказалась пропорциональной концентрации К+ в облицеров. растворе. Вывод: К+ имеет основное значение в генерации ПП. Если удалить Na+ или изменить его концентрацию во внеклеточной жидкости, это не толко не снизит величину ПП, но даже приведет к небольшой дополнительной поляризации мембраны Na+ не играет существенной роли в генерации ПП. Прямые определения концентрации К+ в клетке и окружающей среде показали
хорошее соотношение с теоретически рассчитанными значениями ПП. После Джерард и Фурузава, 1930 г. Работали на нервах краба в условиях гипоксии и апоксии (полное отсутствие О2). ПП прогрессивно снижался и, наконец, исчез в нормальном целостном участке нерва. Вывод: энергия, необходимая для генерации ПП берется из окислительных процессов. Современная мембранная теория Ходжкин и Хаксли разработали в 30х годах ХХ в., используя микроэлектродную технику на гигантских аксонах кальмара. ПП –50 мВ. При возбуждении генерации ПД амплитуда до 100 мВ. С позиции теории Берштейна. При возбужедении растет проницаемость мембраны для всех ионов. При этом происходит перераспределение этих ионов в сторону выравнивания концентрации внутри и вне клетки, поэтому ПД = ПП (( –50 мВ) ( кризис мембранной теории Берштейна. Основные положения современной мембранной теории В мембране диэлектриком явлется липидная фаза (конденсатор), чтобы
зарядить конденсатор до –75 мВ на 1 мм2 должно находиться 5000 пар ионов. В
генерации ПП участвует К+, концентрация внутри клетки в 20 раз выше (
концентрационный градиент для внутрь клетки (так как во внеклеточной среде
концентрация ионов Na+ в 5-15 раз больше, концентрация Сl– вне клетки в 20- Чем больше проницаемость мембраны для иона, тем больше в клетку вносится данного иона. Р К+ : Р Na+ : Р Сl– = 1 : 0,04 : 0,045 Уравнение Гольдмана: Em = RT/F * ln (PК+*[К+]out+ PNa+*[Na+]out+ PCl–*[Cl–]out)/(PК+*[К+]in+ PNa+*[Na+]in+ PCl–*[Cl–]in) Потенцил Действия (отсюда Na-теория ПД). Na+ свободно проходит внуть клетки. При возбужедении электро-химическое равновесие определяется потенциалом Na+. Равновесный потенциал для К+ = –97 мВ, для Na+ = +50 мВ. При возбужедении мембрана перезаряжается. Положение обратной активации и инактивации Na+- каналов, Na+-канал может активироваться (открываться) при определенных значениях потенциала. Причина активации Na+-каналов – деполяризация мембраны, чем больше деполяризация, тем больше проницаемость мембраны для Na+. Зависимость близка к линейной в подкор уровне; как только мембрана достигнет критического уровня деполяризации – зависимость нелинейная, лавинообразный вход Na+ в клетку. 1). Для объяснения реполяризации используется положение об инактивации Na+- каналов. При приближении потенциала мембраны к равновесному для Na+, Na+-каналы инактивируются и посупление Na в клетку прекращается. К графику: в основе регенеративный процесс (сам себя поддерживающий), развивающийся по принципу обратной связи. Метод фиксации потенциала метод Петч-Клемпинга. С его помощью можно зафиксировать на длительное время значение мембранного потенциала на любом желаемом уровне. Это делается с помощью внешнего генератора напряжения Суммарные мембранные токи при ПД 1. Подпороговая область: Слабое изменение мембранного потенциала, суммарный ионный ток направлен от клетки наружу, так как поток К+, выходящий из клетки, уже усиливается из-за удаления мембранного потенциала от равновесного потенциала для К+. Входящий ток Na+ еще слаб, так как рост Na+- проницаемости пока невелик. Однако с развитием деполяризации Na-ый поток постепенно нарастает. 2. Критический уровень деполяризации: В этот момент суммарный ионный ток через мембрану равен нулю, так как встречные токи ионов Na+ и К+ уравновешивают друг друга. Даже небольшая дальнейшая деполяризация приводит к росту входа Na+-тока в сотни раз. 3. Во время фазы деполяризации резко увеличивается Na+-проницаемость и суммарный мембранный ток, направленный внутрь клетки. Выходящий К+- ток растет медленнее и становится заметным только к моменту пика потенциала. 4. Фаза реполяризации: В момент пика потенциала большинство Na+-каналов инактивированны, а К+- ток max. Поэтому суммарный мембранный ток – выходящий. Кальциевая теория активации и инактивации Na+-каналов В состоянии покоя у наружного отверстия Na+- канала находится Са2+, который электростатически тормозит проникновение Na+ в канал. При возбуждении наружная поверхность мембраны заряжена отрицательно, при этом Са2+ уходят со своих мест, вход открывается и Na+ входит в клетки. Инактивация: по ходу деполяризации узкие Na+- каналы могут закупориваться Na+. Во многих каналах есть воротные белки (могут менять свое местоположение под влиянием изменения потенциала). В состоянии покоя активационный белок закрыт, а инактивационный открыт. При возбуждении открывается активационный белок в момент закрывания инактивационного белка. В конце реполяризации белки так же закрываются и потом открываются (исходное состояние). Передача возбуждения по нервным волокнам В начале 30х годов ХХ в. Хилл. 1932 г. "Химическая волна проведения в нервах". Хилл использовал разные нервы, но преимущественно краба. Даже в состоянии покоя в единицу времени вырабатывается некоторое количество тепла. Это тепло было названо теплопродукция покоя. Когда в нервном волокне возбуждение – теплопродукция возбуждения (ТВ), она делится на 2 фазы: 1. Начальная ТВ, которая составляет 2-3% от всей ТВ и приходится непосредственно на период возбуждения. 2. Задержанная ТВ ( 97% всей ТВ. Если подать серийный импульс на нерв краба, то задержанную ТВ можно зафиксировать в течение 25-30 минут. Возбуждения в тканях уже нет, но ТВ имеет место. 3. Утечка тепла при работе Na. Хилл разрабтал чувствительную теплоэлектрическую методику, которая
позволяла фиксировать теплообразование в течение 20 мс. Эксперименты при О0 Позитивная начальная теплопродукция: причина: химические процессы,
обуславливающие изменение проницаемости мембраны. При возбуждении в клетку
поступает Na+ и смешивается с К+ и наоборот. Должно образовываться тепло. Негативная начальная теплопродукция: химические реакции в этот период могут быть эндотермическими. Негативная теплопродукция не является обязательной. Проведение возбуждения В 1885 г. Герман предложил теорию малых токов. Осуществляется последовательно между участками волокна. В участке, соседнем с возбужденным будет наблюдаться выход электрического тока. Кабельная теория нервного волокна: нервное волокно внутри содержит проводящую среду, оболочка невного волокна имеет слой, который плохо проводит возбуждение. Нервное волокно омывается внеклеточной жидкостью, которая проводит электрический ток. Эквивалентная электрическая схема нервного волокна В состоянии покоя внутриклеточная среда имеет избыточный отрицательный заряд. Сила тока меняется с расстоянием от возбужденного сегмента, декремента. Факторы, определяющие скорость распространения возбуждения по нервному волокну 1. Пространственная константа определяет величину декремента деполяризации, ( - пространственная константа. 2. Коэффициент надежности, соотношение между амплитудой ПД, критической энергией и ПП. S=ПД/(Екр–ПП), ПД=120мВ, ПП=–70мВ, Екр=–55мВ ( S=8. Чем больше S, тем быстрее проведение. 3. Временная константа ( мембр. При возбуждении мембраны меняется заряд. Длительность перезарядки мембраны. (мембр=Rm*Cm. Чем больше ( мембр, тем ниже С. Vраспр=S*(/(мембр. Механизм распространения возбуждения Возбуждение охватывает последовательно все отделы нервного волокна. R
наруж влияет на скорость распространения возбуждения. В экспериментрах 1. Электроды стоят на миелине, два выходящих тока (это токи, выходящие из последующего и предыдущего перехвата Ранвье. Входящий ток не регистрируется. 2. Средний электрод на перехвате. Появляется входящий ток.
|
|