Основы биофизики

Система МО сложных органических и биологически важных молекул состоит из локализованных - орбиталей, локализованных и делокализованных - орбиталий, а также, -орбиталей, на которых находятся электроны неподеленных пар. Заполненные орбитали обозначаются символами , , , а свободные орбитали - , .

Порядок возрастания энергии обычно бывает таким:



Среди этих переходов, наибольший интерес представляют , соответствующие этим переходам полосы в спектрах поглощения, обычно имеют довольно большую интенсивность в ближней УФ или видимой области спектра. Полосы, соответствующие, обычно лежат в далекой УФ части спектра. При , или , один из электронов неподеленной пары перемещается соответственно на или орбиталь. Полосы, соответствующие этим переходам, имеют крайне малую интенсивность.

Для характерно то, что при наличии системы сопряженных связей, поглощенная энергия кванта света передается не отдельному электрону, а всей электронной системе, поэтому наличие молекул делокализованных - электронов может быть обнаружено по присутствию в спектрах поглощения характерных полос.

16. Транспорт веществ в организме. Биомембранология. Структура и функции биологических мембран

Для организма, как для открытой системы, характерен обмен с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Необходимым условием обмена веществ является их транспорт внутри биологической системы. Все вещества, из которых состоит организм, перемещаются в нем с потоком крови и лимфы, они преодолевают значительные расстояния, обеспечивая обмен между органами и тканями. В ходе обмена между кровью и тканями, вещества проникают сквозь стенки кровеносных сосудов. Внутри клеток происходит непрерывный транспорт веществ через мембраны органелл. Заболевания, при которых нарушен транспорт веществ в организме, связаны, прежде всего, с различными нарушениями молекулярной организации биологических мембран - (БМ).

Термин "мембрана" используют в биологии, обозначая им клеточную границу, которой свойственна полупроницаемость, то есть, легкость проникновения сквозь нее одних веществ при невозможности преодоления ее другими.

Каждая клетка окружена наружной мембраной, которая называется плазматической мембраной или плазмолеммой. В настоящее время клетку стали воспринимать, как обширную сеть мембранных систем, составляющих важнейший элемент клеточной организации; соотношение между плазмолеммой и внутриклеточной мембраной неодинаково в различных клетках. Так, в клетках хрусталика глаза нет никаких других мембран, кроме плазматических, тогда, как в почечных клетках (гепатоцитах), площадь плазматических мембран составляет порядка 6% от поверхности, занимаемой всеми мембранами клетки. Установлено, что по мере увеличения отношения сумм площади мембран к объему клетки, повышается интенсивность обменных процессов в этой клетке.

Электронная микроскопия клеточных мембран не позволяет их увидеть, так как они состоят из тех же химических элементов, что и цитоплазма. Для получения четкой электронограммы клетки, ее мембраны контрастируют. Для этого производят осаждение на них вольфрама, осмия и других элементов, которые хорошо поглощают и рассеивают электроны. На таких препарированных клетках любая БМ выглядит трехслойной: между двумя темными полосами располагается светлое пространство.

Следовательно, компоненты промежуточной части БМ слабо связывают входящие в состав красители. Суммарная толщина трехслойной структуры может изменяться от 7 до 15 нм, причем, разная величина присуща различным клеточным мембранам. Во многих БМ наблюдается асимметрия трехслойной организации, то есть, темные полосы различны по ширине и по плотности.

Все клеточные мембраны построены в основном из липидов, белков (протеинов) и углеводов. При этом, углеводы образуют соединения с белками (гликопротеины) и липидами (гликолипиды). Органические вещества образуют соли с различными ионами, которые присутствуют в виде водных растворов внутри мембранных каналов.

Структурной основой БМ служит бимолекулярный слой. Его образование обусловлено особенностями взаимодействия с водой мембранных липидов, среди которых преобладают фосфолипиды. В молекуле фосфолипидов условно выделяются 3 части:

- головка;

- тело;

- пара длинных хвостов.

Головка (1) образована одним из таких соединений, как холин, серин, треонин, инозин, эталомин; Головка содержит и остаток фосфорной кислоты.

Тело (2) состоит из молекулы глицерина или сфингозина.

Пара длинных хвостов (3) содержит углеводные цепи жирных кислот. При этом преобладают не разветвленные цепи с четным числом атомов С (обычно от 14 до 24). При этом в каждой из цепей содержится до шести двойных связей. Чаще всего встречаются: стеариновая, пальмитиновая, оленовая, линолевая, линоленовая, арахидоновая кислоты. Чем больше в мембранах ненасыщенных жирных кислот, тем менее ее жесткость и выше проницаемость для веществ. Так, по мере увеличения числа двойных связей в неполярных цепях фосфолипидов, удлиняются промежутки между головками двух соседних молекул.

Головка фосфолипида либо электронейтральна, либо несет отрицательный заряд. Образующие ее молекула, а также глицерин или сфингозин - гидрофильны, тогда, как жирно-кислотные хвосты - гидрофобны. В этой связи, в воде молекулы фосфолипидов самопроизвольно выстраиваются так, что их гидрофобные углеводородные цепи оказываются укрытыми от воды, а головки вступают во взаимодействие с водой. В результате создается конструкция, поперечник которой включает две молекулы фосфолипидов, повернутых друг к другу жирно-кислотными хвостами и обращенные к обеим наружным поверхностям гидрофильными головками. Графически это можно представить так:

Так образуется сплошной бимолекулярный фосфолипидный слой (бислой), который и служит каркасом биологической мембраны. Для создания 1 поверхности БМ достаточно 1 мг фосфолипида. При этом, на каждый квадратный микрон клеточной мембраны, приходится примерно липидных молекул, то есть, по 2 млн в каждом из моно слоев бесслойной структуры.

Наряду с фосфолипидами, в состав биологических мембран могут входить и другие жиры, причем, характерным свойством большинства из них, является наличие пары углеводородных хвостов. Одноцепочные липиды встречаются крайне редко. В их присутствии, клеточные мембраны имеют тенденцию к разрушению. С этим связана причина гибели людей при укусах тех видов змей, в яде которых имеется особый фермент - фосфолипаза . Он превращает двухцепочные фосфолипиды в одноцепочный липид - лизолецитин, в результате чего мембраны клеток разрушаются. Другой фермент - фосфолипаза , выделяемый некоторыми микроорганизмами (например, холерным виброном), разрушает БМ, "откусывая" полярные головки фосфолипидов.

Особое место среди мембран липидов, занимает холестерин. По мере повышения содержания холестерина в БМ, площадь, занимаемая фосфолипидами сокращается до тех пор, пока на одну молекулу холестерина будет приходиться две молекулы фосфолипида. Эффект сокращения площади, приходящийся на одну молекулу фосфолипида, обусловлен тем, что изменяется наклон его углеводородных цепей к поверхности бислоя. По мере увеличения содержания холестерина в БМ, фосфолипиды стремятся встать перпендикулярно мембранной поверхности. В результате чего, укладка фосфолипидов приобретает большую компактность, и мембрана уплотняется.

В результате, она становится более вязкой и менее проницаемой для многих веществ (например, глюкозы, ионов воды и т. д.). Содержание холестерина в клетках зависит от общего холестеринового обмена в организме, который в свою очередь сильно подвержен влиянию пищевого рациона.

17. Мембранные белки

В липидный каркас клеточных мембран встроены белковые компоненты (протеины). На каждую клетку в среднем приходится около 10 пг мембранных белков (МБ). Различают периферические и собственные (интегральные) белки биологических мембран. Белки первого типа располагаются на поверхности липидного бислоя. Здесь связь между липидами и белками осуществляется за счет электростатического взаимодействия между противоположно заряженными полярными группами этих веществ. Интегральные белки взаимодействуют своими гидрофобными областями с углеводородными цепочками липидов только за счет Ван-дер-ваальсовых сил. У интегральных белков все гидрофильные области спрятаны внутрь молекулы, а наружу направлены неполярные группы. В этой связи, собственные белки полностью или частично погружаются в биологическую мембрану, при этом крупные белковые молекулы могут пронизывать БМ насквозь.

Наиболее характерным типом вторичных структур интегральных белков является спираль. Причем, на участках, окруженных липидами, преобладает -спираль, у которой все аминокислотные остатки - гидрофобные. Реже встречается - спираль, представляющая собой полое микро трубчатое образование, наружные стенки которого сосредоточены гидрофобные аминокислотные остатки, а внутрь полости ориентированы гидрофильные группы. Предполагается, что белки, имеющие структуру - спирали, образуют ионные каналы в клеточных мембранах.

Функции мембранных белков весьма разнообразны. Среди них можно выделить следующие основные:

1. Обеспечение транспортных свойств БМ (образование мембранных каналов, работа в качестве переносчиков определенных веществ, участие в системах активного транспорта);

2. Белки несут функцию структурного компонента БМ, тем самым, они усиливают прочность липидного каркаса.

3. Большим разнообразием различаются мембранные протеины, катализирующие химические реакции. Причем, белки-ферменты, встроенные в БМ, действуют активнее, чем при их пребывании в растворе. Установлено, что основная часть всех биохимических реакций, протекает на клеточных мембранах.

4. Важным функциональным типом МБ являются белки-рецепторы. Они столь разнообразны, сколь разнообразны стимулы, которые воспринимаются рецепторными белками. Так, например, восприятие света, обеспечивается пигментами, в состав которых, наряду с белками, входят хромофорные группы с определенным спектром поглощения. Таким пигментом является родопсин, который обеспечивает реакции на свет палочек или колбочек.

5. Белки, присутствующие в мембранах любой клетки, осуществляют ее взаимодействие с окружающей средой, а также обмен информацией между органеллами внутри клетки.

6. Белки, образующие антитела, способны связывать специфический антиген (белок бактерии, вируса, токсина и т. д.) и вызывать иммунный ответ клетки, в плазмолемме которой белки сосредоточены.

В различных мембранах белки распределены среди липидов по-разному. В плазмолемме их распределение довольно равномерное. Для специализированных внутриклеточных мембран, характерно неоднородное распределение белков в БМ.

Различия между клеточными мембранами разных типов, между участками БМ и даже, между сторонами одной и той же мембраны, привели к выводу о гетерогенности БМ.

Под гетерогенностью понимают разнородность их структур и функциональных свойств. Особенности молекулярных структур клеточных мембран и предопределяют их физические и физико-химические свойства.

18. Физические и физико-химические свойства БМ

В живых клетках БМ представляют собой жидкокристаллические структуры. Структуры жидкого кристалла образуют как липидные, так и белковые молекулы. Молекулярной организации клеточных мембран, как жидкого кристалла, характерно состояние с высокой степенью упорядоченности и текучести (лабильности).

БМ присущи такие свойства:

1. Значительная прочность на разрыв.

2. Упругость (эластичность).

3. Поверхностное натяжение.

4. Вязкость.

5. Электрострикция.

6. Флексоэлектрострикция.

Два последних свойства обусловлены наличием повторного заряда на БМ.

19. Поверхностный заряд на клеточной мембране (КМ)

Он создается полярными головками фосфолипидов, гликопродеидами (главным образом, карбоксильными группами сиаловой кислоты и аминокислотными остатками), а также, гликолипидами. За счет этих веществ, поверхность БМ заряжена отрицательно. Поверхностный заряд плазмолеммы играет важную роль в межклеточных взаимодействиях. Он способствует стабильности мембранных структур, а также, связыванию ионов, находящихся в межклеточной среде. От поверхностного заряда плазмолеммы зависит ионный состав предмембранных слоев, что оказывает влияние на многие внутриклеточные обменные процессы.

Существование заряженных групп на БМ приводит к образованию двойного диффузионного электронного слоя, в котором фиксированный отрицательный заряд клеточной поверхности уравновешен положительным зарядом, который создается межклеточной средой за счет положительных ионов. Подвижность ионов не одинакова в различных условиях. Разность потенциалов между неподвижными и подвижными частями двойного электронного слоя называют электрокинетическим потенциалом или дзета потенциалом. Толщина двойного электрического слоя и дзета потенциала зависит от природы электролита и концентрации ионов (в межклеточной среде). Так, при уменьшении концентрации в межклеточной среде в 200 раз, толщина двойного электрического слоя возрастает в 5 раз. При высокой концентрации электролита, дзета потенциал стремиться к нулю. Когда в межклеточной среде присутствуют двухвалентные катионы, избыток положительного заряда может стать настолько велик, что дзета потенциал изменит свой знак. Снижение дзета потенциала и, тем более, изменение его знака на противоположный, вызывает слипание плазматических мембран соседних клеток. Это проявляется при избытке ионов в межклеточной среде, а также, при перестройках клеточных мембран, приводящих к сдвигам дзета потенциала. Подобный эффект имеет свои особенности у клеток крови, в которых дзета потенциал форменных элементов (эритроцитов) может падать за счет нарушения не только солевого, но и белкового состава кровяной плазмы. Это явление лежит в основе изменения скорости осаждения эритроцитов (СОЭ), измерение которых широко используется в диагностических целях.

Дзета потенциал, измеряемый у различных клеток, изменяется в пределах от -10 до -30 мВ. Его величина спадает по exp закону, с увеличением расстояния от поверхности БМ. Дзета потенциал оказывает существенное влияние на размеры межклеточных пространств, и противодействует силам их притяжения. Наименьшее расстояние между клетками составляет порядка 10-20 нм. При таком расстоянии существует энергетическая "яма" во взаимодействии кулоновских и Ван-дер-Ваальсовских сил. В большинстве тканей расстояние между клетками составляет от 0,1 до 1 микрона.

Липидная часть БМ обладает свойствами диэлектрика. Относительная диэлектрическая проницаемость () гидрофобной зоны составляет порядка 2-2,2, тогда, как в гидрофильной части гораздо выше, и составляет около 10-20. Емкость полярных головок липидов достигает примерно 30 , а жирно-кислотные хвосты имеют емкость около 0,5-0,9 . Общая емкость БМ составляет примерно 1. Благодаря существованию в БМ заряженных групп, ей присуща ярко выраженная электрострикция, то есть, по мере повышения трансмембранной разности потенциалов, БМ сжимается, что приводит к утоньшению гидрофобной зоны мембраны и, соответственно, к увеличению мембранной емкости. Возрастание дзета потенциала сопровождается увеличением клеточной поверхности.

20. Механические свойства БМ

Механические свойства КМ весьма своеобразны. Величина модуля Юнга в поперечном направлении достигает. Вместе с тем, устойчивость к деформации сдвига примерно на 4 порядка меньше. Сила, достаточная для разрушения БМ на участке в 1 мкм, оценивается величиной примерно . Значительный вклад в повышение упругости и прочности мембраны вносят не только интегральные, но, также, довольно густая цепь периферических белков.

21. Вязкость БМ

В живой клетке БМ находятся в жидкокристаллическом состоянии. Жидкокристаллическому состоянию присущи текучесть и определенная вязкость. Величина вязкости была измерена с помощью ЭПР (эл. парамагнитного резонанса) и ДСК (диффузионно - сканирующей микрокаллометрией). Результаты измерения вязкости разными методами совпали. При этом вязкость БМ изменилась от 0,03 до 0,1 Па*с (30-100) или 30-100 сП (сантипуаз). Это примерно в 30-100 раз больше, чем вязкость воды и примерно такая же, как вязкость оливкового или подсолнечного масла. При изменении температуры молекулярного состава и других параметров биологических мембран, изменяется ее вязкость, вследствие чего происходят фазовые изменения в структуре мембраны, то есть, осуществляется переход жидкий кристалл - твердый кристалл.

Одним из важных достоинств температурного гомеостаза является поддержание БМ в жидкокристаллическом состоянии, что обеспечивает стабильность транспорта веществ через нее. Жизнеспособность организма страдает как при понижении, так и при повышении мембранной проницаемости, которая, в свою очередь, зависит от вязкости БМ.

22. Подвижность молекулярных компонентов БМ

Основными формами молекулярного движения в БМ являются:

1. Латеральная миграция (перемещение молекул в плоскости мембраны в пределах одной стороны бимолекулярного слоя).

2. Вращение молекул вокруг собственной оси.

Скорости обоих процессов примерно такие же, как скорость свободной диффузии в вязкой среде.

Большой свободой движения обладают липиды. Среднее время пребывания фосфолипидной молекулы в данной точке мембраны не более с, следовательно, мембранные липиды за счет латеральной миграции постоянно меняются местами, причем, каждая молекула меняет своих соседей примерно раз в секунду, передвигаясь со скоростью 5-10 мкм в секунду. В жидкокристаллической структуре молекулы перемещаются скачками. Между частотой перескоков, площадью, занимаемой молекулой в БМ и средним расстоянием, проходимым молекулой за время t, установлены следующие соотношения:

- частота перескоков;

- среднее расстояние;

- площадь, занимаемая одной молекулой;

- коэффициент диффузии или коэффициент латеральной миграции.

Его величина у мембран фосфолипидов обычно составляет

Скорость вращательного движения мембран молекул довольно велика, и она зависит от размеров молекулы и свойств мембраны. Так, поворот на 1 рад фосфолипид совершает примерно за с; родопсин - за с; цитохромоксидаза - фермент дыхательных цепей митохондрий - за с.

В отличие от вращения и лотеральной миграции, перемещение молекул поперек мембраны, то есть, с одной стороны липидного слоя на другой, совершаются очень редко.

Асимметрия клеточных мембран имеет важное значение в переносе через нее различных веществ. Асимметрия строения белков и липидов БМ обеспечивает векторный транспорт через БМ, то есть, однонаправленный перенос веществ через нее.

Лабильность БМ проявляется не только в значительной подвижности их молекулярных компонентов, но и в высоких темпах обновления. Темп обновления компонентов оценивается временем полу жизни каждого из них. Средние показания этого времени различны у белков в разных мембранах. Так, в плазмолемме и мембранах эндоплазматической сети, оно составляет примерно 50 часов. В мембранах митохондрий - примерно 120 часов. Липиды также обновляются довольно быстрыми темпами. У разных фосфолипидов время полу жизни примерно от 15 до 80 часов, у холестерина - от 24 до 140 часов, следовательно, в течение жизни клетки, ее мембранные компоненты многократно обновляются. Однако, это не приводит к замене целых мембранных систем, так как скорости обновления молекул различных типов в одних и тех же биологических мембранах меняются в широких пределах.

23. Функции биологических мембран

Физические, химические и физико-химические свойства биологических мембран предопределяют выполнение ими определенных функций, без которых жизнедеятельность организма невозможна. В самом общем виде, и применительно ко всем мембранам, выделяют три основные функции БМ:

1. Барьерная.

2. Матричная.

3. Механическая.

Механическая функция заключается в поддержании морфологической целостности и относительной автономности как клетки в целом, так и внутриклеточных органелл. Эта функция основана, прежде всего на механических свойствах мембранных структур.

Под барьерной функцией понимается создание биомембранных препятствий для свободного перемещения веществ через нее. Для одних веществ мембраны являются непреодолимым препятствием, другие легко проходят сквозь нее, причем, как правило, только в одном направлении. Скорость мембранного переноса разных веществ неодинакова. Следовательно, с барьерной функцией БМ непосредственно связана ее избирательная селективная проницаемость.

Мембраны не только отделяют друг от друга клетки, но, также, разделяют цитоплазму на ряд замкнутых отсеков ("компартментов"), каждый из которых выполняет свою специфическую функцию. В такой трактовке понятие компартментов совпадает с понятием органелл. Благодаря компартментализации, в клетке пространственно разобщены, и изолированы друг от друга биохимические процессы, течение которых совместно невозможно. Так, например, синтез жирных кислот происходит в цитоплазме, а их окисление - в митохондриях. Синтез белка происходит на рибосомах, а его деградация - в лизосомах. Между содержимым органелл и цитозолем имеются существенные различия в химическом составе, что обусловливает наличие высоких концентрационных градиентов на внутриклеточных мембранах. На плазмолемме также поддерживаются значительные физико-химические градиенты. Градиенты служат главной движущей силой трансмембранного переноса веществ.

Преимущества компартментализации связаны не только с барьерной, но и с матричной функцией клеточных мембран. БМ служит матрицей для белков-рецепторов, ферментов и других физиологически активных веществ. Матричная функция обеспечивает пространственную организацию рецепторных взаимодействий метаболических реакций, переноса энергии и других мембранных процессов. Так, в БМ объединяются встроенные в них ферменты в единый конвейер, где каждый из них действует строго согласовано с остальными. Среди мембранных ферментов выделяются векторные, которые пронизывают БМ насквозь и обеспечивают прием одних компонентов на ее одной стороне, и выделение продуктов реакции на противоположной стороне.

Различные клеточные мембраны осуществляют также ряд специфических, присущих только им, функций. К характерным функциям плазмолеммы относят:

1. Механическая защита клетки.

2. Обеспечение межклеточных взаимодействий.

3. Электрическая изоляция клетки.

4. Экранировка клетки от внешних электромагнитных полей.

5. Биоэлектрогенез.

6. Генерация нервных импульсов (потенциалодействие) и их проведение по нервным волокнам.

24. Биофизические механизмы тарнспорта веществ через БМ

Различают пассивный и активный транспорт веществ через клеточные мембраны. К пассивному относится транспортно-мембранный массоперенос, происходящий в направлении действия концентрационного, электрического, осмотического, фильтрационного (гидростатического) градиентов. Так как, по отношению к одному и тому же веществу перечисленные градиенты могут быть направлены противоположно, то при анализе массопереноса необходимо учитывать термодинамическое сопряжение всех физико-химических градиентов.

Активным транспортом называют перенос вещества в направлении, противоположном тому, которое предопределено термодинамическим сопряжением всех перечисленных выше градиентов. Движущей силой активного транспорта служит химический потенциал, который обусловливает в БМ течение ферментативных реакций и поставляет свою энергию, необходимую для преодоления градиентов.

Концентрационный, электрический, осмотический и фильтрационный градиенты имеют неодинаковое значение в переносе конкретных веществ через клеточные мембраны. Так, массоперенос, происходящий в результате суммарного действия осмотического и фильтрационного градиентов, принято называть конвекционным или конвективным потоком. Этим потоком определяется, прежде всего, транспортно-мембранный перенос воды вместе с растворенными в ней веществами. Конвекционный поток обеспечивает обмен веществ в капиллярах между кровью и межклеточной средой, а также образование первичной мочи в почках.

Через клеточные мембраны пассивный транспорт заряженных частиц (ионов) происходит главным образом, под воздействием концентрационного и электрического градиентов, так как, между цитоплазмой и межклеточной средой нет существенных отличий в осмотическом и гидростатическом давлениях, а, следовательно, отсутствуют соответствующие градиенты. В этом случае уравнение для пассивного транспорта ионов через БМ можно представить в следующем виде:

Решение этих двух уравнений приводит к электродиффузионному уравнению Нернста -Планка, и поток определяется по формуле:

- коэффициент диффузии ;

- число Фарадея;

- плотность потока вещества (ионов) через БМ ;

- концентрация ;

- подвижность заряженных частиц;

- валентность переносимых ионов;

- напряженность электрического поля.

Суммарный массоперенос, обусловленный концентрационным и электрическим градиентами, может быть, как больше, так и меньше, по сравнению с изолированным действием каждого из градиентов. В первом случае, градиент направлен в одну сторону, во втором - в противоположную.

Транспортно-мембранный перенос незаряженных частиц подчиняется уравнению Фика, которое имеет вид:

- площадь, через которую осуществляется перенос.

При наличии только градиента, масса переноса описывается только этим уравнением. Следует отметить, что свободная диффузия под воздействием только градиента , характерна для небольшого количества веществ в организме (неполярные жирорастворимые соединения, вирусы, бактерии и т. д.).

25. Коэффициент проницаемости БМ

В биофизике используется понятие коэффициента проницаемости, который зависит от коэффициента диффузии, от толщины БМ и коэффициента распределения вещества между липидной частью мембраны и водными фазами, окружающими мембрану.

- коэффициент распределения;

- толщина мембраны.

Под проницаемостью понимают способность БМ пропускать сквозь себя определенные вещества, при этом следует помнить, что нет понятия проницаемости вообще, а есть разная проницаемость мембран для тех или иных веществ.

Оценить мембранную проницаемость для веществ разной природы, можно на основе анализа коэффициента , через липидный бимолекулярный слой БМ легко проникают те вещества, у которых достаточно велик. рассчитывается по формуле:

- разность энергий, которой обладает данная частица в воде и в липиде. Она складывается из двух компонентов:

1) разности энергии гидрофобного взаимодействия;

2) разности электронной энергии, характеризующей притяжение заряженной частицы диполями воды с одной стороны и липидами - с другой.

Переносу ионов из цитозоля или межклеточной среды в БМ свойственно значительное преобладание второго компонента над первым. Другими словами, переход ионов из раствора в БМ будет определяться главным образом разностью электростатических сил (энергии), с которыми на ион действуют диполи воды и диполи липидов. Мерой взаимодействия ионов с диполями воды и липидов служит относительная диэлектрическая проницаемость -. У воды примерно равна 81, у липидов примерно равна 2-3. Электрическую энергию, которую необходимо преодолеть для переноса одного иона из межклеточной среды в биомембрану, рассчитывают по формуле Борна, которая имеет вид:

- заряд электрона;

- радиус переносимого иона.

Для переноса одновалентного иона , необходимо затратить энергию, равную 70 кТ, что соответствует . Такая величина коэффициента означает, что переход иона из межклеточной водной среды в биологическую мембрану практически невозможен. У гидрофобных веществ коэффициент на несколько порядков больше, так как они слабо взаимодействуют с диполями воды и, кроме того, им свойственно гидрофобное взаимодействие с мембранными липидами, что способствует их переходу в липидную среду.

Следовательно, жирорастворимые вещества способны проникать непосредственно через липидный каркас клеточной мембраны, растворяясь и диффундируя в ней. Гидрофильные вещества лишены такой возможности. Для их трансмембранного переноса используют два основных механизма:

1. Ион может образовывать липофильный комплекс с переносчиком миграционного типа и диффундировать в таком "чехле" сквозь липидный бислой.

2. Можно понизить энергию, затрачиваемую на перенос ионов, за счет увеличения диэлектрической проницаемости БМ, поскольку в БМ могут присутствовать сквозные поры (каналы), заполненные водой. В этом случае, внутри каналов такая же, как и у межклеточной жидкости, и движение ионов по каналам не связано с преодолением высокого энергетического барьера. Скорость транспорта веществ по каналам на 2-3 порядка выше, чем при миграции с переносчиком. Переносчик с транспортным веществом диффундирует в липиде, и его движение сильно зависит от вязкости БМ. Движение вещества по каналам не зависит от вязкости БМ.

26. Свободная диффузия жирорастворимых веществ

Установлено, что вещества тем легче проникают в клетку, чем выше их растворимость в липидах, а она высока у неполярных (гидрофобных) веществ. Липофильные соединения проходят через БМ, растворяясь в ее липидах и двигаясь по законам фиффузии в вязкой среде. Такой транспорт зависит от величины и формы транспортируемого вещества (молекулы), а также, от вязкости БМ. Скорость трансмембрального переноса в жирорастворимых веществах, имеет сильную зависимость от температуры. Определив зависимость мембранной проницаемости для тех или иных веществ от температуры, можно определить энергию активации их транспорта через БМ. Экспериментально удалось установить, что величины энергии активации для этиленгликоля составляют примерно 60 кДж/моль, для глицерина - примерно 77 кДж/моль. Эти значения близко совпадают с энергией дегидратации этих спиртов, что в свою очередь позволило предположить то, что прежде, чем войти в липидный слой БМ, молекулы не электролитов подвергаются дегидратации. Только после освобождения от водной оболочки они внедряются в жидкокристаллическую структуру БМ и диффундируют в ней.

Молекулярные компоненты клеточной мембраны непрерывно перемещаются в пределах своего слоя (латеральная миграция), задерживаясь на одном месте с. Поэтому существует мгновение, когда свободное место оказывается еще незанятым другими компонентами молекулярных мембран. Молекулы переносимого вещества могут занять это место под действием градиентов. Разумеется, такое вторжение в жидкокристаллическую структуру БМ возможно только в том случае, если размеры диффундирующей молекулы укладываются в геометрические размеры вакантного узла (ячейки). Если же размеры диффундирующих молекул соответствуют двум диаметрам ячейки, то, для продвижения на один шаг, такая молекула должна выждать момент, когда одновременно станут свободными две соседние ячейки, смежные с тем местом, где находится переносимая молекула. Это событие также вероятно в БМ. Еще меньшую, но реальную вероятность имеет одновременное образование смежных по соседству трех вакансий.

Следовательно, чем крупнее частицы (молекулы) проникающего через мембрану вещества, тем меньше вероятность их проникновения сквозь БМ, при прочих равных условиях. Это, прежде всего, отражается на скорости трансмембранного переноса вещества. Так, крупные молекулы дольше ждут того момента, когда смогут продвинуться на один шаг. Показателем скорости перемещения веществ через БМ, может служить коэффициент диффузии данного вещества в БМ. Частицы диффундирующего вещества перемещаются в БМ скачками от одного вакантного места к другому, при этом, каждый раз выжидая образования вакантного узла. Такой механизм называется прыжковым.

27. Транспорт с участием переносчиков

Гидрофильные вещества практически не перемещаются в БМ за счет процессов свободной диффузии. Транспорт многих гидрофильных веществ (моносахаридов, аминокислот, некоторых ионов) обеспечивают подвижные переносчики. В частности, пептид, имеющий циклическую структуру и находящийся в БМ, способен селективно переносить ионы. Облегчение трансмембранного переноса обусловлено тем, что вещество (например, глюкоза) преодолевает плазмолемму не путем свободной диффузии через липидный бислой, а при помощи переносчика. В этой связи, движение глюкозы сквозь мембрану эритроцита происходит быстрее, чем можно было бы ожидать при ее свободной диффузии в мембранных липидах. В плазматической мембране обнаружено несколько десятков транспортных белков, каждый из которых переносит только определенное вещество. Переносчики в БМ могут работать, используя различные виды перемещения:

- миграционный;

- ротационный;

- сдвиговый.

Среди мигрирующих переносчиков можно выделить две разновидности. Одни транспортеры мигрируют внутри мембран и взаимодействуют с переносимым веществом только на ее поверхности; этот механизм транспорта называют малой "каруселью". Другие мигрирующие переносчики способны покидать БМ и выходить в примембранное пространство в поисках транспортируемого вещества. Поиск направляется действием электростатических сил или химическим взаимодействием. Вместе с переносимым веществом, транспортер второго типа возвращается в БМ, проходит ее насквозь, выходит в противоположное пространство, оставляя там переносимое вещество. Такой механизм называется большой "каруселью". Тип "карусели" зависит от поверхности активных свойств и растворимости самого переносчика. Как правило, по механизму малой "карусели" работают транспортеры, плохо растворимые в воде и являющиеся ПАВ. Схематически работу малой "карусели" можно представить так:



молекула межклеточный информация связь

Миграционный механизм присущ переносчикам, размеры которых меньше толщины БМ. Вместе с тем, транспортерами могут быть и более крупные белковые молекулы или их комплексы, которые пронизывают БМ насквозь. Они переносят вещества через БМ за счет поворота (ротации) или сдвига. Ротационный механизм заключается в повороте крупной молекулы переносчика вокруг оси, лежащей в плоскости мембраны. В результате чего, транспортируемые вещества (молекулы), посаженные на один конец такого переносчика, оказываются на противоположной стороне БМ. Ротационный механизм требует значительных затрат энергии и является эффективным только в том случае, если одна молекула переносчика одновременно транспортирует за один поворот много молекул переносимого вещества. Схематически работу ротационного механизма можно представить в следующем виде:

Более выгодным в энергетическом отношении является механохимический процесс в молекуле переносчика, заключенный не в полном ее повороте, а в сдвиге отдельных областей, относительно неподвижной части крупной молекулы. При этом, вместе с участником переносчика, уходящим с поверхности вглубь мембраны, передвигается транспортируемое вещество. Этот процесс напоминает движение лифта в шахте. Графически это можно представить следующим образом:

28. Мембранные каналы

Канал (пора), заполненный водой, насквозь пронизывает клеточную мембрану. Длина канала, как правило, превосходит линейные размеры поперечного его профиля, который имеет форму круга или неправильного эллипса. Конфигурация и площадь поперечного сечения не одинаковы в различных местах одного и того же канала. У большинства мембранных каналов максимальный линейный размер поперечного профиля составляет 0,8 нм. Обычно, общая площадь каналов составляет тысячную долю всей поверхности клеточной мембраны, но у некоторых клеток эта площадь не превышает 0,000001 доли.

До настоящего времени неизвестны ни структура, ни состав липопротеиновых комплексов, которые образуют мембранные каналы. Однако экспериментально установлено, что скорость транспорта веществ по каналам определяется, главным образом, числом каналов, приходящимся на единицу поверхности БМ. В этой связи, проницаемость БМ при переносе веществ по каналам, рассчитывается по следующей формуле:

- усредненный радиус канала;

- число каналов на единицу поверхности БМ;

- коэффициент диффузии вещества в воде;

- длина канала, равная толщине БМ.

Скорость проникновения через плазмолемму нервных или мышечных волокон для ионов и , и ряда других гидрофильных веществ, примерно составляет м/с, следовательно, их трансмембранный перенос осуществляется на 5-6 порядков медленнее, чем свободная диффузия в водном растворе. Вероятно, быстрее других проходят через каналы те гидрофильные вещества, диаметр которых вместе с гидратной оболочкой близок к размеру поперечного профиля канала. Канал представляет собой мембранный белок или белковый комплекс, полярные группы которого направлены вовнутрь полости, являющийся характерным элементом -спирали. Полость канала заполнена водой. Движение ионов по каналу строго однорядно, и его можно представить, как последовательное замещение молекул воды из гидратной оболочки иона на полярные группы, выстилающие внутреннюю поверхность канала. Ион, отдавая воду, находящуюся в его гидратной оболочке, взаимодействует с полярными группами канального белка и, подобно поршню, проталкивает молекулу воды, которая встречается в канале на его пути.

Мембранные каналы можно разделить на две группы:

- потенциал зависимые (п-з);

- потенциал независимые (п-нез).

Проницаемость каналов первой группы не просто зависит от трансмембранной разности потенциалов, но и управляет ею. С функционированием потенциал зависимых ионных каналов, связано важнейшее свойство живых тканей - возбудимость. Таким образом, при пассивном транспорте, селективность БМ определяется:

1. Коэффициентом распределения веществ между липидами и водой.

2. Избирательностью каналов или переносчиков по отношению к определенным веществам.

29. Биологические насосы. Активный транспорт

Активным транспортом называют транс-мембральный перенос веществ в направлении, противоположном транспорту, который должен был бы происходить под действием физико-химических градиентов. Активный транспорт направлен в сторону более низкого электрохимического потенциала. Он необходим как для накопления в клетках или органеллах веществ, в которых они нуждаются, даже из среды с их низкой концентрацией, так и для выведения из клеток или органелл тех веществ, содержание которых там должно поддерживаться на низком уровне, даже при повышении этой концентрации в окружающей среде.

Из определения активного транспорта следует, что его важным свойством является перенос веществ против действия физико-химических градиентов. Это возможно только благодаря термодинамическому сопряжению биологических процессов, причем, источником свободной энергии, необходимой для преодоления физико-химических градиентов, могут служить продукты химического окисления. Их вклад в термодинамическое сопряжение учитывается дополнительным слагаемым в кинетических уровнях, которые описывают активный транспорт. Так, системы уравнений для активного транспорта переноса ионов под действием концентрационного и электронного градиентов:

- число молей.

- (химический потенциал) количественно характеризует вклад ферментативных реакций в свободную энергию БМ, которая необходима для преодоления действия сопряжения градиентов (в данном случае, и). Вышеотмеченное позволяет сформулировать второе характерное свойство активного транспорта - необходимость энергетического обеспечения за счет свободной энергии, выделяющейся либо непосредственно в ходе окислительно-восстановительных реакций, либо при гидролизе АТФ, который синтезируется биологической системой впрок.

Свободная энергия, затрачиваемая на трансмембранный перенос веществ против концентрационного градиента, рассчитывается по формуле:

, где

Так, чтобы откачать из клетки единичный заряд ионов в 1 Кл, необходимо затратить примерно 0,12 Дж.

У человека в состоянии покоя примерно 30-40 % всей энергии, образующейся в ходе метаболических процессов, расходуется на активный транспорт. В некоторых случаях, на его обеспечение может затрачиваться практически вся, которая выгребается клеткой. Так, ткани, в которых активный транспорт особенно интенсивен, потребляют большее количество кислорода, даже в состоянии покоя. Например, масса мозга человека составляет примерно 1/50 массы тела, но, в условиях мышечного покоя, ткани мозга поглощают примерно 1/5 часть всего кислорода, усвоенного организмом. Общая мощность всех ионных насосов человеческого мозга составляет примерно 1 Вт.

Третье свойство активного транспорта заключается в их специфичности. Каждая из систем активного транспорта обеспечивает перенос через БМ только данного вещества и не переносит другие. При этом, активный транспорт может быть сопряжен с пассивным. Так, при активном транспорте ионов Na+ в том же направлении переносятся, за счет пассивного транспорта, другие вещества (глюкоза, аминокислоты). Это явление называют симпортом. Отдельная система активного транспорта переносит одно вещество в одном направлении, а другое - в противоположном. Так, (-) помпа закачивает ионы из межклеточной среды в цитоплазму и откачивает ионы из клетки. Такой вид транспорта называют антипортом. Необходимо отметить, что - насос не откачивает из клетки, а в нее. Когда эти ионы начинают перемещаться через БМ по физико-химическим градиентам, при этом - помпа становится генератором АТФ. Это явление получило название эффекта обращения активного транспорта. Так, на перекачивание ионов против градиентов, насосы затрачивают свободную энергию, гидрализуя АТФ, тогда, как при движении этих же ионов по градиентам, происходит преобразование энергии градиентов в энергию макро энергетических связей (синтезируется АТФ из АДФ).

Специфичность систем активного транспорта служит одним из самых действующих механизмов селективной проницаемости клеточных мембран и придает им векторные свойства.

30. Компоненты систем активного транспорта

В любой системе активного транспорта веществ через биологические мембраны можно выделить три основные компонента: источник свободной энергии, переносчик данного вещества и сопрягающий (регулятор) фактор. Этот фактор сопрягает работу переносчика с источником свободной. Все компоненты активного транспорта образуют в БМ сложный молекулярный комплекс.

В большинстве систем активного транспорта, непосредственным источником свободной энергии служит АТФ. За счет присоединения его концевой фосфатной группы предварительно оторвавшейся при гидролизе, переносчик фосфолерируется и преобретает за счет этого дополнительную энергию. Энергии достаточно для преодоления физико-химических градиентов, которые препятствуют перемещению веществ. Следовательно, фосфолерированный комплекс с переносимым веществом способен преодолевать потенциальный барьер, который был непреодолимым до фосфорелирования, и этот барьер препятствует переносу вещества через БМ.

Реже свободная энергия черпается непосредственно системами активного транспорта из окислительно-восстановительных реакций, то есть, из цепи переноса электронов. Эти системы называются редокспомпы. В качестве примера редокспомпы можно рассмотреть перенос через внутреннюю мембрану митохондрий при клеточном дыхании.

Вторым компонентом системы активного транспорта являются переносчики. В разных системах активного транспорта переносчиками служат белковые молекулы, которые работают по различным механизмам. Во-первых, переносчиком могут быть сравнительно мелкие белковые молекулы, которые находятся в БМ. Эти переносчики работают по механизму малой или большой карусели. Более крупные белковые молекулы пронизывают БМ насквозь, и в этом случае, основным механизмом переноса является ротационный или сдвиговый.

Третий компонент систем активного транспорта обеспечивает сопряжение работы переносчика с источником свободной энергии. Такое сопряжение может заключаться в процессах фосфорелирования АТФ, что имеет место при гидролизе. Чтобы фосфорелировать переносчик, надо, прежде всего, гидролизовать АТФ. Гидролиз АТФ достаточно эффективен только в присутствие специальных ферментов, которые называются АТФазы. Они-то и служат факторами, которые сопрягают работу переносчика и источника энергии. Для активного транспорта каждого вещества в тех случаях, когда источником энергии является АТФ, обнаружена специфическая АТФаза. Каждая из АТФаз активизируется тем веществом, чей транспорт она обеспечивает. Например, активируемая фаза, активируется только тогда, когда концентрация в примембранном пространстве достигает определенного уровня. Превышение определенного уровня является сигналом к началу работы активного транспорта.

Все транспортные АТФазы связаны с клеточными мембранами и проявляют высокую специфичность, катализируя реакции, течение которых зависит от направления подхода в БМ транспортируемого вещества. Например, АТФаза преобразуется активно при воздействии на нее внутри клетки, а - снаружи. Она не активизируется при самых значительных концентрациях ионов Na в межклеточной среде (снаружи), а - в цитозоле (внутри). Зависимость потока переносимого вещества через клеточную мембрану от его концентрации по обе ее стороны при участии транспортной АТФазы, описывается следующим выражением:

- поток переносимого вещества;

- концентрация АТФазы в биомембране;

- проницаемость БМ для комплекса фермент переносимого вещества;

- концентрация переносимого вещества внутри клетки;

- концентрация переносимого вещества вне клетки;

- коэффициенты диссоциативного комплекса внутри клетки и в межклеточной среде соответственно.

Таким образом, в клеточной мембране постоянно присутствует и переносчик и АТФаза. В примембранном пространстве клетки находятся молекулы АТФ, выходящие из митохондрий. Они подходят к местам активного транспорта. Однако, вся система не работает до появления определенного стимула, которым обычно служит наращивание концентрации вещества подлежащего к переносу. Этот фактор активирует специфическую АТФазу, которая в свою очередь катализирует гидролиз АТФ с отщеплением фосфатной концовой группы. Присоединенная к переносчику фосфатная группа, фосфорилирует его. При фосфорилировании переносчик приобретает дополнительную свободную энергию, необходимую и достаточную для транспорта вещества через БМ, вопреки действиям физико-химических градиентов.

31. Системы активного транспорта ионов

Система активного транспорта ионов (ионные насосы или ионная помпа) обеспечивает неравновесное распределение ионов между клеткой и межклеточной средой, а также различных органелл. Постоянство ионного состава цитозоля и содержимого органелл, являются необходимым условием для поддержания жизнедеятельности. Ионы входят в состав всех биологически важных молекул и регулируют эффективность обмена веществ. Все превращения энергии регулируются ионами. В организме они управляют сложным ионным процессом. Малейшее нарушение баланса приводит к нарушению жизнедеятельности. Например, весь клеточный метаболизм чрезвычайно чувствителен к изменению содержания в цитозоле. При его повышении угнетается синтез белка и усиливается процесс образование липидов. Следовательно, ионы Na выступают в роли регулировщика метаболизма клеточной активности. Подобная функция характерна и для других ионов, в частности, изменение содержания в цитозоли ионов водорода, , и др., сигнализирует ее метаболическим системам о малейшем нарушении клеточной целостности, которая достигается относительной обособленностью химического состава при наличии многообразных связей со средой ее обитания.

В организме человека 50% содержится в межклеточной среде (интерстиции), 40% - в костях, 10% - внутри клетки. В межклеточной среде катионам сопутствуют анионы и бикарбоната, концентрация которых значительно выше, чем в цитозоле. В отличие от ионов и ионы и сосредоточены преимущественно внутри клеток. Из 160 гр , входящего в состав тела человека среднего роста (170 см) и среднего веса 70 кг, только 3 гр приходится на межклеточную среду. В цитозоле присутствует в ничтожно малой концентрации, даже, в мышечных волокнах, где их содержание довольно велико, так как там они сосредоточены не в цитозоле, а в "цистернах" саркоплазматической сети, мембрана которых служит непреодолимым препятствием для .

Стабильное поддержание ионного неравновесия, а также, перемещение ионов через клеточную мембрану в сторону более низкого электрохимического потенциала, для существования многих физиологических процессов, обеспечивается системами активного транспорта.

32. Калиево-натриевый насос

Благодаря системам активного транспорта для и , поддерживаются стабильные и высокие градиенты концентрации этих ионов на плазмолемме любой клетки. Разница в их молекулярной концентрации между цитозолем и межклеточной средой достигается 10-20 раз. При этом, больше в цитозоли, - в межклеточной среде. При действии концентрационных градиентов входят в нее. Пассивный транспорт привел бы к ликвидации ионного неравновесия, но этому препятствует работа насоса. Он откачивает из цитозоля в межклеточную среду и закачивает в клетку. насос - энергоемкая система.

Компонент помпы является АТФ (источник энергии) АТФазы, которые одновременно служит и переносчиком и сопрягающим фактором. Молекулярный механизм использования энергии АТФ для работы помпы еще полностью не понят, однако, предполагается, что на внутренней стороне БМ находятся молекулярные комплексы, способные фосфорелировать за счет присоединения фосфатной группы АТФ. Фосфатная группа отщепляется от АТФ при гидролизе. Фосфорелирующий транспортный комплекс переносит, связанный с ним на наружную сторону клеточной мембраны, где обменивает на . комплекс транспортирует его внутрь клетки, где он фосфолерируется, то есть, отщепляется фосфатная группа, так как вся свободная энергия истрачена. Для следующего транспортного цикла комплексу необходимо новое фосфорелирование за счет гидролиза АТФ.

В настоящее время есть несколько гипотез, конкретизирующих участие в работе комплекса -АТФазы. Однако, ни одна из них не является общепринятой, но, все модели активного транспорта и предусматривает конфирмацию перестройки -АТФазы. Эти перестройки осуществляются в пространстве БМ.

Некоторые условно полагают, что, будто помпа действует по принципу перистальтического насоса, который переменно открывает и закрывает и , расположенные в БМ по соседству с АТФазой.

Ее конформация перестройки обуславливается чередованием фосфорелирования и дефосфорелирования, обеспечивают изменение проницаемости ионов каналов, при этом, эти насосы работают в противофазе, то есть, когда канал открыт, - закрыт, и наоборот. Согласно этой гипотезе, АТФаз служит не как переносчик, а своеобразное планирование ионных каналов.

Другая гипотетическая схема действия помпы предполагает, что транспорт АТФаз работает, как переносчик. Молекула этого фермента пронизывает плазмолемму насквозь, контактируя одним полюсом с цитоплазмой, другим - с межклеточной средой. В при мембранных участках цитоплазмы находятся митохондрии, из которых выходят молекулы АТФ. АТФ выступает в контакте с БМ, следовательно, и с АТФазой. Содержание ионов Na в цитоплазме поддерживается на строго определенном уровне. АТФаза активируется ионами и , но проявляется при этом ярко выраженная векторность. Ионы действуют на нее только со стороны цитоплазмы, а - только из межклеточной среды. Вместе с тем, ее специфичность по отношению к выше, чем к , так, для включения в действие АТФазы, незаменимы, в то время, как можно заменить одновалентным катионом, причем, с рубидием транспортная система функционирует лучше, чем с . По-видимому, для ферм. характерны различные механизмы распознавания на цитоплазме стороне БМ и других катионов на ее наружной поверхности.