Презентация на тему "Биологические мембраны; Биоэлектрогенез"

Содержание

• 
  Слайд 1
  
• 
  Слайд 2
  

  Лекция 5 Биологические мембраны; Биоэлектрогенез Ростов-на-Дону 2012

• 
  Слайд 3
  

  Содержание лекции №5 Биологические мембраны и их физические свойства. Уравнения простой диффузии и электродиффузии. Уравнение Фика. Уравнение Нернста-Планка. Виды пассивного транспорта. Понятие об активном транспорте ионов через биологические мембраны. Потенциал покоя и потенциал действия

• 
  Слайд 4
  

  и их физические свойства Биологические мембраны В каждой клетке есть плазматическая мембрана, которая ограничивает содержимое клетки от наружной среды, и внутренние мембраны, которые формируют различные органоиды клетки:митохондрии, Что есть мозг клетки? Клетка- мельчайшая структурная единица живого организма лизосомы и т.п.

• 
  Слайд 5
  

  Она состоит из органических молекул, которая имеет толщину 6-10 нм и видима только посредством электронного микроскопа. Биологическая мембрана (БМ) – это клеточная граница, которой свойственна полупроницаемость. БМ –это глико – липо - протеидный комплекс Как понимать полупроницаемость? Что она дает? Схема строения клетки , реконструированная по данным электронной микроскопии. ВОПРОС:

• 
  Слайд 6
  

  Через биологическую мембрану происходит обмен: вещество энергия клетка окружающая среда in out БМ – это кожа клетки in Клеточные сообщества существуют только благодаря передаче информации от клетки к клетке. Если информационные процессы угнетеныонкозаболеванияорганизм нажимает кнопку на самоуничтожение. информация

• 
  Слайд 7
  

  Общие Механическая Барьерная Матричная Специфические Транспортная Рецепторная Генерация БП Принимает участие в информационных процессах в живой клетке Функции биологических мембран

• 
  Слайд 8
  

  Структура биологических мембран БМ = липиды + белки 40% 20-80% +углеводы

• 
  Слайд 9
  

  Из липидной части наиболее важны для структуры фосфолипиды. Основа фосфолипида– трехатомныйглицерин.К нему присоединяются жирные кислоты. 0,8 нм 1/4 3/4 Полярная часть, где фосфатная группа. «Любит воду». Гидрофильная часть. Гидрофобнаячасть. «Хвосты» не любят взаимодействовать с водой. Физико-химическое свойство фосфолипидов – амфофильность. Насыщенная жирная кислота Ненасыщенная жирная кислота

• 
  Слайд 10
  

  В воде молекулы фосфолипидов автоматически собираются в бислой(bilayer) Бислой– это каркас для БМ Самосборка Самовосстановление

• 
  Слайд 11
  

  Мембранные белки (большие глобулы). На 1 молекулу белка приходится 80-90 молекул фосфилипидов. Электростатические взаимодействия Периферические Гидрофильные Пример: ферменты, рецепторы Собственные = интегральные Гидрофобные Пример: Схема расположения молекулы родопсина в биологической мембране (α – спираль, пронизывающая 7 раз фосфолипидный каркас)

• 
  Слайд 12
  

  Интегральные белки Периферические белки Какие белки легче удалить? А для каких нужен детергент?

• 
  Слайд 13
  

  Схематическое строение БМ Поверхностные белки толщина мембраны Липидный бислой Интегральные белки

• 
  Слайд 14
  

  Различные формы молекулярного движения в БМ Вращение Латеральная диффузия Трансмембранная Диффузия = Перемещение молекул в пределах одной стороны бислоя. ФЛИП-ФЛОП= перемещение молекул поперек БМ. Один раз в 2 недели. В 109медленнее

• 
  Слайд 15
  

  Физические свойства БМ Текучесть ≈const Жидкокристаллическая структура С = 1 мкФ/см2 БМ - конденсатор Электросопротивление 105 Ом/см2 гораздо больше, чем у технических изоляторов Поверхностный заряд Отрицательный. Препятствует слипанию клеток крови εлипидов = 2,2 Плотность липидного бислоя 800 кг/м3 . Меньше, чем у H2O Вязкость η = 100 мПа٠с (оливковое масло) Модуль упругости Е=109 Па

• 
  Слайд 16
  

  1. Жидкокристаллическая структура Кристалл твердый жидкий

• 
  Слайд 17
  

  Жидкокристаллическая структура (ЖК) транспорт скелет Фазовый переход при температуре 370 С Обусловлена необычайно высокой подвижностью мембранных компонентов. Жидкий кристалл Твердый кристалл Мембрана сохраняется в ЖК состоянии благодаря температуреклетки и химическому составужирных кислот. 2. Текучесть ≈const

• 
  Слайд 18
  

  3. Вязкость БМ как ЖК структура характеризуется определенной вязкостью. η = 100 мПа٠с (оливковое масло) На вязкость клеточных мембран влияет содержание в них холестерина. При повышении содержания холестерина вязкость . Исчезают транспортные свойства. Как влияет? Бляшки холестерина в артериях

• 
  Слайд 19
  

  4. Поверхностный заряд на мембране. Продуктивность клетки, т.е. ее энергия является измеряемой величиной. Здоровая клетка обладает напряжением 70-90 мВ. В зависимости от здоровья, напряжение снижается до 20-30 мВ В связи с этим мы чувствуем усталость и изнуренность. Вся патология на мембранном уровне!

• 
  Слайд 20
  

  Уменьшение вязкости БМ – причина разжижженияБМ при злокачественных опухолях – при лейкозе. Вязкость меняется при многих заболеваниях, под действием ионизирующего Э/М излучения , ряда фармпрепаратов. Вязкость БМ уменьшается при тиреотоксикозе, а также под действием наркотических веществ, например, хлороформа.

• 
  Слайд 21
  

  Две стороны мембраны, наружная и внутренняя, различаются и по составу и по функциям. Эта структурная асимметрия мембран приводит к векторной направленности процессов переноса. Академик Владимиров Ю.А.

• 
  Слайд 22
  

  Пассивный транспорт – это перенос веществ через биологическую мембрану без затраты энергии. Транспорт «под горку»- down hill Диффузия молекул Электродиффузия ионов Уравнение ФИКА Уравнение НЕРНСТА -ПЛАНКА ВИДЫ ПАССИВНОГО ТРАНСПОРТА

• 
  Слайд 23
  

  Диффузия –это самопроизвольный процесс проникновения массы вещества из области большей концентрации в область с меньшей концентрацией в результате теплового хаотичного движения молекул. Параметры диффузии ПЛОТНОСТЬ ПОТОКА ВЕЩЕСТВА: [моль/м2٠с] I= in out Уравнения простой диффузии и электродиффузии Плотность потока вещества – это количество вещества в единицу времени через единицу площади.

• 
  Слайд 24
  

  Математическое описание процесса диффузии дал физиолог Фикв 1855 г. Уравнение Фика является основой конструирования ряда биотехнических систем, например, в аппаратах: «Искусственная почка» Экстракорпорального кровообращения

• 
  Слайд 25
  

  Уравнение Фика описывает пассивный транспорт неэлектролитов Cout Cin Cout Cin in out Плотность потока вещества через биологическую мембрану прямо пропорциональна градиенту концентрации in D – коэффициент диффузии [м2/с]

• 
  Слайд 26
  

  Коэффициент диффузии D зависит от природы вещества и температуры и характеризует способность вещества к диффузии. U=UmNA U=v/F D=UmRT Где - подвижность диффундирующих молекул, выраженная для моля. Um Так как gradC определить трудно, то для описания диффузии веществ через мембрану используют более простое уравнение. NA -число Авогадро R- универсальная газовая постоянная Т – термодинамическая температура

• 
  Слайд 27
  

  Уравнение диффузии для мембраны Где Р- коэффициент проницаемости in out Cin Cout Это более простое уравнение предложено Коллендером и Берлундом. Плотность потока вещества через биологическую мембрану прямо пропорциональна разности концентраций внутри и снаружи клетки. [м/с] in

• 
  Слайд 28
  

  Коэффициент проницаемости Cout Cin где l – толщина БМ D- коэффициент диффузии К- коэффициент распределения между липидной и водной фазами. Р – зависит от температуры, природы вещества, от свойств БМ, ее функционального состояния. Нетпроницаемости мембраны вообще, а есть разная проницаемость БМ для тех или иных веществ.

• 
  Слайд 29
  

  Уравнения электродиффузии Перенос ионов зависит от двух градиентов градиента концентрации gradC электрического градиента gradφ. gradμ μ

• 
  Слайд 30
  

  Уравнение Нернста – Планка Уравнение Нернста – Планка описывает пассивный транспорт ионов Z – валентность иона F=96500 Кл/моль – число Фарадея C – молярная концентрация Um – подвижность ионов для моля

• 
  Слайд 31
  

  Разновидности пассивного транспорта Простая физическая диффузия(O2, CO2, N2, яды, лекарства). Через белок-канал (ионы). Облегченная диффузия (с носителем).(АК,моносахариды, глюкоза)

• 
  Слайд 32
  

  Виды транспорта с носителем Существуют системы переносчиков, которые способны транспортировать более одного вещества μ

• 
  Слайд 33
  

  out Понятие об активном транспорте ионов через биологические мембраны C2=С1 in C1 Up hill- в горку Активный транспорт – это перенос веществ (ионов) через БМ, связанный с затратой химической энергии (энергия метаболизма) из области МЕНЬШЕГО!электрохимического потенциала в область большего электрохимического потенциала. ВОПРОС: Что будет через некоторое время, если пассивный транспорт? C1 C2

• 
  Слайд 34
  

  Компоненты систем активного транспорта Источник свободной энергии Переносчикданного вещества Сопрягающий фактор (Регуляторный фактор) – это различные транспортные АТФ-азы, локализованные в клеточных мембранах. Необходимость энергетического обеспечения. Специфичность – каждая система обеспечивает перенос одного вещества. Для чего необходима система активного транспорта? Для поддержания градиентов. Свойства систем активного транспорта пространственная быстрота изменения какой-либо физической величины. ( от лат.- шагающий)

• 
  Слайд 35
  

  Активный транспорт μ

• 
  Слайд 36
  

  Существует несколько систем активного транспорта в плазматической мембране (ионные насосы): Натрий – калиевый насос Кальциевый насос Протонная помпа

• 
  Слайд 37
  

  Na+ K+ насос К+ Na+ 2К+ 3Na+ Отвечает за нервное возбуждение НА ТРИ Й 3 Na+наружу в межклеточную жидкость, 2K+ внутрь клетки Натрий - калиевая АТФ-аза Na+ К+ АТФ-аза электрогенна Na+ К+ Натрий

• 
  Слайд 38
  

  Ca2+ - насос Отвечает за расслабление. Ca2+АТФ-аза Неэлектрогенна. 2Ca2+наружу в органеллы 10-3М 10-7М Низкая концентрация Ca2+в сердечной мышце, и она расслаблена. А если концентрация кальция , то мышца сокращается.

• 
  Слайд 39
  

  H+ ATФ-аза Протонная помпа 2H+ Отвечает за энергетикуклетки. Перенос пары электронов по дыхательной цепи приводит к переносу двухпротонов через БМ.

• 
  Слайд 40
  

  Биоэлектрические потенциалы Это разность потенциалов между двумя точками живой ткани, определяющая ее биоэлектрическую активность. Вопрос о происхождении биопотенциалов очень сложен, и в настоящее время несуществует теории, которая бы полностью все объясняла. БП Мембранная природа окислительно-восстановительные вследствие переноса электронов от одних молекул к другим. БП, регистрируемые в организме, в основном, мембранные.

• 
  Слайд 41
  

  Генерация БП и его передача – одна из важнейших функций биомембран. Генерация БП лежит в основе возбудимости клеток, регуляции внутриклеточных процессов, регуляции мышечного сокращения, работы нервной системы. Нарушения электрических процессов в клетках приводят к ряду серьезных патологий. На исследовании электрических полей, созданных биопотенциалами тканей и органов, основаны диагностические методы: электрокардиография, электроэнцефалография и др.

• 
  Слайд 42
  

  Мембранный потенциал (φм) = трансмембранный потенциал – это разность потенциалов между внутренней! и наружной поверхностями мембраны φМ = φi – φo Ионная природа φм 1. С- различно 2. Р- различно φi φo БМ in out Cin Cout Неодинаковая концентрацияионов по обе стороны мембраны Неодинаковая проницаемость мембраны для анионов и катионов Проницаемость мембран для ионов

• 
  Слайд 43
  

  Это уравнение для стационарногомембранного потенциала, при котором суммарныйток ионов через мембрану равен нулю. R- универсальная газовая постоянная, Р- проницаемость мембраны, Z – валентность, Т – термодинамическая температура, F–число Фарадея 96500 Кл/моль, ПП ПД Модель стационарного мембранного потенциала Уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца Гольдмана-Ходжкина-Катца

• 
  Слайд 44
  

  Микроэлектрод: Стеклянная пипетка с оттянутым кончиком диаметром 0,5 мкм. Внутри серебряная проволока AgCl и раствор KClилиNaCl. Подвижность ионов K+ и Cl- одинакова и невносит дополнительной разности потенциалов. 2-й электрод – электрод сравнения. УПТ УПТ – усилитель постоянного тока. Объект исследования: гигантский аксон кальмара. Диаметр от 0,5 до 2 мм. Это в 100-1000 раз больше, чем у человека. Любимая модель в биофизике 1215г аксон

• 
  Слайд 45
  

  Микропипетка Англ. физиолог Хаксли Эндрю 1917- Ходжкин Алан Ллойд 1914-20.12.1988 На мониторе - клетка 1963г.

• 
  Слайд 46
  

  R- универсальная газовая постоянная, Т – термодинамическая температура, C – молярная концентрация, F – число Фарадея 96500 Кл/моль, Z – валентность. В основном, концентрация ионов калия Равновесные калиевые потенциалы, рассчитанные по уравнению Нернста, близки к измеряемым величинам. Это уравнение для равновесного мембранного потенциала. Равновесный-изменение электрохимического потенциала =0 Равновесный потенциал Нернста

• 
  Слайд 47
  

  Понятие о потенциале покоя биологической мембраны ПП – это разность потенциалов между цитоплазмой и окружающей средой в нормально функционирующей невозбужденной клетке. неизменяемый во времени ПП- это мембранный потенциал φМ, при котором суммарный ток ионов через мембрану равен нулю, причем мембрана находится в невозбужденном состоянии. Причина ПП Разная концентрация ионов К+по разные стороны мембраны 2.Неодинаковая скорость диффузии через БМ К+ и анионов высокомолекулярных органических вещества, находящихся в цитозоле.

• 
  Слайд 48
  

  ПП- в основном, калиевый диффузионный потенциал. in out Пасс. Акт. Активный транспорт поддерживает gradC ПП = -90 мВ - + + К+ Na+ Na+ К+ + + + + - - - - - - мембрана поляризована КОЛИЧЕСТВО Na+ кАНАЛОВВ 10 РАЗ ПРЕВЫШАЕТ КОЛИЧЕСТВО К+КАНАЛОВ Внутренняяповерхность клетки заряжена отрицательно!

• 
  Слайд 49
  

  Механизмы формирования потенциала действия на мембранах нервных и мышечных клеток Потенциал действия (ПД)- это изменение мембранного потенциала при возбуждении нервных клеток, напоминающее затухающее колебание. ПД - это электрический импульс, обусловленный изменением ионной проницаемости БМ и связанный с распространением по нервам и мышцам волны возбуждения. Резко падаетсопротивление мембраны для ионов на 2-3 порядка. Na+ Нужен стимул – раздражитель.

• 
  Слайд 50
  

  Свойства ПД Наличие порогового φПор деполяризующего потенциала Закон «все или ничего» Характерен период рефрактерности = невозбудимости В момент возбуждения резко падает (на 3 порядка) сопротивление БМ для ионов Na+ ПД – это короткий импульс: до 3 мс – для аксона до 400 мс для кардиомиоцита "All or none" Нервная клетка Мышечная клетка

• 
  Слайд 51
  

  ПД разовьется, если амплитуда стимула больше порогового значения На мгновенье! Клетка поляризована деполяризована реполяризована Особенности Na+каналов Потенциалозависимые: открываются лишь при возбуждении БМ Открываются на оченьмалый промежуток времени от 0,1-10 мс.

• 
  Слайд 52
  

  Два способа регистрации ПД ПП Потенциал реверсии имеет природу Na+ Поляр-я Деполяр-я Реполяр-я Гиперполяризация Двухфазный ПД ПП= -60 мВ ПД = 90 мВ Б- внеклеточный(двухфазный потенциал действия). А- внутриклеточный потенциал (с помощью электрода, введенного в протоплазму) Фазы ПД аксон

• 
  Слайд 53
  

  1. Безмиелиновые Каждый!участок волокна, воспринимая электрический сигнал от соседних участков нерва, генерирует ПД, который затем распространяется дальше. (Теория локальных токов). Локальные токи возникают в аксоне и в окружающем раствореи движутся как лесной пожар от возбужденных участков к невозбужденным. Распространение ПД по двум типам нервных волокон: Безмиелиновые Миелинизированные V=20 м/с

• 
  Слайд 54
  

  2. Миелинизированные Миелиновая оболочка способствует ускорению процесса распространения возбуждения в 10 раз и, следовательно, …… Уменьшает расход энергии на его распространение. Миелин – изолятор- это швановские клетки, намотанные на аксон. Имеет высокое электрическое сопротивление. Диффузия ионов через миелин невозможна.

• 
  Слайд 55
  

  Схема распространения ПД по миелинизированному нервному волокну Сальтаторное проведение возбуждения 140 м/с Перехваты Ранвье

• 
  Слайд 56