45.Фазовие переходи в біологічних мембранах. Їх характеристика і функціональне значення.
Ліпідна мембрана являє собою динамічну структуру, будова бислоя може змінюватися протягом життя або при зміні фізичних умов. Фазові переходи мембрани відбуваються між двома станами: Гель та Рідкий кристал.
· Будь-хто ацильного ланцюга повністю мають транс-конформацію і витягнуті паралельно один одному.
· Товщина мембрани більше.
· Площа, яка припадає на 1 молекулу менше.
· Мембрана в цілому більш компактна.
2. Рідкий Кристал:
· Часто зустрічаються транс-гош-переходи, Кінкі.
· Товщина мембрани менше.
· Площа, яка припадає на 1 молекулу більше.
· Упорядкованість і компактність менше, Ентропія системи більше.
Перехід між цими двома фазами є переходом 1 роду.
У матриксі однієї фази може існувати велика кількість мікроскопічних доменів іншої фази.
Фазові переходи відбуваються при певній температурі, яка залежить від складу ліпідів.
При фазовому переході може відбуватися збільшення пасивної провідності мембрани, пов'язане з утворенням каналів на кордоні ділянок мембрани, що мають різний фазовий стан. Цей процес лежить в основі терморецепціі і хеморецепции.
46.Свободнорадікальное окислення в біологічних мембранах. Характеристика процесу і його значення для клітини.
Вільнорадикальне окислення пов'язано з утворенням радикалів жирних кислот під дією активних форм кисню і перекису. Освіта активних форм кисню починається з приєднання електрона до молекули кисню.
При цьому може утворюватися супероксид-іон, перекис і гідроксильний радикал.
Ці форми є дуже реакційноздатними і вступають у взаємодію практично з будь-якими речовинами.
Можливо приєднання перекису за подвійним зв'язком жирних кислот ліпідів. Це призводить до утворення ліпідних перекисів, які в свою чергу також є високоактивними сполуками. В результаті вони взаємодіють один з одним з утворенням поперечних зшивок між ліпідними молекулами. Цей процес призводить до збільшення кількості упорядкованих молекул з обмеженою рухливістю, підвищується проникність мембрани.
Для ліквідації дії АФК в клітці працюють антиоксидантні системи: Супероксиддисмутаза, каталаза, пероксидаза і системи, спрямовані на дезактивацію синглетного кисню: # 945; токоферол, # 946; каротин.
47.Транспорт речовин через мембрани. Термодинамічна характеристика процесу. Іонну рівновагу в мембранних системах. Рівняння Нернста для рівноважного потенціалу.
Транспорт речовин через мембрани підрозділяється на активний і пасивний. Пасивний транспорт завжди йде по градієнту електрохімічного потенціалу до тих пір, поки різниця потенціалів не дорівнюватиме нулю. Активний транспорт йде проти градієнта потенціалу, призводить до зростання мембранного потенціалу і використовує зовнішні джерела енергії. Хімічний потенціал - це величина, що чисельно дорівнює енергії Гіббса для 1 моль речовини при постійному тиску і температурі. Електрохімічний потенціал враховує заряд частинок, поміщених в постійне електричне поле.
В умовах рівноваги, електрохімічні потенціали двох розчинів рівні:
З цього співвідношення можна отримати формулу Нернста для рівноважного потенціалу:
Надалі, Ходжкин вивів формулу для потенціалу, створюваного кількома іонами:
48.Електродіффузіонная теорія пасивного транспорту. Рівняння Нернста-Планка. Його висновок і рішення.
Потік речовини через мембрану підпорядковується рівнянню Теорелля:
Підставивши сюди рівняння для електрохімічного потенціалу отримуємо:
Останній вираз і є рівняння Нернста-Планка, воно показує дві причини перенесення речовин через мембрану: градієнт концентрації і градієнт електричного потенціалу.
Підхід Планка-Гендельсона припускав електронейтральність мембрани і рівність концентрацій катіонів та аніонів по різні боки мембрани. Отже, рівність потоків катіонів та аніонів, тоді
Гольдман припустив лінійність електрохімічного потенціалу в товщі мембрани:
Тоді рішення рівняння для концентрацій іона на краях мембрани буде таким:
Ходжкин надалі припустив, що концентрації іонів на краях мембрани пропорційні концентраціям у відповідних розчинах.
Тоді Рівняння Гольдмана перетворюється
49.Пассівний транспорт неполярних речовин. Рівняння Нернста-Планка для транспорту неполярних речовин. Закон Фіка. Механізми транспорту неполярних з'єднань.
Рівняння Нернста-Планка показує дві причини перенесення речовин через мембрану: градієнт концентрації і градієнт електричного потенціалу. Для неполярних речовин (z = 0) формула зводиться до закону дифузії Фіка:
Закон дифузії Фіка показує, що транспорт неполярних молекул залежить тільки від проникності молекул, що виражається в коефіцієнті дифузії, і пропорційний різниці концентрацій.
Існує три механізми пасивного транспорту неполярних речовин: проста дифузія, полегшена дифузія і фільтрація.
Проста дифузія неполярних речовин не вимагає наявності спеціальних структур і залежить тільки від розчинності в ліпідах - липофильности - і від в'язкості мембрани.
Полегшена дифузія для неполярних речовин відбувається за участю спеціальних переносників. Це перенесення може відбуватися в симпорта або антипорта з іншими речовинами.
Транспорт через пори або канали - спеціальні мембранні структури, транспорт через які залежить тільки від градієнта концентрації. Канали є регульованими структурами.
У той же час можливий і активний транспорт неполярних речовин проти градієнта їх концентрації.
50.Уравненіе Гольдмана. Його висновок і фізичний зміст. Поняття проникності і провідності мембрани.
Рівняння Нернста-Планка показує дві причини перенесення речовин через мембрану: градієнт концентрації і градієнт електричного потенціалу.
Гольдман припустив лінійність електрохімічного потенціалу в товщі мембрани:
Тоді рішення рівняння для концентрацій іона на краях мембрани буде таким:
Ходжкин надалі припустив, що концентрації іонів на краях мембрани пропорційні концентраціям у відповідних розчинах.
Тоді Рівняння Гольдмана перетворюється
51.Классіфікація транспорту речовин через мембрани. Термодинамічна і біологічна характеристика окремих видів транспорту.
В першу чергу транспорт речовин через мембрани підрозділяється на активний і пасивний.
Пасивний транспорт: Проста дифузія, полегшена дифузія і фільтрація.
Активний транспорт: Первинно активний і вдруге активний транспорт.
Окремим типом транспорту є везикулярний транспорт.
1. Проста дифузія. Проста дифузія неелектролітів не вимагає наявності будь-яких спеціалізованих структур, залежить тільки від ліпофільності і градієнта концентрації. У загальному випадку дифузія залежить від розмірів частинки: Імовірність дифузії великих молекул через мембрану нижче. Проста дифузія електролітів утруднена наявністю мембранного потенціалу і гидрофильностью, тому дифузія електролітів вимагає участі спеціальних селективних каналів в мембрані. Електроліти грають важливу роль в життєдіяльності клітини і транспорт електролітів може регулюватися зміною проникності каналів.
2. Полегшена дифузія. Здійснюється за участю спеціалізованих переносників. Перенесення здійснюється значно швидше, ніж проста дифузія. З її допомогою здійснюється перенесення амінокислот, моносахаридів, деяких іонів.
3. Фільтрація здійснюється через спеціальні освіти в мембрані - пори, через які може відбуватися неспецифічний транспорт розчинів. Фільтрація відбувається за градієнтом гідростатичного тиску і залежить від в'язкості розчину і розмірів пори.
4. Первинно активний транспорт. Завжди пов'язаний з використанням енергії АТФ і транспортує речовини проти градієнта концентрації. Транспортери дуже специфічні щодо переносите часток і можуть регулюватися.
5. Вдруге активний транспорт. Є окремим випадком полегшеної дифузії, але при цьому транспорт однієї речовини проти градієнта концентрації пов'язаний з транспортом іншої речовини по градієнту концентрації. Можливі два випадки: симпорт і антіпорт, в залежності від напрямку транспорту.
6. Везикулярний транспорт. Здійснюється транспорт в замкнутих мембранах. Транспорт забезпечується злиттям і поділом мембранних везикул, окремим випадком є процеси фагоцитозу та пиноцитоза. Це єдиний спосіб транспорту великих, що складаються з великої кількості молекул, частинок.
52.Іонний транспорт через канали. Основні властивості іонних каналів. Загальний план будови іонного каналу. Фізичні принципи роботи іонного каналу.
Іонні канали - інтегральні білки, які забезпечують пасивний транспорт іонів за градієнтом концентрації. Енергією для транспорту служить різниця концентрації іонів по обидві сторони мембрани (трансмембранний іонний градієнт).
Неселективні канали мають такі властивості:
• пропускають всі типи іонів, але проникність для іонів K + значно вище, ніж для інших іонів;
• завжди знаходяться у відкритому стані.
Селективні канали мають такі властивості:
• пропускають тільки один вид іонів; для кожного виду іонів існує свій вид каналів;
• можуть перебувати в одному з 3 станів: закритому, активованому, інактивована.
Виборча проникність селективного каналу забезпечується селективним фільтром, який утворений кільцем з негативно заряджених атомів кисню, яке знаходиться в найвужчому місці каналу.
Зміна стану каналу забезпечується роботою воротного механізму, який представлений двома білковими молекулами. Ці білкові молекули, так звані активаційні ворота і інактіваціонние ворота, змінюючи свою конформацію, можуть перекривати іонний канал.
Для потенціалзалежне каналу, в стані спокою активаційні ворота закриті, інактіваціонние ворота відкриті (канал закритий). При дії на ворітну систему сигналу активаційні ворота відкриваються і починається транспорт іонів через канал (канал активований). При значній деполяризаціїмембрани клітини інактіваціонние ворота закриваються і транспорт іонів припиняється (канал инактивирован). При відновленні рівня МП канал повертається у вихідне (закрите) стан.
Залежно від сигналу, який викликає відкриття активаційних воріт, селективні іонні канали поділяють на:
· Хемочувствітельності - регуляція лигандом;
· Потенціалзалежні - регуляція мембранним потенціалом;
· Механочувствітельние - реагують на деформацію мембрани.
53.Регуляція роботи іонних каналів. Механізми регуляції. Фармакологічна блокада іонних каналів.
Зміна стану каналу забезпечується роботою воротного механізму, який представлений двома білковими молекулами. Ці білкові молекули, так звані активаційні ворота і інактіваціонние ворота, змінюючи свою конформацію, можуть перекривати іонний канал.
Для потенціалзалежне каналу, в стані спокою активаційні ворота закриті, інактіваціонние ворота відкриті (канал закритий). При дії на ворітну систему сигналу активаційні ворота відкриваються і починається транспорт іонів через канал (канал активований). При значній деполяризаціїмембрани клітини інактіваціонние ворота закриваються і транспорт іонів припиняється (канал инактивирован). При відновленні рівня МП канал повертається у вихідне (закрите) стан.
Залежно від сигналу, який викликає відкриття активаційних воріт, селективні іонні канали поділяють на:
· Хемочувствітельності - регуляція лигандом;
· Потенціалзалежні - регуляція мембранним потенціалом;
· Механочувствітельние - реагують на деформацію мембрани.
Поряд з цим, існують механізми блокади каналів. Ці механізми умовно поділяються на природні та штучні.
У природних умовах блокада може відбуватися зв'язуванням блокуючого агента в просвіті каналу або аллостерическим зв'язуванням агента, що викликає стабілізацію закритого стану каналу.
Можлива також штучна блокада каналів. Інгібіторами натрієвих каналів є тетродотоксин, саксітоксін - неконкурентно зв'язуються в просвіті каналу. Місцеві анастетики, новокаїн, конкурентно зв'язуються і не діють в кислому середовищі, витісняючи протонами. Стрихнін є аллостерическим блокатором натрієвих каналів.
Тетраетіламмоній є неконкурентним інгібітором калієвих каналів.
54.Облегчённая дифузія. Характеристика процесу.
Полегшена дифузія - це механізм пасивного транспорту за участю за участю специфічних переносників. Перенесення відбувається у багато разів швидше, ніж проста дифузія.
Перенесення полегшеної дифузії одного речовини по градієнту концентрації може бути пов'язаний з вдруге активним транспортом іншої речовини проти його градієнта концентрації.
Перенесення може здійснюватися різними механізмами:
1. Міграційний - відбувається переміщення переносника всередині мембрани від однієї її поверхні до іншої. При цьому переносник може залишатися в площині мембрани і приєднувати речовина тільки на поверхнях мембрани, а може виходити за межі мембрани і приєднувати речовина в розчині. Механізми малої і великої каруселі.
2. Ротаційний - відбувається поворот молекули переносника навколо своєї осі, що лежить в площині мембрани.
3. Зсувний - відбувається зміна конформації переносника, повний поворот молекули переносника не відбувається, окремі групи закріплені в ліпідному шарі.
Переносники мають високу специфічність по відношенню до стерпним речовин.
Швидкість полегшеної дифузії має властивість насичення, воно відбувається, коли всі молекули переносника будуть зайняті.
55.Мембранний потенціал спокою. Його механізми. Розрахунок величини мембранного потенціалу.
Мембранний потенціал спокою утворюється головним чином завдяки виходу К + з клітини через неселективні іонні канали. Витік з клітки позитивно заряджених іонів призводить до того, що внутрішня поверхня мембрани клітини заряджається негативно щодо зовнішньої.
Мембранний потенціал, що виникає в результаті витоку К +. називають «рівноважним калієвих потенціалом» (Ек). Його можна розрахувати по рівнянню Нернста
ПП, як правило, дуже близький до Ек, але не точно дорівнює йому. Ця різниця пояснюється тим, що свій внесок у формування ПП вносять:
• надходження в клітину Na + і Cl- через неселективні іонні канали; при цьому надходження в клітину Cl- додатково гіперполяризуючий мембрану, а надходження Na + - додатково деполяризує її; внесок цих іонів в формування ПП невеликий, тому що проникність неселективних каналів для Cl- і Na + в 2,5 і 25 рази нижче, ніж для К +.
• прямий електрогенний ефект Na + / К + іонного насоса, що виникає в тому випадку, якщо іонний насос працює асиметрично (На 2 іона, що надходять в клітину K + доводиться 3 іона Na +, що виносяться в зовнішнє середовище).
Розрахунок величини ПП можна зробити і з урахуванням цих впливів. Впливу інших іонів і Електрогене ефекту враховується у формулі Томаса:
m - коефіцієнт Електрогене.
Якщо прийняти середні концентрації іонів і провідності мембрани:
Тоді величина потенціалу спокою виходить близько -60-70мВ.
56.Мембранний потенціал дії. Механізми і загальні властивості мембранного потенціалу дії. Розрахунок величини мембранного потенціалу дії.