биофизика

Доступен только на StudyGur

Тема:
Скачиваний: 1
Страниц: 6
Опубликован:
ЧИТАЙТЕ ПОЛНЫЙ ТЕКСТ ДОКУМЕНТА

ПРЕДПРОСМОТР

1.Биофизика как наука. Определение,
предмет, основные разделы.
Биофизика - раздел физики и современной биологии, изучающий физические аспекты
существования живой природы на всех её уровнях, начиная от молекул и клеток и
заканчивая биосферой в целом; это наука о физических процессах, протекающих в
биологических системах разного уровня организации и о влиянии на биологические
объекты различных физических факторов. Биофизика призвана выявлять связи между
физическими механизмами, лежащими в основе организации живых объектов и
биологическими особенностями их жизнедеятельности. Обобщённо можно сказать, что
биофизика изучает особенности функционирования физических законов на
биологическом уровне организации вещества. Биофизика — наука междисциплинарная и
для работы в ней требуются знания физики, биологии, химии и медицины. Поэтому
биофизически ориентированные исследования проводятся не только в
специализированных институтах, но также и в биологических, химических,
фармакологических и медицинских. В биофизике выделяют следующие разделы:
кинетика биологических процессов; термодинамика биологических процессов:
преобразования энергии в живых структурах; молекулярная биофизика; биофизика
мембранных процессов: свойства биологических мембран и их частей; биофизика
фотобиологических процессов; радиационная биофизика; математическая биофизика и др.
Биологические объекты, как правило, очень сложны и на протекающие в них процессы
влияют многие факторы, которые часто зависят друг от друга. Физика позволяет создать
упрощенные модели объекта, которые описываются законами термодинамики,
электродинамики, квантовой и классической механики. С помощью соотношения
физических данных с биологическими можно получить более глубокое понимание
процессов в исследуемом биологическом объекте.
2. Структурные основы цитоплазматической мембраны
её биологическое значение.
Живая клетка – элементарная живая система, являющаяся основой строения всех
животных и растений.
Важнейшими условиями существования клетки являются:
1) Автономность по отношению к окружающей среде (вещество клетки не должно
смешиваться с веществом окружения);
2) Постоянный, регулируемый обмен веществом и энергией с окружающей средой. Эти 2
условия обеспечиваются нормальным функционированием биологических мембран.
С точки зрения структуры мембрана представляет собой матрицу для мембранных
ферментов, рецепторов и других компонентов, создающих барьерную функцию.
Молекулы фосфолипидов состоят из полярной головки (П), в состав которой входит одно
из полярных соединений (холин, этаноламин и др.) и неполярного хвоста (Г), который
содержит глицерин, жирные кислоты, фосфорную кислоту. Фосфолипидные молекулы
обладают свойством амфильности: полярная головка гидрофильна, т.е. смачивается водой,
а «хвост» является гидрофобным, т.е. не смачивается водой. По форме молекулы
фосфолипидов представляют сплющенные цилиндры, ¼ которых гидрофильна, а ¾
гидрофобны. В водных растворах такие молекулы самособираются, стараясь спрятать от
воды гидрофобные хвосты, и образуют двойной фосфолипидный слой – собственно
основу мембраны. В этот слой встраиваются поверхностные (ПБ) и интегральные (ИБ)
белки. Поверхностные белки удерживаются электростатическими силами, а интегральные
– прочными гидрофобными взаимодействиями. Также в состав мембраны могут входить
белки 3-го типа – эти белки насквозь пронизывают мембрану. Белки 4-го типа образуют
белковые каналы. Фосфолипидные молекулы могут быть лишены одно из хвостов, в
таком случае они перестраиваются и образуют поры а мембране, что нарушает барьерную
функцию мембраны. Такая модель мембраны получила название жидкостно-мозаичной и
является общепринятой.
Выделяют 3 основные функции биологических мембран:
1) Барьерная – обеспечивает селективный, регулируемый активный и пассивный обмен
веществом с окружающей средой;
2) Матричная – обеспечивает определённое взаимное расположение и ориентацию
мембранных белков, обеспечивает их оптимальное взаимодействие;
3) Механическая - обеспечивает прочность и автономность клетки и внутриклеточных
структур.
Кроме этого выделяют другие функции:
1) Энергетическая – синтез АТФ на внутренней мембране митохондрий;
2) Генерация и проведение биопотенциалов;
3) Рецепторная (большое кол-во рецепторов на наружной поверхности мембраны).
3. Физические параметры, влияющие на
формирование структуры и функции
мембраны. Физические свойства
мембраны как фазы (формула –
электростатической ёмкости).
Липидная фаза биологических мембран при физиологических условиях находится в
жидком агрегатном состоянии. Вязкость липидного слоя равна: η = (30-100) мПа*с. Но
молекулы в мембране размещены в определённом порядке. Фосфолипидные молекулы
находятся в двойном слое, а их гидрофобные хвосты приблизительно параллельны друг
другу. Есть порядок и в ориентации гидрофильных голов. Физическое состояние, при
котором есть определённый порядок во взаимной ориентации и расположении молекул,
но агрегатное состояние жидкое, называется жидкокристаллической фазой.
Жидкокристаллические структуры очень чувствительны к изменению температуры,
давления, химического состава, электрическому полю. Это определяет динамичность
липидных мембран – изменение их структуры при различных, даже небольших
изменениях внешних условий или химического состава. При понижении температуры
происходит переход из жидкокристаллического в гель-состояние, которое называют
твёрдокристаллическим. В гель состоянии молекулы расположены ещё более
упорядоченно, чем в жидкокристаллическом. Все углеводородные хвосты
фосфолипидных молекул в гель-фазе полностью вытянуты строго параллельно друг
другу. В жидком кристалле хвосты молекул изгибаются, их параллельность друг другу
нарушается. Толщина мембраны в гель-фазе больше, чем в жидком кристалле,
соответственно площадь мембраны, приходящаяся на одну молекулы меньше в гель-фазе.
Биологическую мембрану можно рассматривать как электрический конденсатор, в
котором пластинами являются электролиты цитоплазмы и внеклеточного растворов с
погруженными в них головками липидных молекул. Проводники разделены
диэлектрическим слоем, образованным двойным слоем гидрофобных хвостов.
Ёмкость плоского конденсатора определяется по формуле:
, где ε0 электрическая постоянная (8,85*10-2 Ф/м), ε -диэлектрическая проницаемость
фосфолипидов (ε =2), d-толщина неполярной части билипидного слоя (3,5 нм), S-площадь
липидного слоя.
Удельная электроёмкость мембраны (ёмкость на единицу площади):
= (5-13) нФ/м2.
Уменьшение толщины неполярной части бислоя приводит к увеличению удельной
ёмкости. Поверхностное натяжение мембраны: δ=(0,03-1) мН/м.
4. Трансмембранный перенос веществ. Пассивный
перенос веществ через биомембраны. Основные
механизмы пассивного транспорта.
Различают 2 вида транспорта веществ: пассивный, когда частицы переносятся по
градиенту без затрат энергии, и активный, требующий затрат химической энергии,
которая освобождается при гидролизе АТФ. Пассивный перенос может происходить
только при наличие градиентов на границах мембран: давления (осмотический градиент),
концентрации (концентрационный градиент), потенциала (электрический градиент). При
пассивном переносе вещество переносится по градиенту, например, молекулы и ионы
переносятся из области повышенной концентрации в область пониженной концентрации;
катионы перемещаются через мембрану по направлению напряженности электрического
поля, а анионы – в противоположном направлении. Поток переносимого вещества зависит
также от природы вещества, от строения и химического состава самой мембраны.
Типы пассивного транспорта:
1) Простая диффузия: так в клетке обеспечивается проницаемость мембран для кислорода
и углекислого газа, большинства ядов и лекарственных средств. Происходит в результате
хаотического теплового движения молекул. Это самый медленный и мало управляемый
процесс.
2) Для переноса питательных веществ и необходимых для жизнедеятельности ионов
эволюция выработала специальные белковые каналы (поры). Диффузия через поры
происходит при возбуждении мембраны. В этом случае в ней открываются специальные
каналы, через которые по градиенту устремляются потоки веществ и ионов.
3) Транспорт веществ с участием переносчиков. Валиномицин представляет собой
нейтральную молекулу с высокой поляризуемостью, образующую с ионами К+
комплексы, которые снижают барьер для прохождения иона. Он транспортирует ион
внутрь клетки. На внутренний поверхности мембраны ионы высвобождаются, а
переносчик возвращается к наружной поверхности, и цикл повторяется. Второй
переносчик – грамицидин. Он образует в мембране полярную пору. Такой транспорт
имеет эстафетный характер – пора может быть образована несколькими последовательно
расположенными молекулами, между которыми происходит передача иона. Ион может
переноситься не одной, а сразу несколькими молекулами ионофора.
5. Основное уравнение диффузии веществ
через мембрану (электродиффузное
уравнение Нернста-Планка и уравнение
Фика). Транспорт веществ через поры
(уравнение).
Для описания пассивного транспорта – диффузии ионов в биофизике используется
электродиффузионная теория, в соответствии с которой суммарный поток ионов через
мембрану при пассивном транспорте определяется 2-мя факторами: неравномерностью их
распределения (градиентом концентрации) и воздействием электрического поля
(электрическим градиентом). Плотность потока ионов для разбавленных растворов
определяется по уравнению Нернста-Планка:
где: Ф — поток вещества, u — подвижность иона, молекулы, R — универсальная газовая
постоянная (8,314 Дж/моль*К), Т — температура по шкале К0, dC/dx - концентрационный
градиент, С — концентрация в молях, Z— величина заряда иона, F — число Фарадея
(96500 Кл/моль), dφ/dx — градиент потенциала.
Знаки минус перед градиентами показывают, что градиент концентрации вызывает
перенос вещества от мест с большей концентрацией в места с меньшей; а градиент
потенциала вызывает перенос положительных зарядов от мест с большим потенциалом к
местам с меньшим.
Для описания диффузии незаряженных частиц используют уравнение Фика:
В этом виде уравнение Фика определяет поток незаряженных частиц через единичную
площадь в случае, если не существует перегородки (мембраны), которая может затруднять
перенос, где:
DD- коэффициент диффузии,
- градиент концентрации
Для клеточной мембраны: dx=L— толщина мембраны,dC= Сi- Сe, где Сiи Сe-концентрация
частиц внутри и снаружи клетки. В уравнение Фика для клетки добавляется коэффициент
К (коэффициент распределения), который определяет соотношение концентрации частиц
между средой и мембраной и в конечном итоге скорость переноса. Учитывая это,
уравнение Фика для клеточной мембраны представляется в виде:
DK/L= Р — называют эффективным коэффициентом проницаемости, тогда Ф = - Р(Сe -Сi)
6. Механизм активного транспорта ионов к+ и Na+ через
мембрану. Основные этапы работыK,Na- атф-азы.
Энергозатраты противоградиентного переноса
(формула).
Ионы Naи К определяют водно-электролитный обмен организма. В норме в живых
клетках животных существует асимметрия концентраций этих ионов внутри (i) и снаружи
(e) клетки. Концентрация К больше внутри клетки, концентрацияNaбольше снаружи.
Клеточная мембрана одинаково проницаема для обоих ионов. Поэтому для поддержания
асимметрии осуществляется противоградиентный перенос при помощиNa, К - АТФ-азы
илиNa-К насоса, за счёт энергии, освобождающейся при гидролизе АТФ.
АТФ +Н2О = АДФ + Фн+ ∆G, где Фн– неорганический фосфат.
Основные этапы работы АТФ-азы:
1) Присоединение 3 ионов Naи фосфорилирование фермента внутри клетки.
2) Транслокация №1 –перенос центра связывания ионов Naнаружу.
3) Отсоединение 3 ионов Naи замена их на 2 иона К.
4) Отщепление остатков фосфорной кислоты.
5) Транслокация №2 – перенос центра связывания ионов К внутрь клетки.
6) Отсоединение 2 ионов К и присоединение 3 ионов Na, затем фосфорилирование
фермента.
Перенос 2 ионов К внутрь клетки и выброс 3 ионов Naнаружу приводит в итоге к
переносу одного дополнительного положительного заряда из цитоплазмы на поверхность
мембраны. Поэтому внутриклеточное содержимое имеет знак (-), а внеклеточное (+). В
целом, энергия, которая освобождается при гидролизе АТФ для осуществления активного
транспортаNa+и К+, определяется формулой:
где первое слагаемое определяет энергию для противоградиентного переноса двух ионов
К второе – энергию для противоградиентного переноса трёх ионов Na, третье – энергию
на преодоление сил электрического поля, возникающего на мембране за счёт активного
транспорта.
ЗАРЕГИСТРИРУЙТЕСЬ - ЭТО БЕСПЛАТНО

Похожие документы