Искусственные мембраны. Монослой на границе раздела фаз. Бислойные липидные мембраны. Липосомы и протеолипосомы. Механизмы взаимодействия липосом с биомембранами. Свойства искусственных мембран, их сходство и отличия от природных мембран, практическое использование в биологии и медицине.
Биофизика процессов транспорта веществ через биомембраны
Проблема проницаемости веществ через биомембраны. Методы исследования проницаемости. Типы транспорта веществ через биомембрану. Пассивный транспорт (диффузия). Движущая сила диффузии. Уравнение диффузии Фика. Зависимость проницаемости мембран от растворимости в воде и липидах. Аквапорины. Проницаемость мембран для воды и нейтральных молекул. Проницаемость мембран для ионов. Факторы, влияющие на скорость пассивного транспорта ионов. Электрохимический потенциал. Механизмы прохождения ионов через мембрану. Ионный транспорт в каналах. Современное представление о строении и функционировании каналов. Селективность каналов. Индуцированный ионный транспорт, его моделирование на липосомах и плоских бислойных липидных мембранах. Ионофоры: подвижные переносчики и каналообразующие вещества. Облегченная диффузия, ее основные свойства и отличия от простой диффузии. Транслокация радикалов как тип транспорта веществ, его механизмы и роль в доставке в клетку сахаров, аминокислот и других метаболитов. Активный транспорт молекул и ионов, его отличие от облегченной диффузии. Свойства и функции активного транспорта. Термодинамика активного переноса молекул и ионов. Механизмы активного транспорта. Электрогенный и нейтральный транспорт. Первичный и вторичный активный транспорт. Транспортные АТФ-азы, их краткая характеристика и классификация. Строение и механизм действия Na-К-насоса. Активный транспорт Са 2+ и протонов. Модели параллельно функционирующих пассивных и активных каналов. Специальные механизмы транспорта веществ через биомембрану (эндо- и экзоцитоз, перенос ДНК и др.).
Биоэлектрические явления.
Краткая история открытия и изучения биоэлектрических явлений. Классификация биопотенциалов. Характеристика ионных и электродных биопотенциалов. Потенциал покоя, его происхождение. Потенциал действия. Современное представление о генерации нервного импульса. Модель Ходжкина-Хаксли. Измерение потенциала действия в нерве. Асимметричное распределение ионов по обе стороны мембраны как основа возникновения биопотенциалов. Факторы, определяющие величину мембранного потенциала. Равновесие Доннана. Транспорт ионов в возбудимых мембранах. Распространение нервного импульса по миелиновым и немиелиновым нервным волокнам. Энергообеспечение процессов распространения возбуждения. Векторный характер передачи электрических сигналов, его механизм. Значение регистрации биопотенциалов для биологии и медицины. Электрокинетические явления. Образование двойного электрического слоя. Факторы, определяющие величину электрокинетического потенциала. Применение микроэлекторофореза для оценки электрического потенциала мембран клеток в норме и при патологии. Примеры других электрокинетических явлений.
Молекулярные механизмы процессов энергетического сопряжения.
Общая характеристика преобразования энергии в биомембранах. Сопрягающие комплексы, их локализация в митохондриальной и фотосинтетической мембране хлоропластов. Строение и условия фукционирования различных цепей переноса электронов (ЦПЭ) в биомембранах. Окислительно-восстановительный потенциал переносчиков электронов, его измерение (уравнение Нернста). Особенности и биологическое значение транспорта электронов. Сходства и отличия ЦПЭ в митохондриях и хлоропластах. Экзэргоническая и эндэргоническая стадии окислительного фосфорилирования, КПД этого процесса. Теории, объясняющие механизм мембранного фосфорилирования. Основные положения теории П.Митчела. Электрохимический потенциал ионов водорода. Состав протонной АТФ-азы. Механизм энергетического сопряжения (образование и гидролиз АТФ). Следствия хемиосмотической теории. Другие переносчики ионов как молекулярные преобразователи энергии, генерирующие АТФ. Обобщенная схема трансформации энергии в клетке.
Биофизика сократительных систем.
Общая характеристика механохимических процессов. Основные типы сократительных и подвижных систем. Биофизическая характеристика мышечных и немышечных сократительных белков (актина, миозина, тропомиозина, тубулина, флагеллина и др.). Основные свойства поперечно-полосатой мышцы как механохимического преобразователя энергии; структура саркомеров, ее изменение при сокращении. Молекулярный механизм мышечного сокращения, его регуляция. Энергообеспечение мышечного сокращения; значение опытов В.Энгельгардта и М.Любимовой. Теории, объясняющие механизм сокращения. Основные особенности строения немышечных сократительных систем, молекулярный механизм их подвижности.
Биофизика фотобиологических процессов
Общая характеристика и классификация фотобиологических процессов и их стадий. Применимость законов физики и фотохимии к фотобиологическим процессам. Поглощение света биомолекулами. Закон Ламберта-Бэра. Механизм поглощения света. Закономерности перехода фотоэлектрона на возбужденный уровень. Спектры поглощения биомолекул. Оптические свойства белков и нуклеиновых кислот: поглощение света, оптическая активность, дисперсия оптического вращения, круговой дихроизм, природа гипохромного и гиперхромного эффектов. Пути дезактивации молекул, возбужденных светом. Люминесценция, ее виды и основные физические характеристики: спектры испускания, квантовый выход, длительность свечения. Биолюминесценция и сверхслабое свечение объектов (биохемилюминесценция). Миграция энергии в биосистемах, ее механизмы: индуктивно-резонансный, экситонный, обменно-резонансный, полупроводниковый. Типы фотохимических реакций; одно- и двухквантовые реакции. Спектры действия фотобиологических процессов. Биофизика фотосинтеза. Физический смысл фотосинтеза. Превращение энергии в первичных процессах фотосинтеза. Транспорт электронов и фотофосфорилирование. Термодинамика фотосинтеза, квантовый выход и квантовый расход, КПД превращения световой энергии в химическую. Бактериородопсиновый фотосинтез: физический и биологический смысл, последовательность энергетических превращений, молекулярный механизм. Фотодеструктивные процессы. Фотохимические реакции при действии ультрафиолетовых излучений на нуклеиновые кислоты. Молекулярные механизмы действия ультрафиолетовых излучений на белки и липиды. Биологическое значение фотоповреждений молекул. Фотосенсибилизация и фотозащита; световая и темновая репарация. Основные физические характеристики и биологическое действие лазерного излучения. Роль двухквантовых реакций. Лазерные методы исследования.
Регуляция биологических процессов.
Основные понятия теории информации. Связь энтропии и информации в биологических системах. Количество биологической информации, ее ценность. Приложение теории информации к биопроцессам: генетический код, информационная характеристика структуры белков и др. Понятие о биокибернетике. Принципы авторегулирования биологических процессов (положительная и отрицательная обратная связь, автоколебания, биоритмы). Роль биологических триггеров в регулировании метаболизма.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ КАРТА
| Номер раздела, темы, занятия | Название раздела, темы, занятия; перечень изучаемых вопросов | Количество аудиторных часов | Материальное обеспечение занятия (наглядные, методические пособия и др.) | Литература | Формы контроля |
|||||||
| практические (семинарские) | лабораторные | управляемая самостоятельная работа студента |
||||||||||
| Введение:
Предмет и задачи биофизики, проблемы, этапы развития, перспективы и направления развития. | Слайды для графопроектора, доска, мел | ЛД 1,2,3,4,6,7 | экзамен |
|||||||||
| Слайды для графопроектора, Поясняющие рисунки на доске. | |||||||||||
| Кинетика биологических процессов. Элементарные кинетические уравнения. Молекулярность и порядок реакций. Особенности кинетики биологических процессов. Зависимость скорости реакций от концентрации веществ и температуры. Коэффициент Ван-Гоффа. Энергия активации и ее определение. Зависимость скорости реакции от природы катализатора.Кинетика ферментативных процессов. Фермент-субстратный комплекс, методы его обнаружения. Графическое изображение зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата, температуры, рН и других факторов. Уравнение Михаэлиса-Ментен и его алгебраическое преобразование для определения объединенной константы скорости. Кинетико-графический анализ типов ингибирования. | Слайды для графопроектора. Поясняющие рисунки на доске | |||||||||||
| Пути преобразования энергии в клетке. Клетка как химическая машина. Термодинамическая характеристика основных процессов, связанных с преобразованием энергии. | Слайды для графопроектора.Поясняющие рисунки на доске | |||||||||||
| Фотобиологические процессы. Классификация фотобиологических процессов. Фотохимические реакции. Световая и темновая фазы фотосинтеза. Механизм взаимодействия света с веществом. Возбужденное состояние молекул. Механизмы поглащения света веществом. Флюоресценция и фосфорисценция, характеристика, свойства, значение. | Слайды для графопроектора | |||||||||||
| Молекулярная биофизика Предмет и задачи молекулярной биофизики; методы исследования. Различные типы взаимодействий в полимерах, их биофизическая характеристика. Пространственная организация белковой молекулы. Разнообразие вторичных и третичных структур белка; сверхспирали. Фазовые переходы в белках; тепловая и химическая денатурация. Механизм, термодинамическая характеристика. Физические модели ДНК. Полиморфизм вторичной структуры НК. Фазовые переходы спираль клубок денатурация и ренатурация НК, факторы денатурации. Качественные и количественные характеристики денатурации. Метод молекулярной гибридизации ДНК, его биологическое значение. Физические свойства НК. | Слайды для графопроектора Поясняющие рисунки на доске | |||||||||||
| Биофизика мембран. Методы исследования биомембран. Развитие представлений о структурной организации мембран. Биофизическая характеристика молекулярных компонентов мембран: белков, липидов, углеводов и их комплексов. Вода как составной компонент биомембран. Жидкостно-мозаичная модель, ее основные характеристики. Физические свойства биомембран. Подвижность компонентов биомембраны. Фазовые переходы в мембранах. Жидкие кристаллы в структуре мембран, их свойства. Функции биологических мембран. Искусственные мембраны. | Слайды для графопроектора Поясняющие рисунки на доске | |||||||||||
| Проницаемость клеток и тканей. Классификация и краткая характеристика типов транспорта веществ через биологические мембраны. Пассивный транспорт, его типы, механизмы. Проницаемость мембраны для воды и электролитов. Современное представление о строении и функционировании каналов. Селективность каналов. Свойства и функции активного транспорта. Термодинамика активного переноса молекул и ионов. Механизмы активного транспорта. Электрогенный и нейтральный транспорт. Первичный и вторичный активный транспорт. Транспортные АТФ-азы, их краткая характеристика и классификация. Специальные механизмы транспорта веществ через биомембрану | Слайды для графопроектора Поясняющие рисунки на доске | |||||||||||
| Биоэлектрические явления Общая характеристика и классификация биопотенциалов. Характеристика ионных и электродных биопотенциалов. Потенциал покоя, его происхождение. Потенциал действия. Современное представление о генерации нервного импульса. Факторы, определяющие величину мембранного потенциала. Распространение нервного импульса по миелиновым и немиелиновым нервным волокнам. Электрокинетические явления. Факторы, определяющие величину электрокинетического потенциала. | Слайды для графопроектора Поясняющие рисунки на доске | |||||||||||
| Биофизика сократительных систем Общая характеристика механохимических процессов. Основные типы сократительных и подвижных систем. Биофизическая характеристика мышечных и немышечных сократительных белков. Основные свойства поперечно-полосатой мышцы. Молекулярный механизм мышечного сокращения, его регуляция. Основные особенности строения немышечных сократительных систем, молекулярный механизм их подвижности | Слайды для графопроектора Поясняющие рисунки на доске | |||||||||||
ИНФОРМАЦИОННАЯ ЧАСТЬ
Основная и дополнительная литература
| Список литературы | Год издания |
|
| Основная (ЛО) | ||
| Рубин А. Б. Биофизика. М.: Книжный дом “Университет”, Т. 1-2. Антонов В. Ф. Биофизика. М.: Гум. издат. центр “Владос”, Рубин А. Б. Лекции по биофизике. М.: Изд-во Московского ун-та. Костюк П. Г. и др. Биофизика. Киев: Выща школа. Конев С. В., Волотовский И. Д. Фотобиология. Мн.: Изд-во Белорусокого ун-та. | ||
| Дополнительная (ЛД) | ||
| Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. М.: Медицина. Кантор Ч., Шиммел П. Биофизическая химия. Т.1-3, М.: Мир Уильямс В. Уильямс X . Физическая химия для биологов. М.: Мир. Плонси Р., Барр Р. Биоэлектричество. Количественный подход. М.: Мир. Зенгер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. М.: Мир. Тарусов Б.Н. и др. Биофизика. М.: Высшая школа. Антонов В.Ф., Коржуев А.В. Физика и биофизика: Курс лекций для студентов медицинских вузов: Учебное пособие. М.: Гум. издат. центр “Владос” Артюхов В.Г., Шмелева Т.А., Шмелев В.П. Биофизика. - Изд. Воронежского университета Журавлев А.Н. и др. Основы физики и биофизики. Серия: Учебники и учебные пособия для студентов высших учебных заведений. 2005. |
ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ
1. Кинетика биологических процессов (4 часа). 2. Проницаемость клеток и тканей (4 часа). 3. Поверхностное натяжение биологических жидкостей (4 часа). 4. Электрокинетические явления (4 часа). 5. Ионизационные методы анализа (4 часа). 6. Осмотическое давление биологических жидкостей (4 часа).КОНТРОЛЬ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
1. Основные пути использования энергии в организме животных и человека. 2. Пути образования энергии в клетке.Итоговая оценка (минимум 4, максимум 10 баллов) определяется по формуле: Итоговая оценка = А х 0,4 + Б х 0,6, где А – средний балл по лабораторным занятиям и КСР, Б – экзаменационный балл. Итоговая оценка выставляется только в случае успешной сдачи экзамена (4 балла и выше).
ПРОТОКОЛ СОГЛАСОВАНИЯ УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЫ
С ДРУГИМИ ДИСЦИПЛИНАМИ СПЕЦИАЛЬНОСТИ
| Название дисциплины, с которой требуется согласование | Название кафедры | Предложения об изменениях в содержании учебной программы по изучаемой учебной дисциплине | Решение, принятое кафедрой, разработавшей учебную программу (с указанием даты и номера протокола) |
ДОПОЛНЕНИЯ И ИЗМЕНЕНИЯ К УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЕ
ПО ИЗУЧАЕМОЙ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ
на ______/_______ учебный год
| Дополнения и изменения | Основания |
|
| Закон |
Искусственные мембраны получают с помощью специально разработанных методик. Такие мембранные системы обычно состоят из одного фосфолипида (природного или синтетического) или их смеси. В соответствующих условиях (например, при мягкой обработке ультразвуком) эти фосфолипиды образуют сферические бислойные везикулы. Везикулы, ограниченные липидным бислоем, называются липосомами.
Рассмотрим несколько примеров использования
Рис. 42.8. При самосборке мембраны сохраняется ее принципиальная структура, но не асимметрия. Мембраны разрушаются при обработке их детергентами в высокой концентрации; амфифильные молекулы детергента образуют маленькие капельки, называемые мицеллами. Детергент растворяет компоненты мембраны, обволакивая гидрофобные участки липидов и белков и заключая их в мицеллы, где они защищены от воды. После удаления детергента липиды спонтанно образуют новый бислой с интегрированными в него белками. Однако последние включаются в основном в случайной ориентации. Эксперименты, подобные описанному здесь, показали, что все клеточные мембраны не способны к правильной самосборке; по крайней мере некоторые интегральные белки должны встраиваться в уже готовую мембрану, имеющую определенную ориентацию. (Из работы Lodish Н. F., Rothman J. Е.: The assembly of cell membranes. Sci. Am. 1979,240, 43, с любезного разрешения.)
искусственных мембранных систем и укажем их преимущества перед природными мембранами.
1. Содержание разных липидов в искусственных мембранах можно варьировать; это позволяет проводить систематическое исследование влияния липидного состава мембран на ту или иную функцию. Например, можно получить везикулы исключительно из фосфатидилхолина или, наоборот, из смеси фосфолипидов известного состава с включением гликолипидов и холестерола. Можно строить мембраны из липидов с разными остатками жирных кислот. Это позволяет провести ситематические исследования влияния жирнокислотного состава на определенные функции мембран (например, на транспорт).
2. В везикулы можно встраивать очищенные мембранные белки или ферменты. Это позволяет выявить, какие молекулы (например, специфические липиды или вспомогательные белки) необходимы для реконструкции функции очищенных белков. Исследования очищенных белков, например Са2+-АТРазы саркоплазматического ретикулума, показывает, что в некоторых случаях для реконструкции ионного насоса достаточно одного белка и одного липида.
3. Микроокружение искусственных систем можно жестко контролировать и целенаправленно варьировать (например, изменять концентрацию ионов). Их можно подвергать действию лигандов, специфичных к определенным белковым рецепторам, содержащимся в липосоме.
4. При формировании липосом ими могут захватываться те или иные компоненты, например лекарственные вещества или изолированные гены. Весьма перспективным представляется использование липосом для доставки лекарств к конкретным тканям. Для этого в мембраны липосом необходимо включить компоненты (например, антитела к определенным молекулам клеточной поверхности), позволяющие адресовать их конкретным тканям или опухолям. Терапевтический эффект такого способа доставки лекарства должен быть весьма значительным. ДНК, заключенная внутри липосом, по-видимому, менее чувствительна к нуклеазам; это следует учитывать при генной терапии.
Обеспечивают целостность клетки, они обеспечивают возможность создания в ней условий для протекания всех биохимических реакций, регулирует обмен веществами и энергией с окружающей средой. Словом, это в прямом смысле слова граница между жизнью и всем, что ее окружает.
Мембрана всех клеток представляет собой двойной слой фосфолипидов — молекул с гидрофильной «головой» и несколькими гидрофобными «хвостами». В водной среде они стремятся расположиться «хвостами» внутрь, выстраиваясь ровными рядами: мембрана самособирается. Конечно, в действительности картина намного сложнее, мембрана содержит также множество белковых компонентов, гликолипидов с дополнительными «хвостами» полисахаридов, молекул холестерина, регулирующих ее вязкость и т. д. Однако именно самособирающийся фосфолипидный бислой формирует ее основу.
Именно этот базовый элемент воссоздали исследователи из группы работающего в Калифорнии профессора Нила Девараджа (Neal Devaraj), используя чисто химические методы. Конечной целью всех этих экспериментов является создание полностью искусственной жизни, полученной без какого-либо участия других живых организмов, если не считать самих экспериментаторов. Пока что все синтетические организмы, о создании которых не раз сообщали ученые, представляют собой, по сути, лишь синтетические геномы, внедренные в заранее «выпотрошенные» и подготовленные клетки бактерий. О получении искусственного живого организма с нуля пока остается лишь мечтать.
Профессор Деварадж поясняет: «Предположительно, нечто подобное уже случилось в какой-то момент в прошлом. Иначе жизнь не могла бы появиться вообще». «Мы до сих пор окончательно не представляем себе, как протекал этот фундаментальный этап, на котором неживая материя превратилась в живую, — добавляет ученый. — В конце концов подобные опыты должны рассказать нам немало о базовых химических и биологических принципах, лежащих в основе жизни».
Как уже говорилось, благодаря двойной гидрофильно-гидрофобной природе фосфолипиды , составляющие клеточные мембраны, в воде самособираются. Гидрофобные липидные «хвосты» прячутся от полярной водной среды, а гидрофильные фосфатные «головки», наоборот, погружаются в нее. Так, ведомые лишь гидрофильно-гидрофобными взаимодействиями, молекулы выстраиваются в двойной слой мембраны и создают барьер, отделяющий клетку от внешнего мира.
В клетках современных организмов производство фосфолипидов обеспечивают специальные белки, интегрированные в мембраны клеток. Однако такое возможно лишь уже при наличии мембраны, а о том, как синтезировались липиды первых живых клеток, без участия белковых ферментов, пока остается лишь гадать. Возможный вариант такой реакции и предложили Деварадж и его коллеги.
«Эта реакция чисто искусственная, она не имеет известного нам аналога в живой природе. Именно так можно получить клеточную мембрану с нуля, — комментирует Деварадж, — В нашей системе это происходит с участием простейшего катализатора, металлического иона».
В водной среде исходные компоненты реакции образуют стабильную эмульсию из множества нерастворимых капель. Добавление в среду ионов меди ведет к их разрушению и возможности для реагентов взаимодействовать друг с другом. По данным авторов, после 24 часов такой инкубации все капли расходятся — и появляются двухслойные мембраны. Первый шаг к полноценной жизни.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru//
Размещено на http://www.allbest.ru//
Министерство науки и образования Украины
Национальный технический университет Украины
"Киевский политехнический институт им. Игоря Сикорского"
Факультет биомедицинской инженерии
клеточный мембрана молекулярный
Мембраны клетки. Искусственные и наномембраны
выполнила
студентка группы БМ-61
Папакина Маргарита
проверил:
профессор В.И. Коржоа
Актуальность темы
С момента открытия строения клетки и в частности клеточной мембраны медицинская и биологическая наука изучила ее достаточно хорошо для того, чтобы за это время ученые совершили огромное количество последующих открытий в области биологии и медицины, которые в последствие улучшили возможности медицины, качество жизни людей и дали толчок последующим биологическим, биохимическим, биофизическим исследованиям в этой области.
В настоящее время ученые решают вопросы возможности проведения биологических исследований не на биологическом материале, а на его моделях. В области биохимических исследований активно разрабатывается и вводится в практику применения искусственных мембран, а также наномембран. Развитие смежных наук и технологий позволило создать такие модели также для их применения в других сферах жизни, а не только в научных исследованиях.
То есть, процесс изучения клеточных мембран, а также методы получения искусственных мембран и наномембран и их совершенствование -- очень перспективная отрасль биологической науки в настоящее время.
Мембраны клетки
Клеточная мембрана (также цитолемма, плазмалемма, или плазматическая мембрана) -- эластическая молекулярная структура, состоящая из белков и липидов. Отделяет содержимое любой клетки от внешней среды, обеспечивая её целостность; регулирует обмен между клеткой и средой; внутриклеточные мембраны разделяют клетку на специализированные замкнутые отсеки -- компартменты или органеллы, в которых поддерживаются определённые условия среды. Клеточная стенка, если таковая у клетки имеется (обычно есть у растительных клеток), покрывает клеточную мембрану.
Рис. 1. Строение клеточной мембраны.
Клеточная мембрана представляет собой двойной слой (бислой) молекул класса липидов, большинство из которых представляет собой так называемые сложные липиды -- фосфолипиды. Молекулы липидов имеют гидрофильную («головка») и гидрофобную («хвост») части. При образовании мембран гидрофобные участки молекул оказываются обращены внутрь, а гидрофильные -- наружу.
Биологическая мембрана включает и различные белки: интегральные (пронизывающие мембрану насквозь), полуинтегральные (погружённые одним концом во внешний или внутренний липидный слой), поверхностные (расположенные на внешней или прилегающие к внутренней сторонам мембраны). Некоторые белки являются точками контакта клеточной мембраны с цитоскелетом внутри клетки и клеточной стенкой (если она есть) снаружи. Некоторые из интегральных белков выполняют функцию ионных каналов, различных транспортеров и рецепторов.
Свойства мембран
Все клеточные мембраны представляют собой подвижные текучие структуры, поскольку молекулы липидов и белков не связаны между собой ковалентными связями и способны достаточно быстро перемещаться в плоскости мембраны. Благодаря этому мембраны могут изменять свою конфигурацию, т. е. обладают текучестью.
Мембраны -- структуры очень динамичные. Они быстро восстанавливаются после повреждения, а также растягиваются и сжимаются при клеточных движениях.
Мембраны разных типов клеток существенно различаются как по химическому составу, так и по относительному содержанию в них белков, гликопротеинов, липидов, а следовательно, и по характеру имеющихся в них рецепторов. Каждый тип клеток поэтому характеризуется индивидуальностью, которая определяется в основном гликопротеинами. Разветвленные цепи гликопротеинов, выступающие из клеточной мембраны, участвуют в распознавании факторов внешней среды, а также во взаимном узнавании родственных клеток..
Подобное явление наблюдается в процессе дифференцировки тканей. В этом случае сходные по строению клетки с помощью распознающих участков плазмалеммы правильно ориентируются относительно друг друга, обеспечивая тем самым их сцепление и образование тканей. С распознаванием связана и регуляция транспорта молекул и ионов через мембрану, а также иммунологический ответ, в котором гликопротеины играют роль антигенов. Сахара, таким образом, могут функционировать как информационные молекулы (подобно белкам и нуклеиновым кислотам). В мембранах содержатся также специфические рецепторы, переносчики электронов, преобразователи энергии, ферментные белки. Белки участвуют в обеспечении транспорта определенных молекул внутрь клетки или из нее, осуществляют структурную связь цитоскелета с клеточными мембранами или же служат в качестве рецепторов для получения и преобразования химических сигналов из окружающей среды.
Важнейшим свойством мембраны является также избирательная проницаемость. Это значит, что молекулы и ионы проходят через нее с различной скоростью, и чем больше размер молекул, тем меньше скорость прохождения их через мембрану. Это свойство определяет плазматическую мембрану как осмотический барьер. Максимальной проникающей способностью обладает вода и растворенные в ней газы; значительно медленнее проходят сквозь мембрану ионы. Диффузия воды через мембрану называется осмосом.
Существует несколько механизмов транспорта веществ через мембрану.
Диффузия --проникновение веществ через мембрану по градиенту концентрации {из области, где их концентрация выше, в область, где их концентрация ниже). Диффузный транспорт веществ (воды, ионов) осуществляется при участии белков мембраны, в которых имеются молекулярные поры, либо при участии липидной фазы (для жирорастворимых веществ).
При облегченной диффузии специальные мембранные белки-переносчики избирательно связываются с тем или иным ионом или молекулой и переносят их через мембрану по градиенту концентрации.
Активный транспорт сопряжен с затратами энергии и служит для переноса веществ против их градиента концентрации. Он осуществляется специальными белками-переносчиками, образующими так называемые ионные насосы. Наиболее изученным является Na-/ К--насос в клетках животных, активно выкачивающих ионы Na+ наружу, поглощая при этом ионы К-. Благодаря этому в клетке поддерживается большая концентрация К- и меньшая Na+ по сравнению с окружающей средой. На этот процесс затрачивается энергия АТФ.
В результате активного транспорта с помощью мембранного насоса в клетке происходит также регуляция концентрации Mg2-и Са2+.
В процессе активного транспорта ионов в клетку через цитоплазматическую мембрану проникают различные сахара, нуклеотиды, аминокислоты.
Макромолекулы белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липопротеидные комплексы и др. сквозь клеточные мембраны не проходят, в отличие от ионов и мономеров. Транспорт макромолекул, их комплексов и частиц внутрь клетки происходит совершенно иным путем -- посредством эндоцитоза. При эндоцитозе {эндо... -- внутрь) определенный участок плазмалеммы захватывает и как бы обволакивает внеклеточный материал, заключая его в мембранную вакуоль, возникшую вследствие впячивания мембраны. В дальнейшем такая вакуоль соединяется с лизосомой, ферменты которой расщепляют макромолекулы до мономеров.
Процесс, обратный эндоцитозу, -- экзоцитоз (экзо... -- наружу). Благодаря ему клетка выводит внутриклеточные продукты или непереваренные остатки, заключенные в вакуоли или пузырьки. Пузырек подходит к цитоплазматической мембране, сливается с ней, а его содержимое выделяется в окружающую среду. Гак выводятся пищеварительные ферменты, гормоны, гемицеллюлоза и др.
Таким образом, биологические мембраны как основные структурные элементы клетки служат не просто физическими границами, а представляют собой динамичные функциональные поверхности. На мембранах органелл осуществляются многочисленные биохимические процессы, такие как активное поглощение веществ, преобразование энергии, синтез АТФ и др.
Биохимические функции
Барьерная -- обеспечивает регулируемый, избирательный, пассивный и активный обмен веществ с окружающей средой. Например, мембрана пероксисом защищает цитоплазму от опасных для клетки пероксидов. Избирательная проницаемость означает, что проницаемость мембраны для различных атомов или молекул зависит от их размеров, электрического заряда и химических свойств. Избирательная проницаемость обеспечивает отделение клетки и клеточных компартментов от окружающей среды и снабжение их необходимыми веществами.
Транспортная -- через мембрану происходит транспорт веществ в клетку и из клетки. Транспорт через мембраны обеспечивает: доставку питательных веществ, удаление конечных продуктов обмена, секрецию различных веществ, создание ионных градиентов, поддержание в клетке оптимального pH и концентрации ионов, которые нужны для работы клеточных ферментов.
Частицы, по какой-либо причине неспособные пересечь фосфолипидный бислой (например, из-за гидрофильных свойств, так как мембрана внутри гидрофобна и не пропускает гидрофильные вещества, или из-за крупных размеров), но необходимые для клетки, могут проникнуть сквозь мембрану через специальные белки-переносчики (транспортёры) и белки-каналы или путём эндоцитоза.
При пассивном транспорте вещества пересекают липидный бислой без затрат энергии по градиенту концентрации (градиент концентрации указывает направление увеличения концентрации) путём диффузии. Вариантом этого механизма является облегчённая диффузия, при которой веществу помогает пройти через мембрану какая-либо специфическая молекула. У этой молекулы может быть канал, пропускающий вещества только одного типа.
Активный транспорт требует затрат энергии, так как происходит против градиента концентрации. На мембране существуют специальные белки-насосы, в том числе АТФаза, которая активно вкачивает в клетку ионы калия (K+) и выкачивает из неё ионы натрия (Na+).
Матричная -- обеспечивает определённое взаиморасположение и ориентацию мембранных белков, их оптимальное взаимодействие.
Механическая -- обеспечивает автономность клетки, её внутриклеточных структур, также соединение с другими клетками (в тканях). Большую роль в обеспечении механической функции имеют клеточные стенки, а у животных -- межклеточное вещество.
Энергетическая -- при фотосинтезе в хлоропластах и клеточном дыхании в митохондриях в их мембранах действуют системы переноса энергии, в которых также участвуют белки.
Рецепторная -- некоторые белки, находящиеся в мембране, являются рецепторами (молекулами, при помощи которых клетка воспринимает те или иные сигналы).
Например, гормоны, циркулирующие в крови, действуют только на такие клетки-мишени, у которых есть соответствующие этим гормонам рецепторы. Нейромедиаторы (химические вещества, обеспечивающие проведение нервных импульсов) тоже связываются с особыми рецепторными белками клеток-мишеней.
Ферментативная -- мембранные белки нередко являются ферментами. Например, плазматические мембраны эпителиальных клеток кишечника содержат пищеварительные ферменты.
Осуществление генерации и проведения биопотенциалов.
С помощью мембраны в клетке поддерживается постоянная концентрация ионов: концентрация иона К+ внутри клетки значительно выше, чем снаружи, а концентрация Na+ значительно ниже, что очень важно, так как это обеспечивает поддержание разности потенциалов на мембране и генерацию нервного импульса.
Маркировка клетки -- на мембране есть антигены, действующие как маркеры -- «ярлыки», позволяющие опознать клетку. Это гликопротеины (то есть белки с присоединёнными к ним разветвлёнными олигосахаридными боковыми цепями), играющие роль «антенн». Из-за бесчисленного множества конфигурации боковых цепей возможно сделать для каждого типа клеток свой особый маркер. С помощью маркеров клетки могут распознавать другие клетки и действовать согласованно с ними, например, при формировании органов и тканей. Это же позволяет иммунной системе распознавать чужеродные антигены.
Искусственные мембраны
Искусственные мембраны получаются при контакте смеси фосфолипидов и нейтральных липидов, растворенных в органических соединениях, с водой. Толщина таких мембран менее 100 А. ?
Эти искусственные мембраны, подобно настоящим клеточным мембранам, гидрофобны. Поэтому сквозь них не могут диффундировать заряженные частицы вроде НСОз) в то время как незаряженные молекулы свободно проходят через гидрофобный слой. ?
В настоящее время в лабораторной практике применяются почти исключительно искусственные мембраны, изготовленные из природных или синтетических органических полимеров (целлюлозы и ее эфире, белков, полистирола) и других материалов. Они имеют то огромное преимущество по сравнению с растительными и животными мембранами, употреблявшимися ранее, что их можно готовить с хорошо воспроизводимой градацией проницаемости. Для работ с неводными растворами часто пользуются целлюлозными мембранами.
Пути синтеза современных мембран часто идут по довольно сложным схемам, потому что макромолекулярная архитектура этих соединений должна представлять прочный полимерный каркас, несущий на себе крепко пришитые, заряженные группы. Изготовить такой материал, который отвечал бы всем требованиям технологических приложений, нелегко, и можно сказать, что это не только научная задача, а большое искусство. Молекулярный дизайн современных мембран отличается большим разнообразием, которое зависит не только от типа и природы заряженных фрагментов, но и от химической структуры несущей матрицы. Первые мембраны изготавливали из зернистых ионитов, так называемых ионообменных смол.
Кроме пористых ионообменных мембран существует множество других типов искусственных мембран, среди которых можно выделить толстые сплошные мембраны и очень тонкие бислойные липидные мембраны, состоящие из двух мономолекулярных слоев. ?
Трудности, связанные с получением биологических мембран, удовлетворительных по размерам и воспроизводимости, привели биологов к необходимости изучить возможности использования в качестве моделей искусственно приготовленных мембран. На искусственных мембранах сравнительно легко можно проводить измерения электродвижущей силы, чисел переноса, электропроводности и т. д.
Наномембраны
Наномембранами называют мембраны, которые содержат поры диаметром в доли микрона и менее. В частности, материалы, в которых размер пор строго контролируем и составляет от 2 до 50 нм, называются мезопористыми молекулярными ситами. Мелкие поры способны задерживать очень малые твердые частицы, а также микробы, вирусы, отдельные клетки и даже молекулы. Особое применение наномембраны находят в медицине. С помощью них можно выделять вирусы и белки, проводить гемодиализ - разделять компоненты крови, стерилизовать растворы (путем отфильтровывания микроорганизмов), выполнять микробиологический анализ воды. Интересное потенциальное применение связано с биоимплантатами. Клеточную структуру имплантата можно изолировать от остального организма замкнутой наномембраной. Тогда обмен между имплантатом и организмом необходимыми веществами будет осуществляться через нанопоры, а антитела, разрушающие инородные клетки, не смогут проникнуть через мембранный барьер.
Современный способ получения высокоэффективных наномембран - облучение сплошных полимерных пленок ускоренными тяжелыми ионами или продуктами распада радиоактивных элементов. Высокоэнергетические частицы, пролетая через слой полимера, оставляют треки - сквозные каналы диаметром около 10 нм, заполненные продуктами разрушения (деполимеризации) материала. В результате последующей обработки растворителем на месте каналов образуются поры, диаметр которых можно регулировать в широком интервале от 30 до 1000 нм.
Существует много других методов получения наномембран. Мембраны на основе оксида алюминия с упорядоченными нанопорами создают анодным окислением поверхности алюминиевой пластины. Нанопоры в пленке кремния образуются в результате кратковременной термической обработки сплошного слоя аморфного кремния. Наномембраны также формируют путем полимеризации органического соединения из раствора или в присутствии поверхностно-активного вещества. В результате ассоциации молекул последнего образуются цилиндрические каналы диаметром в несколько нанометров, пронизывающие насквозь полученную пленку. Ионообменные мембраны получают из ионообменных полимеров (смол), а также из некоторых неорганических соединений, обладающих ионной проводимостью (диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, оксид висмута и др.).
В заключение этой работы можно отметить, что производство искусственных мембран и наномембран -- это отрасль биотехнологий, которая будет уверенно развиваться в ближайшем будущем и которая будет активно внедряться во многие сферы производства, но особое применение искусственные мембраны получат в медицине, которые позволят усовершенствовать уже существующие наработки и сделать много новых открытий.
Литература
Трековые мембраны нового поколения. В мире науки. 2005. № 12. С. 35.
Мулдер М. Введение в мембранную технологию. М.: Мир, 1999. 514 с.
Н. П. Березина. Синтетические ионообменные мембраны. Соросовский образовательный журнал, том 6, №9, 2000
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Понятие и функциональное назначение цитоплазматической мембраны как эластической молекулярной структуры, состоящей из белков и липидов. Ее биологическая роль, обязательные компоненты. Типы и основные функции белков: интегральные и периферические.
презентация , добавлен 26.10.2015
Строение ионных каналов - специализированных белков клеточной мембраны, образующих гидрофильный проход, по которому заряженные ионы могут пересекать клеточную мембрану по электрохимическому градиенту. Свойства активного транспорта, его потенциал.
презентация , добавлен 30.10.2016
Основные факты о строении клеточной мембраны. Общие представления о проницаемости. Перенос молекул через мембрану. Облегченная диффузия, пассивный и активный транспорт. Уравнение Фика. Сущность понятия "селективность". Строение и функции ионных каналов.
презентация , добавлен 19.10.2014
Строение мембран. Мембраны эритроцитов. Миелиновые мембраны. Мембраны хлоропластов. Внутренняя (цитоплазматическая) мембрана бактерий. Мембрана вирусов. Функции мембран. Транспорт через мембраны. Пассивный транспорт. Активный транспорт. Ca2+ –насос.
реферат , добавлен 22.03.2002
Мембранный транспорт: транслокация веществ через биологические мембраны с участием молекул-посредников. Механизмы клеточной проницаемости. Способы сопряжения транспорта с энергией метаболизма. Транспорт веществ из клетки в среду: секреция и экскреция.
реферат , добавлен 26.07.2009
Особенности строения клеток прокариот и эукариот. Структура фосфолипидного бислоя. Связи в молекуле фосфолипида, расщепляемые разными классами фосфолипаз. Липидный состав плазматической мембраны. Обзор основных способов переноса веществ через мембраны.
презентация , добавлен 26.03.2015
Структура цитоплазматической мембраны бактерии. Анализ функций клетки: деление, биосинтез ряда компонентов, хемо и фотосинтез. Трансмембранный фрагмент белка как альфа-спираль. Транспорт веществ в бактерии: пассивный, активный транслокация групп.
презентация , добавлен 17.11.2013
Виды биологических мембран и их функции. Мембранные белки. Виды и функции мембранных белков. Структура биологических мембран. Искусственные мембраны. Липосомы. Методы исследования структуры мембран. Физическое состояние и фазовые переходы в мембранах.
презентация , добавлен 21.05.2012
Проблемы сборки мембранных белков, методы исследования и условия переноса белков через мембраны. Сигнальная и мембранная (триггерная) гипотеза встраивания белков в мембрану. Процесс сборки мультисубъединичных комплексов и обновление мембранных белков.
курсовая работа , добавлен 13.04.2009
Протекание биохимических процессов, их причинно-следственный механизм. Натриево-калиевый насос, энергия гидролиза АТФ, кальциевые насосы, натрий-кальциевый обменник. Функции мембраны, электрический потенциал клетки и молекул, их роль в обменных процессах.
Мембраны могут быть выполнены в виде плоских листов, труб, капилляров и полых волокон . Мембраны выстраиваются в мембранные системы. Наиболее распространенные искусственные мембраны - полимерные мембраны. При определённых условиях, преимущественно могут быть использованы керамические мембраны.
Некоторые мембраны работают в широком диапазоне мембранных операций, таких, как микрофильтрация , ультрафильтрация, обратный осмос , первапорация , сепарация газа, диализ или хроматография . Способ применения зависит от типа функциональности включеной в мембрану, которые могут быть основаны на изоляции по размеру, химическом родстве или электростатике.
Использование
Мембраны наиболее часто используются для очистки воды, удаления микроорганизмов из молочных продуктах, опреснения воды, дегидрирования природного газа, гемодиализа или в качестве компонентов топливных элементов.
См. также
Литература
- Ю. И. Дытнерский, В.П. Брыков, Г.Г.Каграманов, Г.Г.Пиздюков, П.Ф.Ахуеть. Мембранное разделение газов, Москва, Химия, 1991.
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Искусственные мембраны" в других словарях:
У этого термина существуют и другие значения, см. Мембрана Изображение клеточной мембраны. Маленькие голубые и белые шарики соответствуют гидрофильным «головкам» липидов, а присоединённые к ним линии гидрофобным «хвостам». На рисунке показаны… … Википедия
У этого термина существуют и другие значения, см. Мембрана Изображение клеточной мембраны. Маленькие голубые и белые шарики соответствуют гидрофильным «головкам» липидов, а присоединённые к ним линии гидрофобным «хвостам». На рисунке… … Википедия
У этого термина существуют и другие значения, см. Мембрана Изображение клеточной мембраны. Маленькие голубые и белые шарики соответствуют гидрофильным «головкам» липидов, а присоединённые к ним линии гидрофобным «хвостам». На рисунке показаны… … Википедия
Пищевые продукты, как правило, высокой белковой ценности, создаваемые новыми технологическими методами на основе отдельных пищевых веществ (белков или составляющих их аминокислот, углеводов, жиров, витаминов, микроэлементов и др.); по… … Большая советская энциклопедия
I Ультрафильтрация метод коррекции водного гомеостаза при избытке воды в организме путем удаления из крови безбелковой жидкости через естественные или искусственные мембраны, играющие роль ультрафильтра. Чаще всего в качестве ультрафильтра… … Медицинская энциклопедия
Обычно представляет собой жесткую селективно проницаемую перегородку, разделяющую массообменный аппарат на две рабочие зоны, в которых поддерживаются различные давления и составы разделяемой смеси. Мембраны могут быть выполнены в виде плоских… … Википедия
У этого термина существуют и другие значения, см. Мембрана Изображение клеточной мембраны. Маленькие голубые и белые шарики соответствуют гидрофильным «головкам» липидов, а присоединённые к ним линии гидрофобным «хвостам». На рисунке показаны… … Википедия
У этого термина существуют и другие значения, см. Мембрана Изображение клеточной мембраны. Маленькие голубые и белые шарики соответствуют гидрофильным «головкам» липидов, а присоединённые к ним линии гидрофобным «хвостам». На рисунке показаны… … Википедия
У этого термина существуют и другие значения, см. Мембрана Изображение клеточной мембраны. Маленькие голубые и белые шарики соответствуют гидрофильным «головкам» липидов, а присоединённые к ним линии гидрофобным «хвостам». На рисунке показаны… … Википедия
