Студопедия  
Главная страница | Контакты | Случайная страница

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Зміст лекційного матеріалу. лекції для викладачів

Читайте также:
  1. II. ЗМІСТ І НАПРЯМИ РОБОТИ ШКІЛЬНОГО ПСИХОЛОГА
  2. II. ПОВТОРЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ, ВИВЧЕННЯ НОВОГО
  3. II. Усний рахунок. Повторення вивченого матеріалу.
  4. IV. Вивчення нового матеріалу.
  5. VI. Вивчення нового матеріалу.
  6. Біоматеріалу на слизові оболонки
  7. БЛОК ЗМІСТОВНИХ МОДУЛІВ № 1 1 страница
  8. БЛОК ЗМІСТОВНИХ МОДУЛІВ № 1 2 страница
  9. БЛОК ЗМІСТОВНИХ МОДУЛІВ № 1 3 страница
  10. БЛОК ЗМІСТОВНИХ МОДУЛІВ № 1 4 страница

Завідувач кафедри

професор Іщейкіна Ю.О.

 

 

 

Методичні розробки

лекції для викладачів

 

 

Навчальна дисципліна Медична та біологічна фізика
Модуль  
Змістовій модуль 4 – Термодинаміка відкритих біологічних систем
Тема заняття Мембрани. Механізм транспорту незаряджених і заряджених часток
Курс  
Факультет Лікувальний

 

Кількість годин – 2.

1. Науково-методичне обґрунтування теми:

Мембрана є тим кардинальним винаходом природи, який забезпечує саму можливість існування живого в неживому середовищі. Структурно-функціональна одиниця живого – клітина – є відкритою системою, яка саме через мембрану обмінюється з оточуючим середовищем речовиною, енергією та інформацією. У зв’язку з цим біофізика клітини по суті є біофізикою мембранних процесів, з’ясування яких є передумовою розуміння, у кінцевому рахунку, життєдіяльності організму в цілому.

 

2.Навчальні цілі лекції: Вивчити структуру та функції біологічних мембран, дослідити проникливість клітинних мембран м’язових волокон різними речовинами.

3.Цілі розвитку особистості майбутнього фахівця:

 

- розвивати наукове мислення студентів(а=3);

- розвивати зацікавленість студентів своєю майбутньою професією;

- формувати професійний розвиток психічних процесів майбутнього медичного працівника;

- розвивати систему професійно-значимих рис особистості: відповідальність, комунікабельність, стриманість, толерантність, витримку, мобільність що до різних екстрених професійних ситуацій.

Міждисциплінарна інтеграція

Дисціплини Знати Вміти
Попередні: 1) молекулярна фізика - поняття температури, - поняття теплоти та енергії - закон збереження енергії - Аналізувати перетворення енергії в неживій природі
Наступні: 1) біологія 2) фізіологія. - типи термодинамічних систем - закони термодинаміки - поняття ентропії - теорему Пригожина - поняття гомеостазу - методи застосування тепла і холоду в медицині - Розрізняти типи термодинамічних систем - Аналізувати перетворення енергії в біологічних системах, - Аналізувати енергетику біосистем, - Аналізувати енергетику клітини

План та організаційна структура лекції

Основні етапи лекції та їх зміст Цілі в рівнях абстракції Тип лекції. Засоби активізації студентів. Матеріали методичного забезпечення Розподіл часу
  Підготовчий етап Визначення актуальності теми, навчальних цілей лекції та мотивація   Див.п.1 і 2. 10%
  Основний етап Викладення лекційного матеріалу за планом: 1. Структура біологічних мембран. 2. Функції біологічних мембран. 3. Штучні мембрани. 4. Пасивний транспорт речовин через клітинні мембрани. 5. Дифузія: проста, полегшена, обмінна. 6. Фільтрація. 7. Осмос, електроосмос, аномальний осмос. 8. Сумісний перенос речовин через клітинні мембрани, його види. 9. Активний транспорт речовин через клітинні мембрани, його види. Піноцитоз, фагоцитоз, екоцитоз.слуху   a=1   a=2   a=3 a=2     a=3   a=3     a=3     a=3 Тематична лекція. Питання, проблемні ситуації, задачі. Засоби наочності: інтерактивні стимулятори, анімовані моделі, мультимедійні презентації 85%-90%
  Заключний етап 1.Резюме лекції, загальні висновки. 2.Відповіді на можливі запитання. 3.Завдання для самопідготовки студентів.   Навчальна література, ситуаційна задача 10%

Зміст лекційного матеріалу

 

Структура біологічних мембран.

Мембрана є тим кардинальним винаходом природи, який забезпечує саму можливість існування живого в неживому середовищі. Структурно-функціональна одиниця живого – клітина – є відкритою системою, яка саме через мембрану обмінюється з оточуючим середовищем речовиною, енергією та інформацією. У зв’язку з цим біофізика клітини по суті є біофізикою мембранних процесів, з’ясування яких є передумовою розуміння, у кінцевому рахунку, життєдіяльності організму в цілому.

Основні групи речовин, з яких складаються мембрани – це фосфоліпіди й білки. Крім них, у різних кількостях можуть бути присутні вуглеводи, неорганічні іони й вода, ліпіди інших груп, а згідно деяких даних – і нуклеїнові кислоти.

Фосфоліпіди мембран в основному є фосфогліцеридами. Це складні ефіри трьохатомного спирту гліцерину, що містять у своєму складі 2 довгих вуглеводних радикала жирних кислот (неполярна гідрофобна частина молекули) і залишок фосфорної кислоти (полярна гідрофільна «головка» молекули). Крім фосфоліпідів, важливим компонентом мембран є гліколіпіди й холестерин, роль якого особливо велика в плазматичних мембранах. Гліколіпіди нарівні з білками входять до складу іонних каналів, вони є рецепторами деяких класів речовин, що зумовлюють імунологічні властивості клітин, приймають участь у взаємодіях клітин.

ліпіди
периферичні білки
інтегральні білки
Малюнок 1
Білки мембран, як правило, нерозчинні у воді, їх поділяють на 3 групи: структурні, ферментні й рецепторні (що специфічно зв’язують певні речовини). Білково-ліпідні комплекси є основою структури мембран та їх функціональної організації.

Вуглеводи присутні в основному у вигляді гліколіпідів, глікопротеідів і мукополісахаридів. Їх доля складає 2-10% сухої маси плазматичних мембран. У клітинах органоїдів їх може бути значно більше.

Доля води в мембранах може складати 20-35% маси. Мембрани, товщина яких становить 7-8 нм, можна побачити на електронно-мікроскпічних знімках, де вони виглядають трьохшаровими структурами. Мембрани різних клітин і різних органоїдів розрізняються між собою і структурою, і функціонально.

Згідно рідинно-мозаїчої моделі (мал. 1), основу мембрани складає бішар ліпідів, в якому неполярні "хвости" молекул обох шарів звернені один до одного, а гідрофільні "головки" – до оточуючого водяного середовища. Білки, у залежності від їх будови й функцій, розміщуються в мембрані по-різному. Деякі є периферичними, вони адсорбовані на поверхні мембран за рахунок електростатичних сил взаємодії з білками, що занурені в бішар повністю або частково (гідрофільними частинами), і називаються інтегральними. Інші інтегральні білки можуть пронизувати бішар повністю, зберігаючи виступаючі частини, які здатні взаємодіяти з молекулами або іонами оточуючого середовища. До числа інтегральних білків належать білки-переносники, що забезпечують транспорт речовин через мембрану, білки, що вистилають пори й формують іонні канали, деякі ферментні білки, тощо. Форма білкових молекул також може бути різною – від глобулярної до фібрилярної. До складу окремих білкових глобул може входити декілька поліпептидних ланцюжків.

Вуглеводні речовини розміщуються як на поверхні мембран (наприклад, мукополісахариди клітинної стінки), так і входять до складу мембран.

І білки, і ліпіди мембран не є жорстко закріпленими в певних позиціях. Зміна температури, електричного поля, хімічного оточення приводять до змін у структурі білків – конформаційних змін. Крім цього, відбувається обмін молекул як у середині кожного шару мембрани, так і між її шарами. Швидкість цього обміну також не змінюється. Усе це зумовлює велику чутливість мембрани до умов, в яких вона знаходиться.

Така схема будови мембрани добре узгоджується з більшістю експериментальних даних.

В окремих випадках експериментальні дані й рентгеноструктурний аналіз підтверджують справедливість глобулярної моделі. Один з її варіантів – ліпідні глобули, оточені білками, які забезпечують структурну стабільність мембрани – нині спростовується експериментальними даними. Другий варіант – білкові глобули, розміщені двома шарами, а порожнини між ними заповнені фосфоліпідами, полярні «головки» яких звернені в бік оточуючого середовища. Така структура, можливо, реалізована в мітохондріальних мембранах.

Біологічні мембрани виконують цілий ряд функцій.

1. Структурна функція. Зовнішня мембрана клітини відділяє її вміст від оточуючого середовища, визначає її форму. Оболонки органоїдів розділяють вміст різних зон клітини, забезпечують їх різний склад і, відповідно, різні біохімічні реакції в них.

2. Захисна функція. Якщо цитоплазматична мембрана захищає вміст клітин від небажаних впливів оточуючого середовища, то мембрани органоїдів виконують аналогічну функцію у відношенні до власного вмісту. Наприклад, мембрани лізосом захищають клітину від її ж літичних ферментів, яких достатньо, щоб викликати повний аутоліз (саморозпадання) клітин.

3. Транспортна функція. Здійснюється вона за рахунок наявності пор, каналів і білків-переносників. Транспорт речовин по цих структурах здійснюється вибірково й залежить від виду та складу речовин. Пори й канали мають малий діаметр (менше 1 нм), вислані білками, полярні групування яких взаємодіють з проникаючими в пори речовинами, сприяють або, навпаки, перешкоджають їх перенесенню. Гідрофобні групи взаємодіють з ліпідами мембрани. Проникливість мембрани може змінюватися в залежності від стану клітини.

4. На мембранах зосереджена більша частина ферментів клітини. Цим мембрани організовують біохімічні реакції, у тому числі й багатоетапні. Вони забезпечують суворо визначену направленість реакцій за рахунок визначеної послідовності в розміщенні ферментів. Яскравим прикладом є дихальні ланцюжки мітохондрій.

5. Електрогенна функція. Полягає в тому, що зовнішня мембрана клітин завдяки наявності АТФ-аз – переносників іонів створює різницю концентрацій K+, Na+, Ca+ і Cl між цитоплазмою та міжклітинним середовищем. Різна проникливість мембрани для цих та інших іонів призводить до появи надлишкового від’ємного заряду в середині клітини за рахунок дифузії іонів К+ в оточуюче середовище (і, відповідно, різниці потенціалів між внутрішньою та зовнішньою сторонами мембрани). АТФ-аза (аденозинтрифосфатаза) – загальна назва білків, що розкладають АТФ на АДФ і фосфат. Внаслідок цього виділяється енергія, яка використовується для здійснення ендотермічних реакцій.

6. Мембрани створюють адгезію – зчеплення клітин. Ця властивість зумовлює існування багатоклітинних організмів. Адгезія відбувається, незважаючи на наявність одноіменного заряду клітин.

Основні механізми адгезії:

а) механічна взаємодія – зчеплення виступаючих ділянок мембран;

б) "склеювання" мембран з участю органічних солей кальцію, які взаємодіють з карбоксильними групами білків і фосфатними групами ліпідів;

в) взаємодія білків, що покривають мембрану, утворення пептидних зв’язків.

7. Мембрани виконують рецепторну функцію. На мембранах знаходяться рецепторні білки чи комплекси, які сприймають вплив оточуючого середовища (наприклад, взаємодіють з гормонами чи медіаторами) і, відповідно, міняють метаболізм клітини.

8. Антигенна функція. Полягає в тому, що на клітинній мембрані знаходяться білкові структури, що характерні для клітин даної тканини організму. Ці структури призначені для взаємного «пізнавання» клітин. Завдяки їх наявності можливе здійснення імунного захисту організму.

Розглянемо більш детально одну із основних функцій біологічних мембран – транспортну. Це поняття включає в себе не тільки транспорт поживних речовин і продуктів обміну, але й процеси підтримання оптимального осмотичного тиску в клітині й міжклітинній рідині, утворення та регуляцію хімічних й електрохімічних градієнтів тощо.

Механізми транспорту речовин через мембрану діляться на два типи: пасивний та активний транспорт.

Пасивний транспорт – такий, що відбувається за рахунок наявності різних градієнтів: градієнта концентрації, градієнта тиску або електрохімічного градієнта. До пасивного транспорту відносять: фільтрацію, дифузію, осмос, електроосмос, аномальний осмос, полегшена дифузія, обмінна дифузія та сумісне перенесення.

Фільтрація – масовий потік рідини через мембрану, що здійснюється внаслідок різниці гідростатичних тисків.

Дифузія – рух молекул розчиненої речовини з області з більшою в область з меншою його концентрацією. Так відбувається транспорт електронейтральних молекул з молекулярною масою до 100-150. При цьому полярні молекули (H2O, сечовина та інші) проходять через полярні області мембрани, неполярні молекули (азоту, кисню, наркозні речовини) – безпосередньо через ліпідний бішар, розчиняючись у ньому. Заряджені частинки – іони можуть проникати через іонні канали – білкові структури, в яких є зони, проникні для іонів певного типу. Проникливість каналів може змінюватись у залежності від умов.

Осмос – рух розчинника (води) із області з меншою концентрацію в область з більшою концентрацією. По суті, це дифузія розчинника. Виникає осмос в системах, де розчини розділені мембранами, непроникними для розчинених речовин і колоідів. Різниця тисків між розчинами по обидва боки мембрани, необхідна для припинення осмосу, називається осмотичним тиском.

Електроосмос – рух молекул розчинника в електричному полі, якщо молекули розчинника заряджені, або внаслідок осмосу, що супроводжує рух розчинених заряджених частин.

Аномальний осмос відбувається при наявності й концентраційного градієнта, і сприятливих умов для електроосмосу. Якщо градієнт заважає осмосу, й рух молекул розчинника йде по електричному градієнту проти концентраційного, то спостерігається від’ємний аномальний осмос. Якщо ж електричний градієнт тільки знижує швидкість переносу по концентраційному градієнту або навіть збільшує його, то кажуть про позитивний аномальний осмос.

Багато речовин переносяться через клітинні мембрани зі швидкістю більшою, ніж це можливо при звичайній дифузії. Таке транспортування відбувається за допомогою білків-переносників.

Полегшена дифузія здійснюється білком, який зв’язується з речовиною, що переноситься на одній стороні мембрани й переносячи її на другу, звільняє. Так переноситься глюкоза в еритроцитах. Часто переносники здатні зв’язувати не одну речовину, а цілу групу близьких сполук (крім глюкози, інші цукри).

Обмінна дифузія спостерігається, якщо білок-переносник здатний в одному напрямку переносити одну речовину, а в зворотному – другу, до того ж ці процесі взаємозв’язані. Так переносяться аніони в еритроцитах; так відбувається обмін АТФ і АДФ між цитоплазмою й матриксом мітохондрій.

Сумісне перенесення відбувається тоді, коли для транспорту необхідна наявність двох речовин одночасно. Так, у багатьох клітинах (у тому числі в епітеліоцитах тонкого кишечнику) перенесення цукрів й амінокислот здійснюється одночасно з іонами натрію по градієнту концентрації натрію.

Активний транспорт речовин відбувається за рахунок енергії метаболічних процесів. Джерелом енергії є макроергічні фосфати, такі, як АТФ. Активний траспорт поділяється на несполучений та сполучений активний траспорти.

Несполучений активний транспорт. Його прикладом може бути виведення Ca2+ з цитоплазми м’язових клітин в оточуюче середовище або в саркоплазматичний ретикулум. Здійснюється він кальцій-залежною аденозинтрифосфатазою, яка розчеплює АТФ, одночасно переносячи іони за рахунок енергії, яка звільнилася.

Сполучений активний транспорт відбувається так само, тільки переносяться речовини двох видів у протилежних напрямках при одному циклі ферменту. Прикладом є натрій-калієвий насос, іон Na на внутрішній стороні мембрани з’єднується з молекулою переносника, утворюючи комплекс іон-переносник (за участю фосфата й АТФ). Цей комплекс переміщується на зовнішню сторону мембрани й там розпадається. Із зовнішньої сторони зв’язується K+ і переноситься в середину клітини.

Насоси такого типу можуть переносити іони в пропорції 1:1. У такому випадку формуються тільки градієнти концентрації іонів. Якщо іони переносяться порівно, то насос бере участь у формуванні мембранного потенціалу. Такі насоси називаються електрогенними. Наприклад, Na+: K+ обмін може відбуватися в пропорції 3:2.

Протонний насос діє у внутрішній мембрані мітохондрій. Енергія для нього постачається дихальними ферментами.

Особливими видами транспорту через мембрану є ендоцитоз й екзоцитоз. Ендоцитоз ділять на 2 види: фагоцитоз (поглинання клітиною великих частин, які видно в оптичний мікроскоп) і піноцитоз (поглинання молекул і молекулярних комплексів разом з середовищем, в якому вони розчинені чи суспензовані).

При фагоцитозі утворюються псевдоподії, що повністю оточують частинку. Одержана при цьому вакуоль потім закривається й переміщується в середину клітини. Там з допомогою лізосомних ферментів чи активних речовин (H2O2, O2 – супероксид-аніон-радикал) фагоцитована частинка руйнується. Процес характерний для нейтрофілів і макрофагів.

При піноцитозі в місцях контакту мембрани з поглинаючою речовиною спостерігається втягуванння цитоплазматичної мембрани всередину клітини, при цьому краї утвореної вакуолі з’єднуються. Вміст такої вакуолі може бути гідролізований ферментами лізосом, але може бути й виведений у такому незмінному вигляді в міжклітинний простір у другій частині клітини. Так переносяться білки плазми крові через мембрани клітини ендотелію.

Екзоцитоз – процес, зворотній піноцитозу. При ньому вакуоль переміщується в напрямку до цитоплазматичної мембрани; мембрани вакуолі і клітини звиваються, вміст вакуолі виділяється в міжклітинне середовище.




Дата добавления: 2015-01-30; просмотров: 38 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав




lektsii.net - Лекции.Нет - 2014-2024 год. (0.011 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав