Студопедия  
Главная страница | Контакты | Случайная страница

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Структура мембран

Читайте также:
  1. A) Самопроизвольный перенос вещества через мембрану за счет энергии сконцентрированной в каком-либо градиенте.
  2. A. эластических мембран
  3. APQC структура классификации процессов SM
  4. Cеминар 10 СТРУКТУРА СОЦИАЛЬНОЙ ВЛАСТИ(1)
  5. I. Строение мембран.
  6. I. СТРУКТУРА КУРСОВОЙ РАБОТЫ
  7. I. Структура урока изучения нового материала.
  8. II. Структура
  9. II. Структура и функции управления общественными отношениями.
  10. II. Структура курсовой работы

 

Первая модель строения биологических мембран была предложена в 1902 году. Овертон заметил, что через мембраны лучше всего проникают вещества, хорошо растворимые в липидах, и на основании этого предположил, что биологические мембраны состоят из тонкого слоя фосфолипидов. На самом деле, на поверхности раздела полярной и неполярной сред (например, воды и воздуха) молекулы фосфолипидов образуют мономолекулярный (одномолекулярный) слой. Их полярные "головы" погружены в полярную среду, а неполярные "хвосты" ориентированы в сторону неполярной среды. Поэтому можно было предположить, что биологические мембраны построены из монослоя липидов.

В 1925 году Гортер и Грендел показали, что площадь монослоя липидов, экстрагированных из мембран эритроцитов, в два раза больше суммарной площади эритроцитов. Гортер и Грендел экстрагировали липиды из гемолизированных эритроцитов ацетоном, затем выпаривали раствор на поверхности воды и измеряли площадь образовавшейся мономолекулярной пленки липидов. На основе результатов этих исследований было сделано предположение, что липиды в мембране располагаются в виде бимолекулярного слоя. Это предположение подтвердили исследования электрических параметров биологических мембран (Коул и Кёртис, 1935 год): высокое электрическое сопротивление ї 107 Ом " м2 и большая электроемкость ї 0,5 " 10- 2 Ф/м2.

Биологическую мембрану можно рассматривать как электрический конденсатор. Проводниковые пластины конденсатора образуют электролиты наружного и внутреннего растворов (внеклеточного и цитоплазмы). Проводники разделены липидным бислоем. Липиды - диэлектрики с диэлектрической проницаемостью e ї 2. Емкость плоского конденсатора, где электрическая постоянная e0 ї 8,85 " 10- 12 Ф/м, S - площадь, l - расстояние между пластинами конденсатора. Удельная емкость на единицу площади. Отсюда можно найти расстояние между пластинами конденсатора, соответствующее в нашем случае толщине липидной части мембраны:. Это как раз соответствует по порядку величины толщине неполярной части двухмолекулярного слоя липидов, сложенного определенным образом.

Вместе с тем имелись экспериментальные данные, которые свидетельствовали о том, что биологическая мембрана содержит в своем составе и белковые молекулы. Например, при измерении поверхностного натяжения клеточных мембран было обнаружено, что измеренные значения коэффициента поверхностного натяжения существенно ближе к коэффициенту поверхностного натяжения на границе раздела белок-вода (около 0,1 дин/см), нежели на границе раздела липид-вода (около 10 дин/см). Исследования дифракции рентгеновских лучей подтвердили относительно упорядоченное расположение липидных молекул в мембране (было показано существование двойного молекулярного слоя с более или менее параллельно расположенными жирнокислотными хвостами), дали возможность точно определить расстояние между полярной головой липидной молекулы и метильной группой в конце углеводородной цепи.

Наиболее впечатляющие результаты были получены в электронно-микроскопических исследованиях. Как известно, световой микроскоп не позволяет рассмотреть детали объекта меньше примерно половины длины волны света (около 200 нм). В световом микроскопе можно разглядеть отдельные клетки, однако он совершенно не пригоден для изучения биологических мембран, толщина которых в 20 раз меньше предела разрешения светового микроскопа. Разрешающая способность микроскопа ограничена явлением дифракции. Поэтому, чем меньше длина волны по сравнению с деталями исследуемого объекта, тем меньше искажения. Предел разрешения Z пропорционален длине волны l.

Электронам, разогнанным до больших скоростей, тоже присущи волновые свойства, в том числе явление дифракции, однако при достаточно больших скоростях длина волны де Бройля достаточно мала и соответственно мал предел разрешения электронного микроскопа. У электронов, ускоренных в электрическом поле с напряжением U = 105 B, скорость м/с (e - заряд электрона, m - масса электрона), а длина волны l ї 0,005 нм. Однако из-за некоторых конструктивных особенностей электронного микроскопа его предел разрешения Z составляет не тысячные доли нанометров, а около одной десятой нанометра (Z ї 0,1 нм), что, однако, уже позволяет рассмотреть отдельные детали строения биологических мембран.

К методам изучения динамики мембран, дающим возможность исследовать их, не разрушая, относятся флюоресцентный метод и методы радиоспектроскопии - электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Эти методы дают сведения о движении и взаимодействии мембранных молекул и отдельных частей молекулы. Было выяснено, что при физиологических условиях липидные молекулы находятся в жидком агрегатном состоянии. Метод ЭПР показал, что не вся поверхность биологической мембраны покрыта белками. Так, например, больше половины поверхности мембраны кишечной палочки образована полярными головами липидов.

Жидкостно-мозаичная модель строения мембраны в настоящее время общепринята. Однако, как всякая модель, она дает довольно упрощенную и схематическую картину строения мембраны. В частности, обнаружено, что белковые "айсберги" не всегда свободно плавают в липидном море, а могут быть "заякорены" на внутренние (цитоплазматические) структуры клетки. К таким структурам относятся микрофиламенты и микротрубочки. Микротрубочки - полые цилиндры диаметром около 300 нм из особого белка тубулина играют, по-видимому, важную роль в функционировании клетки.

 

Модельные липидные мембраны

Плоские бислойные фосфолипидные мембраны (БЛМ) - тип модельных мембран. Такие мембраны получают на маленьких отверстиях диаметром около 1 мм, в пластинке из пластика (например, фторопласта), погруженной в водную среду. На отверстие наносят каплю раствора липида (в спирте, хлороформе, гептане или других растворителях). Растворитель диффундирует из раствора в воду и на отверстии остается пленка липида. Эта пленка спонтанно утончается до тех пор, пока не образуется бимолекулярный слой толщиной около 6 нм. Лишний липид собирается в виде ободка - торуса у краев отверстия Плоские липидные мембраны, наряду с липосомами, широко используются в качестве моделей для изучения электрических свойств мембраны, их проницаемости для различных веществ и для других научных исследований. Модельные мембраны моделируют ряд функций биологических мембран, в том числе барьерную: например, селективность проницаемости - хорошую проницаемость для воды, плохую для ионов. Можно моделировать регулируемый транспорт, воздействуя на модельную мембрану белками - ионофорами [3, 4], изменением температуры, химического состава окружающей среды, электрическим полем [5]. Можно при этом наблюдать изменение ионной проницаемости модельных мембран.

Как показано физическими методами исследования - дилатометрией (измерением коэффициента объемного расширения) и калориметрией (измерением теплоемкости), рентгеноструктурного анализа и др. - липидная часть биологических мембран при определенных температурах испытывает фазовый переход первого рода. Согласно данным рентгеноструктурного анализа, радиоспектроскопии, флюоресцентного анализа, инфракрасной спектроскопии и других физических исследований в фосфолипидной мембране при понижении температуры происходит переход из жидкокристаллического в гель-состояние, которое условно иногда называют твердокристаллическим В гель-состоянии молекулы расположены еще более упорядочено, чем в жидкокристаллическом. Все гидрофобные углеводородные хвосты фосфолипидных молекул в гель-фазе полностью вытянуты строго параллельно друг другу (имеют полностью трансконформацию). В жидком кристалле за счет теплового движения возможны структурные переходы: хвосты молекул изгибаются, их параллельность друг другу в отдельных местах нарушается, особенно сильно в середине мембраны. Толщина мембраны поэтому в гель-фазе больше, чем в жидком кристалле (см. рис. 2). Однако при переходе из твердого в жидко-кристаллическое состояние, объем несколько увеличивается, потому что значительно увеличивается площадь мембраны, приходящаяся на одну молекулу (от 0,48 нм2 до 0,58 нм2)

Для нормального функционирования мембрана должна быть в жидкокристаллическом состоянии. Поэтому в живых системах при продолжительном понижении температуры окружающей среды наблюдается адаптационное изменение химического состава мембран, обеспечивающее понижение температуры фазового перехода. Температура фазового перехода Тф. п. понижается при увеличении числа ненасыщенных связей в жирно-кислотных хвостах. В хвосте молекулы может быть до четырех ненасыщенных связей.

 

ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ

Потенциалом действия называется электрический импульс, обусловленный изменением ионной проницаемости мембраны и связанный с распространением по нервам и мышцам волны возбуждения. Опыты по исследованию потенциала действия проведены (в основном А. Ходжкиным и его сотрудниками) на гигантских аксонах кальмара методом микроэлектродов с использованием высокоомных измерителей напряжения, а также методом меченых атомов. На рис. 3а показана схема опытов.

В опытах по исследованию потенциала действия использовали два микроэлектрода, введенных в аксон. На первый микроэлектрод подавали импульс от генератора прямоугольных импульсов, меняющий мембранный потенциал jм. Мембранный потенциал измеряли при помощи второго микроэлектрода, высокоомного регистратора напряжения (рис. 3а). На рис. 3б показана (V) амплитуда прямоугольного импульса от генератора.

Возбуждающий импульс вызывает лишь на короткое время смещение мембранного потенциала, которое быстро пропадает, после чего восстанавливается потенциал покоя в том случае, когда возбуждающий импульс отрицательный. Также не формируется потенциал действия, когда возбуждающий импульс положительный (деполяризующий), но его амплитуда V меньше порогового значения V пор. Однако, если амплитуда положительного, деполяризующего импульса окажется больше V пор, в мембране развивается процесс, в результате которого происходит резкое повышение мембранного потенциала, и мембранный потенциал jм даже меняет свой знак, становится положительным Достигнув некоторого максимального значения - потенциала реверсии, - мембранный потенциал возвращается к значению потенциала покоя, совершив около этого значения нечто вроде затухающего колебания. В нервных волокнах и скелетных мышцах длительность потенциала действия около 1 миллисекунды (а в сердечной мышце около 300 мс). После снятия возбуждения еще в течение 1 - 3 мс в мембране наблюдаются некоторые остаточные явления, во время которых мембрана рефрактерна (невозбудима).

Новый деполяризующий потенциал V > V пор может вызвать образование нового потенциала действия только после полного возвращения мембраны в состояние покоя. Причем амплитуда потенциала действия не зависит от амплитуды деполяризующего потенциала. Если в покое мембрана поляризована, потенциал цитоплазмы отрицателен по отношению к внеклеточной среде; при возбуждении происходит деполяризация мембраны, потенциал внутри клетки положителен и после снятия возбуждения происходит реполяризация (восстановление поляризации) мембраны

Характерные свойства потенциала действия

 

1) наличие порогового значения мембранного потенциала; 2) закон "все или ничего", то есть, если деполяризующий потенциал больше порогового, развивается потенциал действия, амплитуда которого не зависит от амплитуды возбуждающего импульса и нет потенциала действия, если амплитуда деполяризующего потенциала меньше пороговой; 3) есть период рефрактерности (невозбудимости мембраны) во время развития потенциала действия и остаточных явлений после снятия возбуждения; 4) в момент возбуждения резко уменьшается сопротивление мембраны (у аксона кальмара в 500 раз).

Каждый ионный ток Ii (см. рис. 4а) определяется разностью мембранного потенциала jм и равновесного нернстовского потенциала, создаваемого диффузией ионов (i) данного типа:

где gi = 1/ Ri - проводимость (величина, обратная сопротивлению элемента мембраны для ионов данного типа).

На эквивалентной электрической схеме элемента мембраны равновесные потенциалы Нернста моделируются источниками напряжений с электродвижущими силами, а проводимость элемента мембраны для разных ионов моделируется резисторами. Формирование потенциала действия вызывается ионными токами: сначала ионов натрия внутрь клетки, а затем ионов калия в наружный раствор.

АВТОВОЛНЫ В АКТИВНО-ВОЗБУДИМЫХ СРЕДАХ (АВС)

 

При распространении волны в активно-возбудимых средах не происходит переноса энергии. Энергия не переносится, а освобождается, когда до участка АВС доходит возбуждение. Можно провести аналогию с серией взрывов зарядов, заложенных на некотором расстоянии друг от друга (например, при тушении лесных пожаров, строительстве, мелиоративных работах), когда взрыв одного заряда вызывает взрыв рядом расположенного и так далее. Лесной пожар также является примером распространения волны в активно- возбудимой среде. Пламя распространяется по области с распределенными запасами энергии - деревья, валежник, сухой мох.

Основные свойства волн, распространяющихся в активно-возбудимых средах (АВС)

 

Волна возбуждения распространяется в АВС без затухания; прохождение волны возбуждения связано с рефрактерностью - невозбудимостью среды в течение некоторого промежутка времени (периода рефрактерности).

Так, в возбудимых тканях образование потенциала действия связано с периодом рефрактерности (R) - периодом невозбудимости клеток в течение времени возбуждения t и еще некоторого времени R - t t-модель распространения возбуждения

В основу t-модели положены следующие основные утверждения

1) Каждый элемент активно-возбудимой среды (АВС) может находиться в одном из трех состояний: а) возбуждения - t, возбужденный элемент АВС может возбудить соседний элемент, находящийся в состоянии покоя; б) остаточной рефрактерности, в течение времени R-t после возбуждения среда остается невозбудимой - рефрактерной ("рефрактерный хвост"), в этом состоянии элемент АВС уже не может передать возбуждение соседнему элементу, но и сам еще остается невозбудимым; и в) покоя, из состояния покоя в состояние возбуждения элемент АВС может быть переведен либо внешним воздействием, либо воздействием соседних возбужденных элементов;

2) волна возбуждения от соседних возбужденных элементов распространяется только по области покоящихся элементов АВС с постоянной для этой среды скоростью u 3) величина l = R u называется длиной волны возбуждения (длина волны Винера), она определяет ширину невозбудимого участка АВС - зоны рефрактерности.

На рис. 5 зона возбуждения выделена красным цветом. Зона, выделенная синим цветом - зона, в которой элементы АВС остаются рефрактерными и по ним не может передаваться возбуждение ("рефрактерный хвост"). Зона покоя - белый цвет.

Из основных свойств волн, распространяющихся в активно-возбудимой среде, следует, что они не могут интерферировать. Две встречных волны гасят друг друга (рис. 6). Это объясняется тем, что возбуждение связано с рефрактерностью АВС в течение некоторого времени.

Аналогично гасят друг друга два встречных лесных пожара. Позади огненного фронта остается выжженная земля, зона рефрактерности, лишенная источников энергии.

Автоволновые процессы возникают в средах, неоднородных по рефрактерности, когда в разных участках среды разные периоды рефрактерности.

Возникновение циркуляции возбуждения

в кольце АВС

 

Первыми попытками объяснить сердечные аритмии и фибрилляцию были построения моделей возникновения циркулирующих волн в кольце АВС.Если кольцо АВС однородно по рефрактерности, то есть каждый элемент АВС имеет одинаковую рефрактерность, две волны возбуждения, идущие по кольцу от источника возбуждения А навстречу друг другу, гасят друг друга в точке В. Иначе будет, если в кольце АВС имеется участок СД, период рефрактерности элементов которого, больше, чем период рефрактерности остальной среды. В этом случае может возникнуть циркуляция возбуждения в кольце. Это произойдет, если в точке А внешнее воздействие создает подряд два возбуждения. Причем вторая волна возникает через время, меньшее, чем период рефрактерности участка СД. Тогда волна 2, идущая влево, может дойти до участка СД к моменту времени, когда он еще остается рефрактерным, и гасится. Остается одна волна 2, идущая вправо. Если она дойдет до участка СД через время, за которое он успеет прийти в состояние покоя, волна 2 пройдет дальше и в кольце так и будет продолжаться незатухающий процесс - циркуляция возбуждения. Условия возникновения циркуляции: время между посылкой двух импульсов возбуждения должно быть меньше периода рефрактерности участка СД; длина окружности кольца должна быть больше длины волны возбуждения.

Автоволновыми процессами, возникающими вследствие циркуляций волн возбуждения вокруг отверстий, образуемых в сердце полыми венами, можно объяснить аритмические сокращения предсердий.




Дата добавления: 2015-05-05; просмотров: 15 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Три основных функции биологических мембран.| ЗАКЛЮЧЕНИЕ

lektsii.net - Лекции.Нет - 2014-2024 год. (0.009 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав