Рабочие листы
к вашим урокам
Скачать
1 слайд
2 слайд
Лекция 5
Биологические мембраны; Биоэлектрогенез
Ростов-на-Дону
2012
3 слайд
Содержание лекции №5
Биологические мембраны и их физические свойства.
Уравнения простой диффузии и электродиффузии. Уравнение Фика. Уравнение Нернста-Планка.
Виды пассивного транспорта.
Понятие об активном транспорте ионов через биологические мембраны.
Потенциал покоя и потенциал действия
4 слайд
и их физические свойства
Биологические мембраны
В каждой клетке есть плазматическая мембрана, которая ограничивает содержимое клетки от наружной среды, и внутренние мембраны, которые формируют различные органоиды
клетки:
митохондрии,
Что есть мозг клетки?
Клетка- мельчайшая структурная единица живого организма
лизосомы
и т.п.
5 слайд
Она состоит из органических молекул, которая имеет толщину 6-10 нм и видима только посредством электронного микроскопа.
Биологическая мембрана (БМ) – это клеточная граница, которой свойственна полупроницаемость.
БМ –это глико – липо - протеидный комплекс
Как понимать полупроницаемость?
Что она дает?
Схема строения клетки , реконструированная по данным электронной микроскопии.
ВОПРОС:
6 слайд
Через биологическую мембрану происходит обмен:
вещество
энергия
клетка
окружающая среда
in
out
БМ – это кожа клетки
in
Клеточные сообщества существуют только благодаря передаче информации от клетки к клетке. Если информационные процессы угнетены
онкозаболевания организм нажимает кнопку на самоуничтожение.
информация
7 слайд
Общие
Механическая
Барьерная
Матричная
Специфические
Транспортная
Рецепторная
Генерация
БП
Принимает участие в
информационных
процессах в живой
клетке
Функции биологических мембран
8 слайд
Структура биологических мембран
БМ = липиды + белки
40%
20-80%
+углеводы
9 слайд
Из липидной части наиболее важны для структуры фосфолипиды.
Основа фосфолипида – трехатомный
глицерин. К нему присоединяются жирные кислоты.
0,8 нм
1/4
3/4
Полярная часть, где фосфатная группа. «Любит воду». Гидрофильная часть.
Гидрофобная часть. «Хвосты» не любят взаимодействовать с водой.
Физико-химическое свойство фосфолипидов – амфофильность.
Насыщенная жирная кислота
Ненасыщенная жирная кислота
10 слайд
В воде молекулы фосфолипидов автоматически собираются в бислой (bilayer)
Бислой – это
каркас для БМ
Самосборка
Самовосстановление
11 слайд
Мембранные белки (большие глобулы).
На 1 молекулу белка приходится 80-90 молекул фосфилипидов.
Электростатические
взаимодействия
Периферические
Гидрофильные
Пример: ферменты, рецепторы
Собственные
= интегральные
Гидрофобные
Пример:
Схема расположения молекулы родопсина в биологической мембране (α – спираль, пронизывающая 7 раз фосфолипидный каркас)
12 слайд
Интегральные белки
Периферические белки
Какие белки легче удалить? А для каких нужен детергент?
13 слайд
Схематическое строение БМ
Поверхностные белки
толщина мембраны
Липидный бислой
Интегральные белки
14 слайд
Различные формы молекулярного движения в БМ
Вращение
Латеральная
диффузия
Трансмембранная
Диффузия =
Перемещение молекул в пределах одной стороны бислоя.
ФЛИП-ФЛОП= перемещение молекул поперек БМ.
Один раз в 2 недели.
В 109 медленнее
15 слайд
Физические свойства БМ
Текучесть ≈ const
Жидкокристаллическая
структура
С = 1 мкФ/см2
БМ - конденсатор
Электросопротивление
105 Ом/см2
гораздо больше, чем у
технических изоляторов
Поверхностный заряд
Отрицательный.
Препятствует слипанию
клеток крови
εлипидов = 2,2
Плотность липидного
бислоя 800 кг/м3 .
Меньше, чем у H2O
Вязкость
η = 100 мПа٠с
(оливковое масло)
Модуль упругости
Е=109 Па
16 слайд
1. Жидкокристаллическая структура
Кристалл
твердый
жидкий
17 слайд
Жидкокристаллическая структура (ЖК)
транспорт
скелет
Фазовый переход при температуре 370 С
Обусловлена необычайно высокой подвижностью мембранных компонентов.
Жидкий кристалл Твердый кристалл
Мембрана сохраняется в ЖК состоянии благодаря температуре клетки и химическому составу жирных кислот.
2. Текучесть ≈ const
18 слайд
3. Вязкость
БМ как ЖК структура характеризуется определенной вязкостью.
η = 100 мПа٠с
(оливковое масло)
На вязкость клеточных мембран влияет содержание в них холестерина.
При повышении содержания холестерина
вязкость . Исчезают
транспортные свойства.
Как влияет?
Бляшки холестерина
в артериях
19 слайд
4. Поверхностный заряд на мембране.
Продуктивность клетки, т.е. ее энергия является измеряемой величиной. Здоровая клетка обладает напряжением 70-90 мВ.
В зависимости от здоровья, напряжение снижается до 20-30 мВ В связи с этим мы чувствуем усталость и изнуренность.
Вся патология на мембранном уровне!
20 слайд
Уменьшение вязкости БМ – причина разжижжения БМ при злокачественных опухолях – при лейкозе.
Вязкость меняется при многих заболеваниях, под действием ионизирующего Э/М излучения , ряда фармпрепаратов.
Вязкость БМ уменьшается при тиреотоксикозе,
а также под действием наркотических веществ, например, хлороформа.
21 слайд
Две стороны мембраны, наружная и внутренняя, различаются и по составу и по функциям.
Эта структурная асимметрия мембран приводит к векторной направленности процессов переноса.
Академик Владимиров Ю.А.
22 слайд
Пассивный транспорт – это перенос веществ через биологическую мембрану без затраты энергии.
Транспорт «под горку»- down hill
Диффузия молекул
Электродиффузия ионов
Уравнение
ФИКА
Уравнение НЕРНСТА -ПЛАНКА
ВИДЫ ПАССИВНОГО ТРАНСПОРТА
23 слайд
Диффузия –это самопроизвольный процесс проникновения массы вещества из области большей концентрации в область с меньшей концентрацией в результате теплового хаотичного движения молекул.
Параметры диффузии
ПЛОТНОСТЬ
ПОТОКА
ВЕЩЕСТВА:
[моль/м2٠с]
I=
in
out
Уравнения простой диффузии и электродиффузии
Плотность потока
вещества – это количество вещества в единицу времени через единицу площади.
24 слайд
Математическое описание процесса диффузии дал физиолог Фик в 1855 г.
Уравнение Фика является основой конструирования ряда биотехнических систем, например, в аппаратах:
«Искусственная
почка»
Экстракорпорального кровообращения
25 слайд
Уравнение Фика
описывает пассивный транспорт неэлектролитов
C out
C in
C out
C in
in
out
Плотность потока вещества через биологическую мембрану прямо пропорциональна градиенту концентрации
in
D – коэффициент диффузии [м2/с]
26 слайд
Коэффициент диффузии D зависит от природы вещества и температуры и характеризует способность вещества к диффузии.
U=Um NA
U= v/F
D=UmRT
Где - подвижность диффундирующих молекул, выраженная для моля.
Um
Так как
grad C определить трудно, то для описания диффузии веществ через мембрану используют более простое уравнение.
NA
-число Авогадро
R- универсальная газовая постоянная
Т – термодинамическая температура
27 слайд
Уравнение диффузии для мембраны
Где Р- коэффициент проницаемости
in
out
C in
C out
Это более простое уравнение предложено Коллендером и Берлундом.
Плотность потока вещества через биологическую мембрану прямо пропорциональна разности концентраций внутри и снаружи клетки.
[м/с]
in
28 слайд
Коэффициент проницаемости
C out
C in
где l – толщина БМ
D- коэффициент диффузии
К- коэффициент распределения между липидной и водной фазами.
Р – зависит от температуры, природы вещества, от свойств БМ, ее функционального состояния.
Нет проницаемости мембраны вообще, а есть разная проницаемость БМ для тех или иных веществ.
29 слайд
Уравнения электродиффузии
Перенос ионов
зависит
от двух градиентов
градиента концентрации
grad C
электрического градиента
grad φ.
grad μ
μ
30 слайд
Уравнение Нернста – Планка
Уравнение Нернста – Планка описывает пассивный транспорт ионов
Z – валентность иона
F = 96500 Кл/моль – число Фарадея
C – молярная концентрация
Um – подвижность ионов для моля
31 слайд
Разновидности пассивного транспорта
Простая физическая диффузия (O2, CO2, N2, яды, лекарства).
Через белок-канал (ионы).
Облегченная диффузия
(с носителем).
(АК,моносахариды, глюкоза)
32 слайд
Виды транспорта с носителем
Существуют системы переносчиков, которые
способны транспортировать более одного вещества
μ
33 слайд
out
Понятие об активном транспорте ионов через биологические мембраны
C2=С1
in
C1
Up hill- в горку
Активный транспорт – это перенос веществ (ионов) через БМ, связанный с затратой химической энергии (энергия метаболизма) из области МЕНЬШЕГО ! электрохимического потенциала в область большего электрохимического потенциала.
ВОПРОС: Что будет через некоторое время, если пассивный транспорт?
C1
C2
<
Активный транспорт?
in
C2<
<
C1
34 слайд
Компоненты систем активного транспорта
Источник свободной энергии
Переносчик данного вещества
Сопрягающий фактор (Регуляторный фактор) – это различные транспортные АТФ-азы, локализованные в клеточных мембранах.
Необходимость энергетического обеспечения.
Специфичность – каждая система обеспечивает перенос одного вещества.
Для чего необходима система активного транспорта?
Для поддержания градиентов.
Свойства систем активного транспорта
пространственная быстрота изменения какой-либо физической величины.
( от лат.- шагающий)
35 слайд
Активный транспорт
μ
36 слайд
Существует несколько систем активного транспорта в плазматической мембране
(ионные насосы):
Натрий – калиевый насос
Кальциевый насос
Протонная помпа
37 слайд
Na+ K+ насос
К+
Na+
2К+
3Na+
Отвечает за нервное возбуждение
НА
ТРИ
Й
3 Na+ наружу в
межклеточную жидкость,
2K+ внутрь клетки
Натрий - калиевая
АТФ-аза
Na+
К+
АТФ-аза
электрогенна
Na+
К+
Натрий
38 слайд
Ca2+ - насос
Отвечает за расслабление.
Ca2+АТФ-аза
Неэлектрогенна.
2Ca2+ наружу
в органеллы
10-3М
10-7М
Низкая концентрация Ca2+ в сердечной мышце, и она расслаблена. А если концентрация кальция , то мышца сокращается.
39 слайд
H+ ATФ-аза
Протонная помпа
2H+
Отвечает за энергетику клетки.
Перенос пары электронов по дыхательной цепи приводит к переносу двух протонов через БМ.
40 слайд
Биоэлектрические потенциалы
Это разность потенциалов между двумя точками живой ткани, определяющая ее биоэлектрическую активность.
Вопрос о происхождении биопотенциалов очень сложен, и в настоящее время не существует теории, которая бы полностью все объясняла.
БП
Мембранная природа
окислительно-восстановительные
вследствие переноса электронов от одних молекул к другим.
БП, регистрируемые в организме, в основном, мембранные.
41 слайд
Генерация БП и его передача – одна из важнейших функций биомембран.
Генерация БП лежит в основе возбудимости клеток, регуляции внутриклеточных процессов, регуляции мышечного сокращения, работы нервной системы.
Нарушения электрических процессов в клетках приводят к ряду серьезных патологий.
На исследовании электрических полей, созданных биопотенциалами тканей и органов, основаны диагностические методы: электрокардиография, электроэнцефалография и др.
42 слайд
Мембранный потенциал (φм) = трансмембранный потенциал – это разность потенциалов между внутренней ! и наружной поверхностями мембраны
φМ = φi – φo
Ионная природа φм
1. С - различно
2. Р- различно
φi
φo
БМ
in
out
C in
C out
Неодинаковая концентрация ионов по обе стороны мембраны
Неодинаковая проницаемость мембраны для анионов и катионов
Проницаемость мембран для ионов
43 слайд
Это уравнение для стационарного мембранного потенциала, при котором суммарный ток ионов через мембрану равен нулю.
R- универсальная газовая постоянная,
Р- проницаемость мембраны, Z – валентность,
Т – термодинамическая температура,
F–число Фарадея 96500 Кл/моль,
ПП
ПД
Модель стационарного мембранного потенциала
Уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца
Гольдмана-Ходжкина-Катца
44 слайд
Микроэлектрод: Стеклянная пипетка с оттянутым кончиком диаметром 0,5 мкм. Внутри серебряная проволока AgCl и раствор KCl или NaCl. Подвижность ионов K+ и Cl- одинакова и не вносит дополнительной разности потенциалов.
2-й электрод – электрод сравнения.
УПТ
УПТ – усилитель постоянного тока.
Объект исследования: гигантский аксон кальмара. Диаметр от 0,5 до 2 мм. Это в 100-1000 раз больше, чем у человека.
Любимая модель в биофизике
1215г
аксон
45 слайд
Микропипетка
Англ. физиолог
Хаксли Эндрю
1917-
Ходжкин Алан Ллойд
1914-20.12.1988
На мониторе - клетка
1963г.
46 слайд
R- универсальная газовая постоянная,
Т – термодинамическая температура, C – молярная концентрация,
F – число Фарадея 96500 Кл/моль, Z – валентность.
В основном, концентрация ионов калия
Равновесные калиевые потенциалы, рассчитанные
по уравнению Нернста, близки к измеряемым величинам.
Это уравнение для равновесного мембранного потенциала.
Равновесный -изменение электрохимического потенциала =0
Равновесный потенциал Нернста
47 слайд
Понятие о потенциале покоя биологической мембраны
ПП – это разность потенциалов между цитоплазмой и окружающей средой в нормально функционирующей невозбужденной клетке.
неизменяемый во времени
ПП- это
мембранный потенциал φМ, при котором суммарный ток ионов через мембрану равен нулю, причем мембрана находится в невозбужденном состоянии.
Причина ПП
Разная концентрация ионов К+ по разные стороны мембраны
2. Неодинаковая скорость диффузии через БМ К+ и анионов высокомолекулярных органических вещества, находящихся в цитозоле.
48 слайд
ПП- в основном, калиевый диффузионный потенциал.
in
out
Пасс.
Акт.
Активный транспорт
поддерживает gradC
ПП = -90 мВ
-
+
+
К+
Na+
Na+
К+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
мембрана поляризована
КОЛИЧЕСТВО Na+ кАНАЛОВ В 10 РАЗ ПРЕВЫШАЕТ КОЛИЧЕСТВО К+ КАНАЛОВ
Внутренняя поверхность клетки заряжена отрицательно!
49 слайд
Механизмы формирования потенциала действия на мембранах нервных и мышечных клеток
Потенциал действия (ПД)- это изменение мембранного потенциала при возбуждении нервных клеток, напоминающее затухающее колебание.
ПД - это электрический импульс, обусловленный изменением ионной проницаемости БМ и связанный с распространением по нервам и мышцам волны возбуждения.
Резко падает сопротивление мембраны для ионов на 2-3 порядка.
Na+
Нужен стимул – раздражитель.
50 слайд
Свойства ПД
Наличие порогового
φПор
деполяризующего
потенциала
Закон «все или ничего»
Характерен период
рефрактерности
= невозбудимости
В момент возбуждения
резко падает
(на 3 порядка)
сопротивление БМ
для ионов Na+
ПД
– это короткий импульс:
до 3 мс – для аксона
до 400 мс
для кардиомиоцита
"All or none"
Нервная клетка
Мышечная клетка
51 слайд
ПД разовьется, если амплитуда стимула больше порогового значения
На мгновенье!
Клетка
поляризована
деполяризована
реполяризована
Особенности Na+ каналов
Потенциалозависимые: открываются лишь при возбуждении БМ
Открываются на очень малый промежуток времени от 0,1-10 мс.
52 слайд
Два способа регистрации ПД
ПП
Потенциал реверсии имеет
природу
Na+
Поляр-я
Деполяр-я
Реполяр-я
Гиперполяризация
Двухфазный ПД
ПП= -60 мВ
ПД = 90 мВ
Б- внеклеточный (двухфазный потенциал действия).
А- внутриклеточный потенциал (с помощью электрода, введенного в протоплазму)
Фазы ПД
аксон
53 слайд
1. Безмиелиновые
Каждый !участок волокна, воспринимая электрический сигнал от соседних участков нерва, генерирует ПД, который затем распространяется дальше. (Теория локальных токов). Локальные токи возникают в аксоне и в окружающем растворе и движутся как лесной пожар от возбужденных участков к невозбужденным.
Распространение ПД по двум типам нервных волокон:
Безмиелиновые
Миелинизированные
V=20 м/с
54 слайд
2. Миелинизированные
Миелиновая оболочка способствует ускорению процесса распространения возбуждения в 10 раз и, следовательно, ……
Уменьшает расход энергии на его распространение.
Миелин – изолятор- это швановские клетки, намотанные на аксон.
Имеет высокое электрическое сопротивление.
Диффузия ионов через миелин невозможна.
55 слайд
Схема распространения ПД по миелинизированному нервному волокну
Сальтаторное проведение
возбуждения
140 м/с
Перехваты Ранвье
56 слайд
Рабочие листы
к вашим урокам
Скачать
6 656 868 материалов в базе
Настоящий материал опубликован пользователем Макаренко Наталья Валерьевна. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Удалить материал
Ваша скидка на курсы
40%
Курс повышения квалификации
36 ч. — 180 ч.
Курс профессиональной переподготовки
300 ч. — 1200 ч.
Курс повышения квалификации
72 ч. — 180 ч.
Мини-курс
4 ч.
Мини-курс
4 ч.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.