Свойства мембраны – 3. Свойства мембран — Вопрос 17. Мембраны, их молекулярная структура — Медицинская биология — Лекции 1 курс — Medkurs.ru

13. Биологические мембраны клетки. Их свойства, строение и функции.

Плазматическая мембрана, или плазмалемма, — наиболее постоянная, основная, универсальная для всех клеток мембрана. Она представляет собой тончайшую (около 10 нм) пленку, покрывающую всю клетку. Плазмалемма состоит из молекул белков и фосфолипидов (рис. 1.6).

Молекулы фосфолипидов расположены в два ряда — гидрофобными концами внутрь, гидрофильными головками к внутренней и внешней водной среде. В отдельных местах бислой (двойной слой) фосфолипидов насквозь пронизан белковыми молекулами (интегральные белки). Внутри таких белковых молекул имеются каналы — поры, через которые проходят водорастворимые вещества. Другие белковые молекулы пронизывают бислой липидов наполовину с одной или с другой стороны (полуинтегральные белки). На поверхности мембран эукариотических клеток имеются периферические белки. Молекулы липидов и белков удерживаются благодаря гидрофильно-гидрофобным взаимодействиям.

Свойства и функции 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 распознава-нии факторов внешней среды, а также во взаимном узнавании родственных клеток. Например, яйцеклетка и сперматозоид узнают друг друга по гликопротеинам клеточной поверхности, которые подходят другкдругу как отдельные элементы цельной структуры. Такое взаимное узнавание — необходимый этап, предшествующий оплодотворению.

Подобное явление наблюдается в процессе дифференциров-ки 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 называемыеионные 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 Mg^2-и Са²⁺.

В процессе активного транспорта ионов в клетку через цито-плазматическую мембрану проникают различные сахара, нукле-отиды, 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 эндоци-тозе {эндо… — внутрь) определенный участок плазмалеммы захватывает и как бы обволакивает внеклеточный материал, заключая его в мембранную вакуоль, возникшую вследствие впя-чивания 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 пу-

зырьки. Пузырек подходит к цитоплазматической мембране, сливается с ней, а его содержимое выделяется в окружающую среду. Гак выводятся пищеварительные ферменты, гормоны, гемицел-люлоза 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.

Функции биологических мембран следующие:

1. Отграничивают содержимое клетки от внешней среды и содержимое органелл от цитоплазмы.

2. Обеспечивают транспорт веществ в клетку и из нее, из цитоплазмы в органеллы и наоборот.

3. Выполняют роль рецепторов (получение и преобразование сит-налов из окружающей среды, узнавание веществ клеток и т. д.).

4. Являются катализаторами (обеспечение примембранных химических процессов).

5. Участвуют в преобразовании энергии.

studfiles.net

состав, свойства, достоинства и недостатки

Мембранная ткань – это инновационный материал с избирательной проницаемостью. Обладает повышенными защитными свойствами. Используется для производства детской, спортивной одежды, экипировки приверженцев активного зимнего отдыха, представителей экстремальных профессий.

Зачем нужны мембранные ткани?

Мембранные ткани: образцы

Слово «мембрана» имеет древнее происхождение и означает «перепонка». В давние времена оно применялось в обыденном и биологическом смыслах. По мере развития науки термин обрел физическое, химическое, техническое значение. Сейчас мембранные технологии используются в легкой промышленности для производства одежды.

Одна из главных функций одежды – защитная. Раньше для защиты от дождя применяли резиновую обувь, полиэтиленовые плащи, накидки из других непромокаемых тканей. От дождя, снега, ветра эти материалы некоторый период времени защищали хорошо. Долго в непромокаемых изделиях, изготовленных по старым технологиям, находиться невозможно.

Тело человека в среднем за сутки выделяет более полулитра влаги, которая накапливается на одежде изнутри, если нет выхода наружу. При активных движениях объем выделяющегося пота может достигать полутора литров.

Введение мембран в состав защитных тканей позволяет выводить пары воды, не допуская при этом попадание внутрь влаги, ветра, дождя, снега.

Строение и механизм действия мембран

Простейшим примером мембранного изделия является целлофановый пакет (не путать с полиэтиленовым). Если в целлофановый пакет налить, например, пересоленный раствор белка и подвесить его в емкость с чистой водой, то через некоторое время соль проникнет через поры целлофана в воду. Целлофан избирательно пропускает маленькие молекулы наружу, большие задерживает внутри, молекулы воды извне в пакет не просачиваются.

Принцип действия мембранной ткани

Подобным образом работает мембранный слой в тканях. Он пропускает маленькие молекулы наружу, не запуская ничего внутрь.

Мембраны, применяемые в легкой промышленности, принято делить на поровые (содержащие поры) и беспоровые (якобы не содержащие поры). Деление это условно, но широко распространено. Целесообразно его использовать.

• Мембраны с порами – это полимерные тонкие прослойки с очень маленькими отверстиями, через которые молекулы газообразной воды (пара) изнутри просочиться могут, а капли туда не помещаются. Напомним курс школы: в капле молекулы воды «слипаются» — находятся в виде ассоциированных групп. В парообразном состоянии молекулы воды одиноки, расстояние между ними не позволяет объединиться. Американская компания Gore-TeX делает из тефлона мембранные ткани, на 1 см² которых имеется около полутора миллиардов микроотверстий – пор.
• Мембраны без пор действуют иначе. Они также содержат множество микроячеек со сложной, извилистой формой, напоминающей структуру губки. Пар от кожи всасывается в ячейки, напитывает мембрану, превращается в конденсированную влагу и за счет разницы парциального давления (это понятие тоже из школьных курсов) выделяется наружу. Такой принцип выделения возможен потому, что внутри паров больше, чем снаружи. Если гипотетически владелец одежды попадет в ней в сауну или другое помещение с очень высокой влажностью, влага таким же образом поступит внутрь.

В некоторых материалах разные мембраны сочетают, снаружи укладывают слой без пор, внутри – с порами. Ткань эффективная, но дорогая.

Сравнение условий пользования

• Все мембранные ткани выводят пары из области повышенного давления в зону пониженного давления (как говорят специалисты по градиенту значений).
• При высокой влажности лучше выводят пары наружу мембраны с порами, особенно при наличии на одежде вентиляции. Мембраны без пор эффективны при относительно сухом воздушном окружении. Если влажность высока или открыта вентиляция, такая мембрана будет работать плохо.
• При низких температурах лучше работает мембрана с порами. При отрицательных температурах материала беспоровые мембраны просто замерзают.
• Мембрана с порами может засориться при неправильном уходе или ношении. Беспоровые мембранные ткани прочны, служат долго.

Основные характеристики

Мембранные ткани предназначены для защиты от непогоды и создания чувства комфорта носителям. Функции обосновывают важность основных показателей.

• Водонепроницаемость. При больших давлениях столба воды протекать начнет любая ткань. Для успешной эксплуатации важны значения максимально переносимых воздействий. Одежда, предназначенная для жестких условий, должна выдерживать давление от 20 000 мм водяного столба и выше. Значение в 10000 мм приемлемо для обычных условий дождливой погоды.
• Паропроницаемость характеризует массу пара в граммах, которую может вывести 1 м² материала в заданную единицу времени (обычно 24 часа). Часто встречающийся минимум паропроницаемости составляет 3000 г/м², максимум – от 10000 г/м². Иногда это свойство оценивают по способности сопротивляться транспортировке пара (RET). Если этот показатель равен 0, ткань полностью пропускает весь пар, при значении 30 – пропускание пара практически исключено.

Мембрана не выполняет утепляющие функции. Она сберегает от дождя, ветра, снега, обеспечивает «дыхание» телу, способствует обеспечению тепловых комфортных ощущений.

Структура тканей

Конструктивно мембранные ткани отличаются по исполнению.

• В двухслойных тканях мембрана зафиксирована с внутренней стороны полотна. Дополнительно она закрыта подкладкой, предохраняющей от повреждений, засорений.
• В трехслойных тканях воедино склеены: наружный слой, мембрана, внутренняя сетка. Необходимость в подкладочном слое отпадает. Материал очень удобный, стоит дороже.
• В некоторых модификациях на внутреннюю поверхность двухслойной ткани напылением нанесено специальное защитное покрытие.
• Существуют виды мембранных тканей с водоотталкивающим слоем (DWR), нанесенным сверху. Покрытие со временем может смываться. Оно легко восстанавливается специальными средствами.

Ведущие производители

Мембранная ткань в одежде

Самой авторитетной, исторически первой компанией-производителем мембранных тканей является Gore-TeX. Она делала одежду для астронавтов. Затем было предложено несколько видов продукции горнолыжникам, альпинистам, горным туристам.

Сравнима по качеству одежда с мембранами Triple-Point, Sympatex, ULTREX. Материал добротный, выпускается в нескольких модификациях. Цена высокая, соответствует свойствам изделий.

Доступную цену имеет продукция с мембранами Ceplex, Fine-Tex. Она рассчитана максимум на 2 сезона активного ношения, после истечения которых материал может начать немного пропускать воду.

Покупая одежду из мембранных тканей, обратите внимание на информацию о проклейке швов. В некоторых разновидностях проклеены абсолютно все швы, в других – только основные. Для ношения в городе достаточно проклеивания основных швов. Для занятий активными видами спорта, возможно, лучше выбрать изделия со всеми укрепленными швами. Выбор за потенциальным владельцем одежды.

Правила ухода за мембранными тканями

Материал специфичен по составу и структуре. Обычные приемы стирки к данной группе изделий применять не следует.

• Стирать ткань с мембранным слоем можно в машине, используя щадящий режим и мягкие специальные средства.
• Отжимать в машине нельзя.
• Сдавать в химчистку нельзя.
• Гладить нет необходимости, делать это не нужно.
• При желании можно стирать вручную.
• Можно оставить вещь в произвольном расправленном состоянии, чтобы с нее стекала вода.
• Ткань очень мало пачкается. После ношения, высыхания ее можно слегка почистить обычной щеткой.

Ткани с мембранными материалами позволяют чувствовать себя защищенным в любую непогоду при максимально активных видах деятельности.

textile.life

Свойства и функции клеточных мембран

Химический состав мембран и особенности их молекул обу­словливают свойства самих мембран.

Главное свойство липидного бислоя — текучесть. Липидный бислой представляет собой жидкость, в которой отдельные молеку­лы без труда меняются местами со своими соседями в пределах од­ного монослоя. Очень редко молекула может перескочить из одного монослоя в другой. Такое перемещение получило название «флип-флоп». Одновременно молекулы липидов вращаются вокруг своих продоль­ных осей, а их углеводородные «хвосты» колеблются.

Текучесть липидного слоя определяется его составом и имеет большое значение для выполнения мембранами своих функций, в том числе транспорта воды и ионов, восприятия внешних сигналов. От текучести мембранных липидов зависит форма белковой глобулы и, следовательно, активность связанных с мембранами ферментов.

Липиды мембраны могут находиться в состоянии жидкого кри­сталла или геля. Если вязкость липидного бислоя превысит поро­говое значение, то приостанавливаются некоторые процессы мем­бранного транспорта и исчезает активность ряда ферментов.

Мембранные белки также подвижны. Они способны вращаться вокруг своей оси; многие из них могут свободно плавать в липидном бислое. Расположение белковых молекул в мембране и степень их погружения в липидный бислой зависит от числа гидрофильных и гидрофобных групп на поверхности глобулы и может изменяться. Это связано с тем, что третичная структура глобул зависит от сла­бых связей. Под действием любого фактора эти связи могут разо­рваться, в результате на поверхность глобулы выйдут гидрофиль­ные радикалы, а гидрофобные — уйдут внутрь глобулы или наобо­рот. Перераспределение гидрофильных и гидрофобных групп на поверхности глобулы вызовет изменение ее расположения в бислое липидов, поскольку известно, что гидрофильные и гидрофобные группы атомов отталкиваются. На расположение глобул влияют и электрические заряды.

В мембрану входят и новые молекулы, т.е. структура мембраны динамична.

Несмотря на динамичность, структура мембраны упорядочена. Упорядоченность — это способность каждой молекулы в данный момент находиться в мембране на своем, строго определенном месте, которое, как мы уже сказали, зависит от ее свойств.

В мембранах между молекулами существуют очень маленькие расстояния, т. е. молекулы плотно упакованы. Например, на 1 мкм² бислоя расположено примерно 5 • 10⁶ молекул липидов. Плотная упаковка молекул достигается с помощью межмолекулярных взаимодействий.

Разные вещества проходят через мембраны с различной скоро­стью, т.е. мембраны избирательно проницае­мы. В живой клетке проницаемость мембраны для данного вещест­ва не остается постоянной, а изменяется в зависимости от потреб­ностей клетки: непроницаемая для вещества в данный момент мембрана может стать проницаемой для него в следующий момент. Под влиянием любого внешнего (например, температуры, света) или внутреннего (величины рН, концентрации веществ, возраста и пр.) фактора проницаемость мембран изменяется, потому что дей­ствие на клетку любого фактора изменяет третичную структуру белковых глобул и, следовательно, их расположение в бислое.

Мембраны способны к самосборке. Молекулы липидов в воде образуют бислой. Если прибавить белки, то они встраиваются в этот бислой согласно сво­им свойствам, и образуется мембрана. Самосборка мембран происходит постоянно: она сопровождает рост клетки; с ее помощью восстанавливаются разрушенные части мембраны.

Некоторые мембраны взаимопревращаются. Например, мембра­на эндоплазматического ретикулума со временем может превра­титься в мембрану аппарата Гольджи, а последняя — в участок плазмалеммы.

Свойства мембран определяют их функции. Мембраны отделя­ют клетку от внешней среды, регулируют транспорт веществ между клеткой и ее свободным пространством, между разными органеллами. Главный контроль за движением питательных веществ и ме­таболитов из клетки в клетку выполняет плазмалемма. Для боль­шинства веществ она служит просто барьером, ограничивающим их движение по градиенту химического потенциала. Однако для некоторых веществ, имеющих особое значение для жизни клетки (сахара, аминокислоты, ионы), в мембранах существуют специаль­ные белки, которые не только облегчают транспорт этих веществ в протопласт по градиенту химического потенциала, но и обеспечи­вают их транспорт через мембрану против градиента.

Контролируя поглощение и выделение веществ клеткой, мем­браны таким способом регулируют скорость и направленность хи­мических реакций, составляющих обмен веществ. Увеличение про­ницаемости мембраны может способствовать соединению фермен­та с субстратом, следовательно, пойдет химическая реакция, кото­рая раньше была невозможна. Мембраны регулируют обмен ве­ществ и другим способом — изменяя активность ферментов. Не­которые ферменты активны только тогда, когда прикреплены к мембране; другие, наоборот, в этом состоянии не проявляют ак­тивности и начинают работать, лишь отделившись от мембраны. Липиды мембраны могут влиять на форму глобулы белка-фермента и, следовательно, на его активность.

Кроме того, расположение фермента на мембране определяет место протекания данной химической реакции в клетке. Некото­рые белки-ферменты располагаются на мембране в определенной последовательности, образуя мультиферментные комплексы, что по­могает прохождению последовательных химических реакций, обра­зующих цепи или циклы (например, гликолиза, цикла трикарбоновых кислот). Благодаря плотной упаковке молекул рас­стояния между компонентами такой системы очень маленькие, что особенно важно, если в результате какой-нибудь реакции образу­ются нестабильные промежуточные продукты. В мембранах обна­ружено много таких мультиферментных комплексов, например электрон-транспортная цепь дыхания. Если даже один из ферментов этой системы отделится от мембраны, цепь реакций остановит­ся или пойдет по другому пути.

Мембраны увеличивают внутреннюю поверхность клетки, на ко­торой находятся ферменты и протекают разные химические реак­ции. Они делят клетку на компартменты (отсеки, ячейки), отли­чающиеся по своему химическому составу. Каждая органелла, ок­руженная мембраной, является таким компартментом. Компартментализация клетки имеет очень большое значение. Благодаря изби­рательной проницаемости мембран компартменты отличаются по своему химическому составу. Например, хлорофилл содержится в хлоропластах; в вакуолях — запас аминокислот, сахаров, ионов; в ядре — почти вся ДНК клетки. В результате создается химическая гетерогенность клетки. Неодинаковая концентрация ионов по обе стороны мембраны приводит к возникновению разности электри­ческих потенциалов, которую клетка может использовать для вы­полнения работы (транспорта веществ через мембраны, передачи электрических сигналов, синтеза АТФ).

Различные концентрации и химический состав обусловливают неодинаковую вязкость цитоплазмы в разных частях клетки. В свою очередь, вязкость влияет на скорость внутриклеточного транспорта веществ и, следовательно, на скорость химических реакций.

Итак, благодаря мембранам в клетке возникают градиенты хи­мического состава, концентрации, электрических потенциалов, вязкости, т. е. мембраны обеспечивают возникновение и сохране­ние в каждом компартменте своих, специфических, физико-хими­ческих условий. Поэтому по обе стороны мембраны кислотность, концентрация растворенных веществ, электрический потенциал, как правило, неодинаковы.

Имея разный химический состав, органеллы могут выполнять разные функции. В различных компартментах происходят разные химические реакции, часто противоположно направленные. На­пример, синтез белка идет в рибосомах, а их распад — в лизосомах.

Клетка жива до тех пор, пока избирательно проницаемые мембраны делят ее на компартменты.

От состояния мембран зависит чувствительность рецепторов к дей­ствию раздражителей и эффективность перестройки клеточного мета­болизма в ответ на полученное раздражение. Обладая избирательной проницаемостью, мембраны выполня­ют еще одну очень важную функцию: поддерживают гомеостаз в клетке и в отдельных органеллах. Гомеостаз (от греч. homois — тот же, stasis — стояние) — это свойство клетки, органеллы, а также ор­гана, организма, экологической системы сохранять постоянной свою внутреннюю среду.

Почему внутренняя среда клетки должна быть постоянной? Из­менение внутренней среды вызывает нарушение нативной структу­ры белковых глобул. В результате изменяется форма активного центра фермента и, следовательно, его активность. Изменения тре­тичной структуры белковых глобул вызывают увеличение прони­цаемости мембран, нарушение компартментации клетки, что мо­жет привести к ее смерти.

Мембраны участвуют в адаптации клетки к внешним условиям. Измене­ние условий, например снижение или повышение температуры, вызывает соответственно «затвердение» или «разжижение» жирных кислот, следовательно, изменение текучести мембран. Чтобы этого не происходило, в липидах при повышении температуры увеличи­вается количество насыщенных кислот, а при ее понижении — не­насыщенных.

У высших растений возможен переход насыщенных жирных кислот в ненасыщенную форму. Для этого в клетке есть специаль­ные ферменты — десатуразы, связанные с эндоплазматическим ретикулумом и катализирующие образование двойных связей. Десатурирующие фермен­ты при низких температурах превращают насыщенные жирные ки­слоты в ненасыщенные.

Итак, липидный бислой является структурной основой мембра­ны, а белковые молекулы обеспечивают выполнение большинства ее функций.

studfiles.net

Функции и модели мембран. Структура мембран. Физические свойства мембран

Кле́точная мембра́на — эластическая молекулярная структура, состоящая из белков и липидов. Отделяет содержимое любой клетки от внешней среды, обеспечивая её целостность; регулирует обмен между клеткой и средой. Липидная молекула состоит из полярной головки ( заряжены либо отрицательно, либо нейтрально) и гидрофобного хвостика, несущего эл.заряд. Остаток глицерина связывает головку и хвостик.

Мембранный бислой выполняет 2 функции: барьерную(является преградой для ионов и водорастворимых молекул)и матричную(является структурной основой для размещения основных рецепторных и ферментных систем клетки).

Модели.

В 1935г. Даниелии Давсон – первая модель клет.мембраны (липиды расположены в 2 бислоя, с обеих сторон покрыты белками).

В 1972г. СинджериНиколсон – жидко-мозаичная модель ( липидная основа как двумерный растворитель, в кот-ом плавают более менее погруженные белки.

 

Первая модель – монослой липидов на границе раздела вода-воздух или вода-масло. Гидрофильные головки располагаются в воде, а гидрофобные хвосты в воздухе или в масле. При изменении состояния липидных молекул, меняется площадь, занимаемая молекулами.

Вторая модель — 1962г. Мюллер бислойная липидная мембрана (БЛМ). Заполняют отверстие в тефлоновой перегородке, разделяющей два водных раствора, фосфолипидом, растворённым в гептане. После того как растворитель и излишки липида растекаются по тефлону, в отверстии образуется бислой толщиной несколько нанометров и диаметром 1мм. Расположив по обе стороны мембраны два электрода, можно измерить сопротивление мембраны или генерируемый в ней потенциал.

Третья модель – липосома.Это мельчайшие пузырьки(везикулы), состоят из билипидной мембраны и полученные обработкой ультразвуком смеси воды и фосфолипидов. Практически полностью лишены белковых молекул. Липосомы не токсичны, полностью усваиваются в организме и являются надежной липидной микрокапсулой для направленной доставки лекарства.

Свойства

1) В зависимости от температуры и состава мембраны могут существовать в различных физических фазах. При понижении температуры мембраны обнаруживают свойства твердых тел, при повышении температуры они переходят в жидкокристаллическое состояние, которое характеризуется большей подвижностью молекул в плоскости мембраны.

2) Проницаемость мембран для различных веществ зависит от поверхностного заряда, которые создают заряженные головки липидов, придающие мембране отрицательный заряд.

3) У мембран высокая прочность на разрыв, устойчивость и гибкость.

4) По электроизоляционным свойствам они превосходят многие изоляционные материалы.

Вопрос №96

Перенос молекул (атомов) через мембраны. Уравнение Фика. –отражает процесс переноса в жидкостях.

J – плотность потока диффундирующего вещ.ва; моль/л

D – коэффициент диффузии, м2/c

С – концентрация диффундирующего вещ-ва, моль/м3

– градиент молярной концентрации, моль/м4

Явление переноса – это термин, означающий необратимые процессы. в рез-те которых в физической системе происходит пространственное перемещение масс, импульса, энергии, заряда или какой-либо другой физической величины.

К таким явлениям относят диффузию( перенос массы вещества), вязкость(перенос импульса), теплопроводность(перенос энергии), электропроводность(перенос электрического заряда).

Вопрос№97. Перенос ионов через мембраны. Уравнение Нернста-Планка.

Ψ- безразмерный потенциал

l – толщина мембраны

J = — D

dφ/dx = / l, где — разность потенциалов на мембране



infopedia.su

Строение и физические свойства биологической мембраны. Модели мембран.

Важной частью клетки является биологическая мембрана, ограничивающая клетку от окружающей среды, защищает ее от вредных внешних воздействий, управляют обменом веществ между клеткой и ее окружением, способствует генерации электрических потенциалов, участвует в синтезе универсальных аккумуляторов энергии АТФ в митохондриях и выполняет ряд других функций. Мембраны формируют структуру клетки и осуществляют ее функции. Многие заболевания (теросклероз, отравление и др.) связаны с нарушением структуры и функции мембран. Первая клетка появилась тогда, когда она смогла отграничится от окружающего мира мембраной. Внутриклеточные мембраны подразделяют клетку на ряд замкнутых отсеков, каждый из них выполняет определённую функцию. Толщина мембраны =10^-9 степени метра, ее можно рассмотреть лишь в электронный микроскоп.

Основу структуры мембраны представляет двойной липидный слой, молекулы которых состоят из полярных хвостов и неполярных гидрофобных головок. Двойной липидный слой образуется из 2-х монослоев липидов так, что хвосты направлены внутрь так обеспечивается наименьший контакт гидрофобных участков молекул с водой:

1) модель мембраны:

В настоящее время наибольшее распространение получила модель

предложенная в 1972 г. Синджером и Никольсом – жидкомазаичная модель:

1-поверхностные белки

2- полупогружённые белки

3-полностью погружённые белки

4-белки, формирующие ионный канал-5.

Мембраны не являются непосредетвенными структурами. Белки и липиды обмениваются местами, перемещающиеся вдоль и поперёк мембраны. Уточнения строения и свойств мембран стали возможными при использовании физико-клинических (искуственных) мембран.

1 — монослой фосфолипида на границах раздела вода-воздух, вода-масло

Если уменьшать площадь монослоя (а, б, в) то получается плотный монослой как в биологических мембранах.

2 — липосомы — как бы биологаческая мембрана полностью лишенная белковых молекул.

3 — билипидная мембрана

23Диффузия в жидкости. Уравнение Фика. Уравнение диффузии для мембран.

Диффузия — самопроизвольное проникновение молекул одного вещества между молекулами других.

Явление диффузии — важный элемент диффракционирования мембран. При диффузии происходит перенос массы вещества. В биофизике это называется транспорт частиц. Основным уравнением диффузии является уравнение Фика:

где I – плотность частиц при диффузии в жидкость.

D – коэффициент диффузии.

Коэффициент 1/3 возник ввиду трехмерного пространства и хаоса в движении молекул (в среднем в каждом из 3-х направлений перемещается 1/3 часть всех молекул)

сигма — средняя длина свободного пробега молекул

тау -среднее время оседлой жизни молекул

С- массовая концентрация молекул

Х- перемещение молекул вдоль оси X

— градиент массовой концентрации

Знак «-» показывает, что диффузия молекул происходит из области их большей концентрации в область меньшей концентрации.

Уравнение диффузии можно записать в виде:

n – концентрация молекул.

Градиент концентрации

R- универсальная газовая постоянная; Т- абсолютная температура градиент химического потенциала,

Тогда

С — концентрация частиц. А Эйнштейн показал, что D пропорционально Т. Дня биологических мембран уравнение Фика имеет вид:

— концентрация молекул внутри клеток

— коэффициент проницаемости

l – толщина мембраны.

 

24 Перенос ионов в электролитах. Уравнение Нернста Планка и его выражение для мембраны.

На мембране существует разность потенциалов, значит в ней есть электрическое поле. Она оказывает влияние на диффузию заряженных частиц (ионов и электронов).

В общем случае перенос ионов через мембрану определяется двумя факторами: неравномерностью их распределения, т. е. градиентом концентрации, и воздействием электрического поля

— градиент потенциала.

Е – напряженность электрического поля.

— уравнение Нернста-Планка

I — плотность потока вещества при диффузии

D — коэффициент диффузии;

— градиент концентрации;

— постоянный коэффициент;

R – универсальная газовая постоянная;

Т – абсолютная температура;

F=e* N_a– число Фарадея;

е – заряд электрона;

N_a – число Авагадро;

С – концентрация ионов.

Другая форма записи уравнения переноса ионов в электролитах:

Для мембран уравнение Нернста-Планка устанавливает связь между плотностью стационарного потока ионов (I), и

1) проницаемостью мембран для данного иона, которая характеризует взаимодействие мембранных структур с ионами;

2)электрическим полем;

3)концентрацией ионов в водном растворе, окружающем мембраны (С₁ и С₀)

— безразмерный потенциал;

φ_м – потенциал мембраны;

l – толщина мембраны;

плотность потоков ионов через биологическую мембрану —

 

25 Разновидность пассивного транспорта через мембрану. Понятие об активном транспорте.

Явления переноса молекул и атомов через мембрану при диффузии относятся к пассивному транспорту — ионы перемещаются из области большей их концентрации в область меньшей концентрации или перемещение ионов по направлению силы действующей на них со стороны электрического поля мембраны. Пассивный транспорт не связан с затратой химической энергии, он осуществляется в сторону меньшего электрохимического потенциала. Наряду с пассивным транспортом, в клетках осуществляется активный транспорт — перенос молекул и ионов в сторону больших концентраций (и большего потенциала). Системы мембран, способствующие созданию градиентов ионов калия и натрия получили название натрий-калиевых насосов. Простая диффузия подчиняется закону Фика для молекул; для нейтральных и заряженных частиц уравнение Нернста-Планка. В живой клетке они обеспечивают прохождение кислорода и углекислого газа. Ряд лекарственных веществ и ядов так же проникают через липидный слой, но уже по более сложной схеме. Но простая диффузия протекает медленнее и не сможет обеспечить клетку в нужном количестве питательными веществами. Есть и другие механизмы пассивного переноса: диффузия через канал (пору), облегченная диффузия (в комплексе с переносчиками). Диффузия через каналы описывается через диффузные уравнения (Фика и Нернста-Планка). Но каналы обладают селективностью (избирательностью), для разных ионов проницаемость разная. При облегченной диффузии через мембраны ионы и молекулы переносятся специальными молекулами – переносчиками. (валиномицин — антибиотик, переносит через мембраны ионы калия). Транспорт с помощью переносчиков осуществляется и в качестве эстафетной передачи.

При активном переносе ионы натрия активируют натрий–калиевый насос на внешней стороне мембраны, а ионы калия на внутренней. Активного переноса нет, если во внешней среде К⁺ из клетки не переносится Na⁺, если внутри клетки нет Na, то снаружи не переносится К⁺.

Натрий–калиевый насос переносит изнутри наружу 3 иона Na⁺, а снаружи внутрь 2К⁺. Внутренняя часть клетки имеет «-» потенциал покоя. Между внутренней и наружной частью мембраны создается и поддерживается разность потенциалов

 

lektsia.com

Свойства и функции клеточных мембран

Количество просмотров публикации Свойства и функции клеточных мембран — 400

Химический состав мембран и особенности их молекул обу­словливают свойства самих мембран.

Главное свойство липидного бислоя — текучесть. Липидный бислой представляет собой жидкость, в которой отдельные молеку­лы без труда меняются местами со своими сосœедями в пределах од­ного монослоя. Очень редко молекула может перескочить из одного монослоя в другой. Такое перемещение получило название ʼʼфлип-флопʼʼ. Одновременно молекулы липидов вращаются вокруг своих продоль­ных осœей, а их углеводородные ʼʼхвостыʼʼ колеблются.

Текучесть липидного слоя определяется его составом и имеет большое значение для выполнения мембранами своих функций, в т.ч. транспорта воды и ионов, восприятия внешних сигналов. От текучести мембранных липидов зависит форма белковой глобулы и, следовательно, активность связанных с мембранами ферментов.

Липиды мембраны могут находиться в состоянии жидкого кри­сталла или геля. В случае если вязкость липидного бислоя превысит поро­говое значение, то приостанавливаются некоторые процессы мем­бранного транспорта и исчезает активность ряда ферментов.

Мембранные белки также подвижны. Οʜᴎ способны вращаться вокруг своей оси; многие из них могут свободно плавать в липидном бислое. Расположение белковых молекул в мембране и степень их погружения в липидный бислой зависит от числа гидрофильных и гидрофобных групп на поверхности глобулы и может изменяться. Это связано с тем, что третичная структура глобул зависит от сла­бых связей. Под действием любого фактора эти связи могут разо­рваться, в результате на поверхность глобулы выйдут гидрофиль­ные радикалы, а гидрофобные — уйдут внутрь глобулы или наобо­рот. Перераспределœение гидрофильных и гидрофобных групп на поверхности глобулы вызовет изменение ее расположения в бислое липидов, поскольку известно, что гидрофильные и гидрофобные группы атомов отталкиваются. На расположение глобул влияют и электрические заряды.

В мембрану входят и новые молекулы, ᴛ.ᴇ. структура мембраны динамична.

Несмотря на динамичность, структура мембраны упорядочена. Упорядоченность — это способность каждой молекулы в данный момент находиться в мембране на своем, строго определœенном месте, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ, как мы уже сказали, зависит от ее свойств.

В мембранах между молекулами существуют очень маленькие расстояния, т. е. молекулы плотно упакованы. К примеру, на 1 мкм² бислоя расположено примерно 5 ‣‣‣ 10⁶ молекул липидов. Плотная упаковка молекул достигается с помощью межмолекулярных взаимодействий.

Разные вещества проходят через мембраны с различной скоро­стью, ᴛ.ᴇ. мембраны избирательно проницае­мы. В живой клетке проницаемость мембраны для данного вещест­ва не остается постоянной, а изменяется исходя из потреб­ностей клетки: непроницаемая для вещества в данный момент мембрана может стать проницаемой для него в следующий момент. Под влиянием любого внешнего (к примеру, температуры, света) или внутреннего (величины рН, концентрации веществ, возраста и пр.) фактора проницаемость мембран изменяется, потому что дей­ствие на клетку любого фактора изменяет третичную структуру белковых глобул и, следовательно, их расположение в бислое.

Мембраны способны к самосборке. Молекулы липидов в воде образуют бислой. В случае если прибавить белки, то они встраиваются в данный бислой согласно сво­им свойствам, и образуется мембрана. Самосборка мембран происходит постоянно: она сопровождает рост клетки; с ее помощью восстанавливаются разрушенные части мембраны.

Некоторые мембраны взаимопревращаются. К примеру, мембра­на эндоплазматического ретикулума со временем может превра­титься в мембрану аппарата Гольджи, а последняя — в участок плазмалеммы.

Свойства мембран определяют их функции. Мембраны отделя­ют клетку от внешней среды, регулируют транспорт веществ между клеткой и ее свободным пространством, между разными органеллами. Главный контроль за движением питательных веществ и ме­таболитов из клетки в клетку выполняет плазмалемма. Для боль­шинства веществ она служит просто барьером, ограничивающим их движение по градиенту химического потенциала. При этом для некоторых веществ, имеющих особое значение для жизни клетки (сахара, аминокислоты, ионы), в мембранах существуют специаль­ные белки, которые не только облегчают транспорт этих веществ в протопласт по градиенту химического потенциала, но и обеспечи­вают их транспорт через мембрану против градиента.

Контролируя поглощение и выделœение веществ клеткой, мем­браны таким способом регулируют скорость и направленность хи­мических реакций, составляющих обмен веществ. Увеличение про­ницаемости мембраны может способствовать соединœению фермен­та с субстратом, следовательно, пойдет химическая реакция, кото­рая раньше была невозможна. Мембраны регулируют обмен ве­ществ и другим способом — изменяя активность ферментов. Не­которые ферменты активны только тогда, когда прикреплены к мембране; другие, напротив — в данном состоянии не проявляют ак­тивности и начинают работать, лишь отделившись от мембраны. Липиды мембраны могут влиять на форму глобулы белка-фермента и, следовательно, на его активность.

Вместе с тем, расположение фермента на мембране определяет место протекания данной химической реакции в клетке. Некото­рые белки-ферменты располагаются на мембране в определœенной последовательности, образуя мультиферментные комплексы, что по­могает прохождению последовательных химических реакций, обра­зующих цепи или циклы (к примеру, гликолиза, цикла трикарбоновых кислот). Благодаря плотной упаковке молекул рас­стояния между компонентами такой системы очень маленькие, что особенно важно, в случае если в результате какой-нибудь реакции образу­ются нестабильные промежуточные продукты. В мембранах обна­ружено много таких мультиферментных комплексов, к примеру электрон-транспортная цепь дыхания. В случае если даже один из ферментов этой системы отделится от мембраны, цепь реакций остановит­ся или пойдет по другому пути.

Мембраны увеличивают внутреннюю поверхность клетки, на ко­торой находятся ферменты и протекают разные химические реак­ции. Οʜᴎ делят клетку на компартменты (отсеки, ячейки), отли­чающиеся по своему химическому составу. Каждая органелла, ок­руженная мембраной, является таким компартментом. Компартментализация клетки имеет очень большое значение. Благодаря изби­рательной проницаемости мембран компартменты отличаются по своему химическому составу. К примеру, хлорофилл содержится в хлоропластах; в вакуолях — запас аминокислот, сахаров, ионов; в ядре — почти вся ДНК клетки. В результате создается химическая гетерогенность клетки. Неодинаковая концентрация ионов по обе стороны мембраны приводит к возникновению разности электри­ческих потенциалов, которую клетка может использовать для вы­полнения работы (транспорта веществ через мембраны, передачи электрических сигналов, синтеза АТФ).

Различные концентрации и химический состав обусловливают неодинаковую вязкость цитоплазмы в разных частях клетки. В свою очередь, вязкость влияет на скорость внутриклеточного транспорта веществ и, следовательно, на скорость химических реакций.

Итак, благодаря мембранам в клетке возникают градиенты хи­мического состава, концентрации, электрических потенциалов, вязкости, т. е. мембраны обеспечивают возникновение и сохране­ние в каждом компартменте своих, специфических, физико-хими­ческих условий. По этой причине по обе стороны мембраны кислотность, концентрация растворенных веществ, электрический потенциал, как правило, неодинаковы.

Имея разный химический состав, органеллы могут выполнять разные функции. В различных компартментах происходят разные химические реакции, часто противоположно направленные. На­пример, синтез белка идет в рибосомах, а их распад — в лизосомах.

Клетка жива до тех пор, пока избирательно проницаемые мембраны делят ее на компартменты.

От состояния мембран зависит чувствительность рецепторов к дей­ствию раздражителœей и эффективность перестройки клеточного мета­болизма в ответ на полученное раздражение. Обладая избирательной проницаемостью, мембраны выполня­ют еще одну очень важную функцию: поддерживают гомеостаз в клетке и в отдельных органеллах. Гомеостаз(от греч. homois — тот же, stasis — стояние) — это свойство клетки, органеллы, а также ор­гана, организма, экологической системы сохранять постоянной свою внутреннюю среду.

Почему внутренняя среда клетки должна быть постоянной? Из­менение внутренней среды вызывает нарушение нативной структу­ры белковых глобул. В результате изменяется форма активного центра фермента и, следовательно, его активность. Изменения тре­тичной структуры белковых глобул вызывают увеличение прони­цаемости мембран, нарушение компартментации клетки, что мо­жет привести к ее смерти.

Мембраны участвуют в адаптации клетки к внешним условиям. Измене­ние условий, к примеру снижение или повышение температуры, вызывает соответственно ʼʼзатвердениеʼʼ или ʼʼразжижениеʼʼ жирных кислот, следовательно, изменение текучести мембран. Чтобы этого не происходило, в липидах при повышении температуры увеличи­вается количество насыщенных кислот, а при ее понижении — не­насыщенных.

У высших растений возможен переход насыщенных жирных кислот в ненасыщенную форму. Для этого в клетке есть специаль­ные ферменты — десатуразы, связанные с эндоплазматическим ретикулумом и катализирующие образование двойных связей. Десатурирующие фермен­ты при низких температурах превращают насыщенные жирные ки­слоты в ненасыщенные.

Итак, липидный бислой является структурной основой мембра­ны, а белковые молекулы обеспечивают выполнение большинства ее функций.

referatwork.ru

Некоторые физические свойства и параметры мембран — Мегаобучалка

С появлением электронного микроскопа (см. § 23.2) впервые открылась возможность познакомиться со строением мембран. Тогда обнаружилось, что плазматическая мембрана животных и растительных клеток выглядит как трехслойная структура. На рис. 11.7 изображена электронная микрофотография плазматиче­ской мембраны эритроцита. Видно, что мембрана состоит из свет­лого слоя, соответствующего фосфолипидам бислоя, и двух тем­ных слоев — они представляют собой полярные головки и белки. Толщина мембран в зависимости от вида составляет величину от 4 до 13 нм.

Измерение подвижности молекул мембран и диффузии частиц через мембрану свидетельствует о том, что билипидный слой ве­дет себя подобно жидкости. В то же время мембрана является упо­рядоченной структурой. Эти два фактора заставляют думать, что липиды в мембране при ее естественном функционировании нахо­дятся в жидкокристаллическом состоянии (см. § 8.2).

Вязкость липидного бислоя на два порядка больше вязкости воды и соот-

ветствует приблизительно вязкости рас­тительного масла. Однако при пониже­нии температуры происходит фазовый переход, в результате которого липиды бислоя превращаются в гель (твердо-кристаллическое состояние). На рис. 8 схематически представлен процесс «пла­вления» мембранных фосфолипидов при увеличении температуры (слева напра­во). Очевидно, что при этом меняется толщина двойного слоя — в состоянии геля (рис. 11.8, а) она боль­ше, чем в жидкокристаллическом (рис. 11.8, б). При фазовых пере­ходах в бислое могут образовываться каналы, по которым через мембрану способны проходить различные ионы и низкомолекуляр­ные соединения, размер которых не превышает 1—3 нм.

В жидкокристаллическом состоянии отдельная жирнокислотная цепь может принимать много различных конфигураций из-за вращения вокруг С—С связей. При том возможно образование в бислое полостей — «кинков» (от англ. kink — петля). В этих полостях могут находиться различные молекулы, захваченные из дространства вне мембраны. При тепловом движении хвостов липидов происходит движение такого «кинка», а вместе с ним и молекул поперек мембраны или вдоль нее (рис. 11.9).

Проницаемость мембран для различных веществ зависит от по­верхностного заряда, который создается заряженными головками липидов, придающими мембране преимущественно отрицательный заряд. Это приводит к тому, что на границе мембрана — вода созда­ется межфазный скачок потенциала (поверхностный потенциал) того же знака, что и заряд на мембране. Величина этого потенциала играет большую роль в процессах связывания ионов мембраной. Помимо поверхностного потенциала, для нормального функциони­рования ферментных и рецепторных мембранных комплексов ог­ромное значение имеет трансмембранный потенциал, природа ко­торого будет рассмотрена ниже. Величина этого потенциала состав­ляет 60—90 мВ (со знаком минус со стороны цитоплазмы). Из-за очень малой толщины мембран напряженность электрического по­ля в них достигает величины около (6—9) • 10⁶ В/м.

Мембрана по своей структуре напоминает плоский конденсатор, обкладки которого образованы поверхностными белками, а роль диэлектрика выполняет липидный бислой. Емкость такого конден­сатора составляет значительную величину (табл. 18). Используя формулу плоского конденсатора, можно оценить диэлектрическую проницаемость е гидрофобной и гидрофильной областей мембран, зная пределы изменения толщины мембраны. Такие оценки дают для фосфолипидной области мембраны значение ε = 2,0—2,2, а для гидрофильной части ε = 10—20.

В табл. 18 приведены некоторые физические параметры биоло­гических мембран и в сравнении с ними — те же параметры для искусственно приготовленных липидных бислоев.

Таблица 18. Физические свойства биологических мембран и липидных бислоев

Физические параметры	Биологические мембраны	Липидные бислои
Толщина,нм	4-13	4,6-9,0
Электрическое сопротивление,Ом*см2	102-106	103-109
Электроемкость, мкФ*см-2	0,5-1,3	0,3-0,33
Потенциал покоя, мВ	20-200	0-140
Показатель преломления	1,55	1,37
Коэффициент проницаемости для воды, 10-4см*с-1	25-33	5-10
Напряжение пробоя, мВ		150-200
Плотность липидного бислоя, кг/м3		760-900
Эффективный модуль упругости, Па	0,45	0,3-0,5
Поверхностное натяжение, мН*м-1	0,03-3	0,2-6,0

 

Мембраны обладают высокой прочностью на разрыв, устойчи­востью и гибкостью. По электроизоляционным свойствам они значительно превосходят многие изоляционные материалы, при­меняемые в технике. Общая площадь мембран в органах и тканях достигает огромных размеров. Так, суммарная площадь клеточ­ных мембран печени крысы, весящей всего 6 г, составляет не­сколько сотен квадратных метров. Клетки, как правило, имеют микроскопические размеры, поэтому отношение их поверхности к объему очень велико. Благодаря этому клетки располагают до­статочной площадью для обеспечения многочисленных процес­сов, протекающих на мембранах. Одним из наиболее важных из них является процесс переноса веществ из клетки и в клетку.

 

megaobuchalka.ru