1.5.Темы практических занятий
РАЗДЕЛ 1. БИОФИЗИКА МЕМБРАН
1. 1. Биологические мембраны. Структура, свойства.
Удельная электрическая емкость мембраны аксона, изме-ренная внутриклеточным микроэлектродом, оказалась равной 0,5 микрофарад/см 2 . По формуле плоского конденсатора оце-нить толщину гидрофобного слоя мембраны с диэлектрической проницаемостью 2.
Какое расстояние на поверхности мембраны эритроцита проходит молекула фосфолипида за 1 секунду в результате латеральной диффузии? Коэффициент латеральной диффузии принять равным 10 -12 м 2 /с. Сравните с окружностью эритроци-та диаметром 8 мкм.
При фазовом переходе мембранных фосфолипидов из жид-кокристаллического состояния в гель толщина бислоя изменя-ется. Как при этом изменится электрическая емкость мембра-ны? Как изменится напряженность электрического поля в мембране?
С помощью спин-меченых молекул фосфолипидов уста-новлен градиент вязкости по толщине мембраны. Опишите эк-сперимент. Где вязкость выше: у поверхности мембраны или в ее центре?
1.1.1. Толщина биологической мембраны:
10 А, 3. ОД мкм
10 нм 4. 10 мкм
1.1.2. Жидкостно-мозаичная модель биологической мембраны включает в себя:
белковый слой, полисахариды и поверхностные липиды
липидный монослой и холестерин
липидный бислой, белки, микрофиламенты
липидный бислой
1.1.3. Липидная часть биологической мембраны находится в следующем физическом состоянии:
жидком аморфном
твердом кристаллическом
твердом аморфном
жидкокристаллическом
1.1.4. Удельная электрическая емкость мембраны аксона:
1.1.5. Характерное время переноса переноса молекулы фосфолипидов из одного положения равновесия в другое при их диффузии:
1.1.6. Фазовый переход липидного бислоя мембран из жидко-кристаллического состояния в гель сопровождается:
утоньшением мембраны
толщина мембраны не меняется
утолщением мембраны
1.2. Транспорт веществ через биологические мембраны.
Контрольные вопросы, задачи, задания к семинарам
1.От каких параметров зависит критический радиус липидной поры в мембране?
2. Рассчитайте критический радиус поры при отсутствии мембранного потенциала. Принять краевое натяжение поры 10 -11 Н, поверхностное натяжение липидного бислоя 0,3 мН/м.
3. Как изменится облегченная диффузия ионов каоия с участием молекулы валиномицина после фазового перехода мембранных липидов из жидкокристаллических состояний в Гель?
4.Удельная электрическая емкость мембраны аксона, изме-ренная внутриклеточным микроэлектродом, оказалась равной 0,5 микрофарад/см 2 . По формуле плоского конденсатора оце-нить толщину гидрофобного слоя мембраны с диэлектрической проницаемостью 2.
Типовые тесты текущего контроля
1.2.1. Перенос ионов происходит в направлении:
1.2.2. Уравнение диффузии неэлектролитов (Фика) записыва-ется:
2.3. Молекула валиномицина переносит через мембрану:
1.2.4. Перенос вещества при облегченной диффузии идет по сравнению с простой диффузией:
медленнее
1.3. Биоэлектрические потенциалы.
Контрольные вопросы, задачи, задания к семинарам
Какой транспорт ионов создает мембранную разность по-тенциалов: пассивный или активный?
Что больше: скорость распространения электрического сигнала по проводам морского телеграфа или скорость распро-странения нервного импульса по мембране аксона? Почему?
Объясните биофизический механизм действия яда тетро-Дотоксина и местного анестетика тетраэтиламмония.
Как соотносятся проницаемости мембраны аксона каль-мара для различных ионов в покое и при возбуждении?
Как изменится вид графика потенциала действия, если по-менять химический состав внутри аксона и снаружи: аксо-плазму заменить на внеклеточную жидкость, а внеклеточную жидкость - на аксоплазму?
Чему равна напряженность электрического поля на мем-бране в состоянии покоя, если концентрация ионов калия внут-ри клетки 125 ммоль/л, снаружи - 2,5 ммоль/л, а толщина мембраны 8 нм?
(Ответ: 1,З*10 7 В/м.)
7. Рассчитайте амплитуду потенциала действия, если кон-
центрация калия и натрия внутри клетки возбудимой тка-
ни соответственно: 125 ммоль/л, 1,5 ммоль/л, а снаружи
2,5 ммоль/л и 125 ммоль/л.(Ответ: 160 мВ.)
Типовые тесты текущего контроля
1.3.1.Мембранным потенциалом ф м называется:
1.3.2. Диаметр кончика внутриклеточного электрода, использу-емого для измерения мембранного потенциала:
соизмерим с размером клетки
много меньше размеров клетки
много больше размеров клетки
1.4. Механизм генерации потенциала действия.
Контрольные вопросы, задачи, задания к семинарам
1. Возможен ли процесс на мембране возбудимой клетки, при котором одновременно навстречу текут потоки различных ионов, имеющих одинаковый знак заряда?
2. В чем смысл выражения
для II фазы потенциала действия кардиомиоцита?
3. В чем причина того, что ток через канал дискретный, а через мембрану - непрерывный, плавно изменяющийся?
Типовые тесты текущего контроля
1.4.1. В фазе деполяризации при возбуждении аксона потоки ионов Na + направлены:
1. ад 2. бд 3. ад 4. в 5. аг
1. 4.2. В фазе реполяризации аксона потоки ионов направлены:
1.ад 2.бд 3. бе 4. г
4.3. Длительность потенциала действия кардиомиоцита по сравнению с потенциалом действия аксона
1. больше 2. меньше 3. равна
4.4. Фаза плато в кардиомиоците определяется потоками ионов:
1. Антонов В.Ф . Биофизика мембран // Соровский образовательный журнал. – 1997. – Т. – 6. С. 1-15.
2. Антонов В.Ф., Смирнова Е.Ю., Шевченко Е.В. Липидные мембраны при фазрвых превращениях. – М.: Наука, 1992. – С. 125.
3. Кленчин В.А. Биологические мембраны. – 1993. – Т. 10. –С. 5-19.
4. Чизмаджаев Ю.А., Аракелян В.Б., Пастушенко В.Ф. Биофизика мембран. – М.: Наука, 1981. - С. 207-229.
5. Котек А., Яначек К. Мембранный транспорт. М.: Мир, 1980.
6. Лайтфут Э. Явления переноса в живых системах. М.: 1977.
7. Рубин А.Б. Биофизика. М.: Высш. Шк., 1987.
8. Биологические мембраны: Сборник / Под. Ред. Д.С.Парсонса. М.: Атомиздат, 1978.
9. Мембраны: Ионные каналы: Сб. ст. М.: Мир, 1981.
10. Хиллс Б.В. сб. Мембраны: ионные каналы. М.: Мир, 1981.
11. Физиология и патофизиология сердца. Под. ред. Н. Сперелакис: М.: Медицина, 1998.
12. Физиология человека. Под. ред. Шмидта Р. И Тевса Г. Т. 1. М.: Мир, 1996.
РАЗДЕЛ 2. БИОФИЗИКА КЛЕТОК И ОРГАНОВ
2. 1. Электрическая активность органов.
Контрольные вопросы, задачи, задания к семинарам
1.В чем состоит принцип эквивалентного генератора? Приведите примеры использования этого принципа.
2. Почему именно обратная задача электрокардиографии является задачей диагностики, а не прямая?
3. Каков механизм образования карты электрических потенциалов на поверхности тела человека?
4. Почему необходимо регистрировать минимум 3 отведения ЭКГ, а не например один?
Типовые тесты текущего контроля
2.1.1. При моделировании ЭКГ полагают, что окружающая диполи среда
а. однородна а", неоднородна
б. изотропна б", анизотропна
в. ограничена в", бесконечна
1. абв 2. а"б"в" 3. аб"в 4. абв"
2.1.2. Что является причиной изменений величины и направления интегрального электрического вектора сердца за циклего работы?
сокращение желудочков сердца
последовательный охват волной возбуждения различных структур сердца
метаболическая активность кардиомиоцитов
замедление скорости проведения волны в атриовентрикулярном узле
2.1.3. Почему амплитуды одних и тех же зубцов ЭКГ в один и тот же момент времени в различных отведениях не одинаковы?
для разных отведений различна величина интегрального электрического вектора Е _
в различных отведениях поворот вектора Е различен
проекции вектора Е на различные отведения не одинаковы
для каждого отведения существует свой вектор Е
2.1.4. Интегральный электрический вектор сердца Е описывает петли Р, QRS, Т:
1.в горизонтальной плоскости
2.в плоскости поверхности грудной клетки
З.в объемном пространстве XYZ
4.в плоскости, соединяющей точки правой, левой руки и ле-вой ноги
2.1.5 Регистрируемые разности потенциалов
1. аг 2. бе 3. вг 4. дв
2.2. Автоволновые процессы в активных средах.
Контрольные вопросы, задачи, задания к семинарам
В чем состоит принципиальное отличие автоволн в актив-ных средах от механических волн в упругих средах?
Почему автоволна распространяется в активной среде без затухания?
Наблюдается ли в активных средах интерференция авто-волн?
От чего зависят параметры автоволны в активной среде?
Потенциал порога для клеток участка миокарда равен - 30 мВ. Трансмембранный потенциал клеток этого участка в некоторый момент времени достиг величины - 40 мВ. Может ли по данному участку миокарда передаваться волна возбуждения?
Типовые тесты текущего контроля
2.2.1. Волна возбуждения (автоволна), распространяясь по активной среде (например, по структуре миокарда), не затухает:
за счет передачи энергии от одной клетки к другой
засечет высвобождения энергии, запасенной каждой клеткой
в результате передачи механической энергии сокращения миокарда
в результате использования энергии электрического поля
2.2.2 Длина волны возбуждения в активной среде зависит от:
а. амплитуды потенциала действия кардиомиоцита
б. от скорости распространения волны по миокарду
в. от частоты импульсов пейсмекера
г. от длительности рефрактерного периода возбужденной
клетки1. аб 2. бг 3. вг 4. аг
2.2.3.Циркуляция автоволны (reentry) длительностью Xв коль-це с периметром / может возникнуть при условии:
2.2.4. Если в неоднородной активной среде имеются зоны с рефрактерностями R 1 и R 2 (R 2 > R:) и импульсы от пейсмекера следуют с периодом Т, то трансформация ритма может возник-нуть при условии:
1. T
R 1 3.T = R 2 -R 1 2.3. Биофизика мышечного сокращения.
Контрольные вопросы, задачи, задания к семинарам
Почему при различных начальных длинах мышцы изо-метрическое сокращение имеет различную форму зависимос-ти F(t)?
Можно ли по кривой зависимости V(P) Хилла оп-ределить, какой максимальный груз может удерживать мышца?
Увеличивается ли эффективность сокращения мышцы с увеличением генерации тепла этой мышцей?
В чем состоят отличия электромеханического сопряжения в кардиомиоците и в скелетной мышце?
Типовые тесты текущего контроля
2.3.1. При мышечном сокращении:
а. нити актина скользят внутрь саркомера вдоль миозина
б. миозин сжимается подобно пружине
в. мостики прикрепляются к активным центрам актина
г. мостики размыкаются
1. ав 2. бг 3. бв 4. аг
2.3.2. Сила сокращения, генерируемая мышцей, определяется:
1. длиной активной нити
2 изменением силы, генерируемой одним мостиком
количеством одновременно замкнутых мостиков
упругостью миозиновой нити
2.3.3. Зависимость скорости v одиночного сокращения мышцы от нагрузки Р имеет вид:
2.3.4.Электромеханическое сопряжение определяется следую-щей цепью событий:
а. выброс ионов Са 2+ на миофибриллы
б. возбуждение клеточной мембраны
в. активный транспорт ионов Са 2+ внутрь саркоплазматического ретикулума
г. замыкание мостиков на активные центры актина
д. скольжение актина внутрь саркомера
1. Физиология человека. Т. 2. М.: Мир, 1996.
2. Васильев В.А., Романовский Ю.Н., Яхно В.Г. Автоволновые процессы. М.: Наука, 1987.
3.Иваницкий Г.Р., Кринский В.И., Сельков Е.Е. Математическая биофизика клетки. М.: Наука, 1978.
4. Черныш А.М. Биомеханика неоднородностей сердечной мышцы. М.: Наука, 1993.
5. Бендол Дж. Мышцы, молекулы и движение. М.: Мир, 1989.
РАЗДЕЛ 3. БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ
3.1. Моделирование биофизических процессов.
Контрольные вопросы, задачи, задания к семинарам
Через какое время после инъекции в крови останется 10 % первоначальной массы лекарственного препарата, если констан-та выведения к = 0,3 (1/час)?
Константы выведения двух разных лекарственных препара-тов различаются в два раза. Нарисуйте качественно графики изме-нения массы лекарства в крови при инъекциях для этих двух слу-чаев. Во сколько раз различаются скорости выведения при t = О?
Через некоторое время после того, как пациенту постави-ли капельницу (когда концентрация препарата вышла на ста-ционарный уровень), ему сделали инъекцию. Нарисуйте каче-ственно график изменения массы препарата во времени.
Типовые тесты текущего контроля
3.1.1. В модели хищник-жертва показано, что численность популяций хищников и жертв совершает гармонические колебания. Одинаковы ли частоты и фазы этих колебаний?
а. частоты одинаковы в. фазы одинаковы
б. частоты разные г. фазы разные
1. ав 2. бв 3. аг 4. бг
3.1.2. Какая модель является адекватной для исследований электрогенеза в клетках?
1. липосома 2. бислойная липидная мембрана
3. аксон кальмара 4. модель Франка
3.2. Биофизика системы кровообращения.
Контрольные вопросы, задачи, задания к семинарам
Учебно-методический комплекс по дисциплине «государственное регулирование экономики»
Учебно-методический комплекс... Учебно -методический комплекс по дисциплине «ГОСУДАРСТВЕННОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ЭКОНОМИКИ» УФА -2007 Государственное регулирование экономики: Учебно -методический комплекс ... экономических наук Учебно -методический комплекс по дисциплине «Государственное...
Учебно-методический комплекс по дисциплине общепрофессиональной подготовки «теория и методика обучения биологии» специальности «050102 65 – биология»
Учебно-методический комплексУчебно -методический комплекс по Учебно-методический комплекс
... __________________________________________________________ (ф.и.о.) Учебно -методический комплекс по дисциплине Организация ЭВМ и... Самме Г.В. Учебно -методический комплекс по дисциплине Организация ЭВМ и систем (название дисциплины ) составлен...
Радиус сосуда уменьшился вдвое. Во сколько раз изменит-ся объемная скорость кровотока при неизменном перепаде дав-ления?
Вычислите давление крови на расстоянии 5 см от начала сосуда, если в начале сосуда давление составляет 10 4 Па, его радиус 1 мм, вязкость крови 0,005 Па с, линейная скорость движения крови 20 см / с.
Во сколько раз изменится скорость падения давления в на-чале диастолы, если гидравлическое сопротивление мелких сосудов увеличилось на 20 % ?
Во сколько раз гидравлическое сопротивление участка аор-ты (радиус аорты 1,25 см) меньше, чем гидравлическое сопротив-ление участка артерии той же длины (радиус артерии 2,5 мм)? Вязкость крови в артерии составляет 0,9 вязкости крови в аорте.
Во сколько раз должно увеличиться давление крови в на-чале крупного сосуда, чтобы при сужении его просвета на 30 % давление на выходе из сосуда и объемная скорость кровотока остались бы прежними? В отсутствие сужения падение давле-ния в сосуде составляет 0,2 от давления в начале сосуда.
по биологии» к. п. н., доцент Осипова И.В. Методические указания студенту по изучению дисциплины Дисциплина «Методика внеклассной...
Эритроци́ты также известные под названием кра́сные кровяны́е тельца́ , -клетки крови человека. Эритроциты - высокоспециализированные клетки, функцией которых является перенос кислорода из лёгких к тканям тела и транспорт диоксида углерода (CO 2) в обратном направлении. У позвоночных, кроме млекопитающих, эритроциты имеют ядро, у эритроцитов млекопитающих ядро отсутствует.
Наиболее специализированы эритроциты млекопитающих, лишённые в зрелом состоянии ядра и органелл и имеющие форму двояковогнутого диска, обусловливающую высокое отношение площади к объёму, что облегчает газообмен. Особенности цитоскелета и клеточной мембраны позволяют эритроцитам претерпевать значительные деформации и восстанавливать форму (эритроциты человека диаметром 8 мкм проходят через капилляры диаметром 2-3 мкм).
Транспорт кислорода обеспечивается гемоглобином (Hb), на долю которого приходится ≈98 % массы белков цитоплазмы эритроцитов (в отсутствии других структурных компонентов). Гемоглобин является тетрамером, в котором каждая белковая цепь несёт гем - комплекс протопорфирина IX с ионом двухвалентного железа, кислород обратимо кординируется с ионом Fe 2+ гемоглобина, образуя оксигемоглобин HbO 2:
Особенностью связывания кислорода гемоглобином является его аллостерическое регулирование - стабильность оксигемоглобина падает в присутствии 2,3-дифосфоглицериновой кислоты - промежуточного продукта гликолиза и, в меньшей степени, углекислого газа, что способствует высвобождению кислорода в тканях, в нём нуждающихся. Содержимое эритроцита представлено главным образом дыхательным пигментом гемоглобином, обусловливающим красный цвет крови. Однако на ранних стадиях количество гемоглобина в них мало, и на стадии эритробластов цвет клетки синий; позже клетка становится серой и, лишь полностью созрев, приобретает красную окраску.
Важную роль в эритроците выполняет клеточная (плазматическая) мембрана, пропускающая газы (кислород, углекислый газ), ионы (Na, K) и воду.Плазмолемму пронизывают трансмембранные белки - гликофорины, которые, благодаря большому количеству остатков сиаловой кислоты, ответственны примерно за 60 % отрицательного заряда на поверхности эритроцитов.
На поверхности липопротеидной мембраны находятся специфические антигены гликопротеидной природы - агглютиногены - факторы систем групп крови(на данный момент изучено более 15 систем групп крови: AB0, резус фактор, антиген Даффи (англ.)русск., антиген Келл, антиген Кидд (англ.)русск.), обусловливающие агглютинацию эритроцитов при действии специфических агглютининов.
Эффективность функционирования гемоглобина зависит от величины поверхности соприкосновения эритроцита со средой. Суммарная поверхность всех эритроцитов крови в организме тем больше, чем меньше их размеры. У человека диаметр эритроцита составляет 7,2-7,5 мкм, толщина - 2 мкм, объём - 76-110 мкм³ Мембрана эритроцита представляет собой пластичную молекулярную мозаику, состоящую из белков, липопротеинов и гликопротеинов и, возможно, чисто липидных участков. Толщина ее составляет около 10 нм, она примерно в миллион раз более проницаема для анионов, чем для катионов. Перенос веществ через мембрану совершается в зависимости от их химических свойств разными способами: гидродинамически (путем диффузии), когда вещества, как в растворе, проходят через заполненные водой мембранные поры, или, если вещества растворимы в жирах, путем проникновения через липидные участки. Некоторые вещества способны вступать в легко обратимые связи со встроенными в мембрану молекулами - переносчиками, и в дальнейшем они или пассивно, или в результате так называемого активного транспорта проходят через мембрану.
45.Образование эритроцитов. Факторы, участвующие в образовании эритроцитов и гемоглобина, регуляция эритропоэза. СОЭ, ключевые факторы, определяющие величину СОЭ.
главным стимулом развития эритроцитов яв-ся гипоксия. Гипоксия – снижение сод-ия кислорода в тканях. Дефицит О2 способствует обр-ию эритропоэтинов в эпителие почек. Эритропоэтины поступают в кровь, затем в ККМ, где стимулируют диф-ку и развитие стволовых клеток в эритроциты. Регуляцией эритропоэза зан-ся витамин в12 и фолиевая кислота. Эти витамины необходимы для созревания и развития ядра клетки. Витамин в12 связывается в желудке с белком переносчиком и оьразуется транскобаламин и перенсится в 12 п.к.. Там он подвергается гидролизу, а вит. В12 с внутренним фактором кроветворения пост-ет в подвздошную кишку. В этом отделе в присутствий Са2+ связывается с мембраной энтероцита. Попадает вв кровь, и транспортируется к к-мишеням. Витамин В12 уч-ет в синтезе ДНК в эритробластах. Витамин в6 - кофермент, уч-ий в обр-ий гема в эритробластах. Витамин С – способствует метаболизму фолиевой кислоты в эритробластах. СОЭ – неспециический показатель на наличие болезни, т.к. повышается уровень белков плазмы крови и скорость оседания эритроцитов повышается. В норме от 5 до 10 мм/час.
ЭРИТРОЦИТЫ
Эритроциты - красные кровяные тельца. Они наиболее часто имеют двояковогнутую форму. Диаметр эритроцита равен 7,3 мкм, а поверхность -145 мкм2. Двояковогнутую форму имеют эритроциты - нормоцитыЗЙри такой форме в эритроците нет ни одной точки, которая отстояла бы более чем на 0,85 мкм от его поверхности^ Ее л и бы эритроциты имели форму шара, то центр клетки находился бы на расстоянии 25 мкм, а общая поверхность была бы на 20 % меньше. Соотношение площади к объему, равное 1,5, благоприятствует деформируемости эритроцитов и способствует переносу кислорода от легких к органам/ Уменьшение этого соотношения, наблюдаемое при увеличении объема эритроцита, приобретение им сферической формы, делает его менее деформируемым. Это ведет к быстрому разрушению эритроцита. Кроме того, такая форма позволяет эритроциту закрепляться в фибриновой сети при образовании тромба^£реди эритроцитов кроме нормоцитов встречаются микроциты (с d < 7,2 мкм) и макроцитьг^с d > 8-9 мкм). По форме выявлены дискоциты (нормоциты), планоциты (с плоской поверхностью), сто-матоциты (куполообразные), сфероциты (шаровидные), эхиноциты (шиловидные) и др.
Мембрана эритроцита состоит из 4-х слоев.
Средние два слоя состоят из фосфолипидов, стабилизированных холестерином. Увеличение соотношения холестерин/фосфолипиды в мембране увеличивает ее вязкость, уменьшает ее текучесть и эластичность. Снижается деформируемость эритроцита.
Фосфолипиды - главный структурно-функциональный компонент мембран. Различают четыре основных класса фосфолипидов, которые в эритро-цитарной мембране содержатся в следующих концентрациях: фосфатидилхо-лин - 28 %, фосфатидилэтаноламин - 27 %, сфингомиелин 26 %, фосфати-дилсерин -13 %.
Фосфолипидная молекула состоит из трех основных частей - "головки" и двух "хвостов". "Хвосты" - вытянутые цепи жирных кислотой состав фосфолипидов эритроцитарной мембраны входят олеиновая, арахидоновая, ли-нолевая, пальмитиновая и стеариновая кислоты. В бислое гидрофильные "головки", фосфолипидных молекул образуют верхнюю и нижнюю поверхности мембраны, а гидрофобные "хвосты"^ббр&шены друг к другу и скрыты в ее толще. Важной особенностью мембран является асимметрия бислоя - различный состав липидов в его внутреннем и наружном слоях>Дсимметрия бислоя создается и поддерживается ферментами липидного обмена. Она обеспечивает межклеточные взаимодействия - фосфолипиды мембран эритроцитов обновляются за счет их обмена с липидами плазмы крови. В течение суток обменивается 25 % всех мембранных фосфолипидов.
Белки являются другим наряду с фосфолипидамй важным компонентом мембраны. Они различаются по степени погружения в липидный бислой: некоторые располагаются поверхностно, образуя наружный слой мембраны; другие пронизывают его насквозь; третьи - поддерживают бислой со стороны цитоплазмы, образуя внутренний слой. Взаимодействуя друг с другом, белки создают каркас мембраны, обеспечивая ее прочность? Между белками и липидами существует тесная взаимосвязь. Липиды определяют подвижность белков и отвечают за пластичность и деформабельность мембран.
Основные классы мембранных белков представлены интегральными и периферическими протеинами.
Интегральные белки тесно связаны с липидным бислоем, пронизывают его насквозь и могут включать в свой состав липидные и углеводные фрагменты.
(Протеин-3 является основным интегральным белком. Он, взаимодействуя с анкирино"м> расположенным на внутренней стороне мембраны, обеспечивает прочную связь липидного бислоя с периферическими белками. Функции протеина-3 следующие: он является основным переносчиком анионов, Додержит участки для связывания глицеральдегидфосфатдегидрогеназы, альдолазы, гемоглобина. На его наружной поверхности имеется антигенная система, определяющая групповую принадлежность эритроцита.
Гликофорины образуют большие сиалогликопептидные молекулы: Гликозилированные части гликофоринов, неся на себе заряженные группьГ или рецепторы, способствуют их распространению на значительные расстояния кнаружи от поверхности мембранц. ГликофориньАусиливают действие трансмембранных протеинов, способствуют укреплению и стабилизации ци-тоскелета.
Мембранные АТФ-азы - их 3. На*-К+-АТФ-аза выводит из эритроцита Na+, а вводит К+. Са2+-АТФ-аза - перемещает Са2+ из эритроцита, когда он связан с белком кальмодулином. При повышении концентрации Са2* в цитоплазме усиливается работа кальциевого насоса, предупреждается распад мембранного скелетач_1\^2+-АТФ-аза может быть модулятором изменения формы эритроцитов. Функция всех мембранных АТФ-аз заключается в энергетическом обеспечении активного транспорта ионов.
Периферические белки отличаются меньшей глубиной проникновения в бислой и слабым взаимодействием с ним.
Спектрин - главный протеин мембранного скелета., В состав последнего входят также и другие периферические белки: актин, протеин-4.1 и про-теин-4.9 (связывает актин). Все они локализуются на цитозольной поверхности мембраны и образует основу скелета мембраны, имеющего прочную, жёсткую структуру.
Ацетилхолинэстераза - фермент, катализирующий расщепление аце-тилхолина,) находится на наружной стороне эритроцитарной мембраны. Большинство ферментов гликолиза ориентировано на цитоскелете эритроцитарной мембраны.
Белки, образующие мембрану эритроцитов, выполняют множество функций: обеспечивают прочность цитоскелета, контролируют постоянство ионного состава цитоплазмы при участии транспортных АТФ-аз, участвуют в специфическом узнавании биологически активных веществ, регулируют внутриклеточный метаболизм, определяют иммунные свойства, а также обеспечивают энергетические потребности клетки.
В отличие от мембран других клеток, мембрана эритроцитов имеет высокую проницаемость для С>2, ССЬ, НСОз", СГ.Она плохо проницаема для катионов Na+, К+, которые медленно проходят через трансмембранные поры.
Эритроциты млекопитающих - безъядерные образования с очень низким собственным дыханием. Без ядра эритроцит потребляет в 200 раз меньше U2, чем ядерные клетки. Снижение потребления Oi ведет к увеличению продолжительности жизни эритроцита. Основным источником энергии у них яв-
ляется глюкоза. Энергия, необходимая для сохранении структуры и стабилизации гемоглобина, образуется за счет гликолиза и пентозного шунта.
Липосомы представляют собой в некотором роде прообраа клетки. Они служат моделью для исследований рааличных свойств клеточных мембран.
Липосомы нашли непосредственное применение в медицине. Например, можно ааключить внутрь липосом лекарственный препарат и испольаовать как фосфолипндную мнкрокапсулу для доставки лекарства в определенные органы и ткани. Липосомы не токсичны (при правильном подборе липидов), полностью усваиваются органиамом, способны преодолевать некоторые биологические барьеры. Так, инсулин, ааключенный в липосому, аащищен от действия пищеварительных ферментов. В настоящее время выясняется воаможность вводить этот препарат в липосомах перорально, что может набавить больных диабетом от необходимости систематических уколов. Проводятся работы по рааработке методов лнпосомальной терапии опухолей, ферментативной недостаточности, атеросклероаа. Научается воаможность прицельной доставки лекарственного препарата, ааключенного в липосомах, к больному органу или даже к больному участку (в частности, к пораженному участку сердца).
Для этого к липосоме присоединяется белковая молекулаантитело к соответствующему мембранному антигену органа-мишени. Липосомы с током крови рааносятся по всему органиаму и аадерживаются, окааавшись около органа-мишени.
Несмотря на ааманчивые перспективы липосомальной терапии, еще имеется достаточно много нерешенных вопросов. Ы ~Уре
с Ряс. 1. 12. Обраэование плоской бислойной лилианой мембраны
Плоские биелойиые липидиые мембраны (БЛМ) - другой тип модельных мембран. Такие мембраны получают иа маленьких отверстиях диаметром около 1 мм в пластинке ив пластика (например, фторопласта), погруженной в водную среду. На отверстие наносят каплю раствора липида (в спирте, хлороформе, гептаие или других растворителях). Раствори- тель диффундирует ив раствора в воду, и иа отверстии остается пленка липида. Эта плевка спонтанно утончается до тех пор, пока не обраэуется бимолекулярный слой толщиной около 6 нм. Лишний линия собирается в виде ободка-торуса у краев отверстия (рис. 1.12).
Плоские липидные мембраны, наряду с липосомами, широко испольэуются в качестве моделей для научения электрических свойств мембраны, их проницаемости и других научных исследований. С помощью модельных мембран научают ряд функций биологических мембран, а том числе, барьерную (например, селективность проницаемости - хорошую проницаемость для воды и плохую для ионов). Можно моделировать биологический транспорт, вводя в модельную мембрану молекулы-переносчики.
КОНТРОЛЪНЫВ ВОПРОСЫ, ЗАДАЧИ, ЗАДАНИЯ
1. Удельная электрическая емкость мембраны аксона, немеренная внутриклеточным микроэлектродом, окаэалась равной 0,5 микрофарад/см". По формуле плоского конденсатора оценить толщину гидрофобиого слоя мембраны с диэлектрической проницаемостью 2.
2. Какое расстояние на поверхности мембраны эритроцита проходит молекула фосфолнпида эа 1 секунду в реэультате латеральной диффуэииу Коэффициент латеральной диффуэии принять равным 10 1э м"/с. Сравните с окружностью эритроцита диаметром 8 мкм.
3. При фаэовом переходе мембранных фосфолипидов иэ жидкокристаллического состояния в гель толщина бислоя иэменяется. Как при этом пепелится электрическая емкость мембраныу Как иэменится напряженность электрического поля в мембранеу
4. С помощью спин-меченых молекул фосфолипидов установлен градиент вяэкости по толщине мембраны. Опишите эксперимент. Где вяэкость выше: у поверхности мембраны или в ее центреу
1.Опыты Пфефера, Харди-Фишера, Овертона. Природа клеточной мембраны и альтернатива клеточной мембране.
2. Метод флуоресцентных зондов при изучении клеточных мембран.
3.Удельная электрическая емкость мембраны аксона, измеренная внутриклеточным электродом, оказалась равной 0,5 мкф/см 2 . по формуле плоского конденсатора определить толщину гидрофобного слоя мембраны. Ε липидов считать равной 2.
4.Механизм генерации потенциала действия кардиомицета.
5.Метод спиновых зондов в изученни клеточных мембран.
6. Какое расстояние на поверхности мембраны эритроцита проходит молекула фосфолипида за 1 секунду в результате латеральной диффузии? Коэффициент латеральной диффузии принять равным 10 -12 м 2 /с. сравнить с окружностью эритроцита диаметром 8 мкм.
7.Структура ионного канала.
8.Метод дифференциальной микрокалориметрии.
9.При фазовом переходе мембранных фосфолипидов из жидкокристаллического сосотояния в гель тольщина бислоя изменяется. Как при этом изменится электрическая емкость мембраны?
10.Ионные каналы клеточных мембран.
11.Рентгеноструктурный анализ при изучении клеточных мембран. Принципы и примеры.
12. При фазовом переходе мембранных фосфолипидов из жидкокристаллического состояния в гель толщина бислоя изменяется. Как при этом изменится напряженность электрического поля в мембране?.
13.Ионные токи в аксоне. Модель Ходжкина-Хаксли.
14.Методы изучения проницаемости мембран.
15. С помощью спин-меченных молекул фосфолипидов установлен градиент вязкости в мембране по толщине. Опишите эксперимент.
16.Механизм генарции потенциала действия.
17.Применение кондуктометрии при изучении мембран. Опыты Фрике.
18. Где вязкость гидрофобного слоя выше: у поверхности мембраны или в ее толщине. Как это установлено?
19.Распространения нервного импульса вдоль возбудимого волокна.
20.Электрокинетические явления в клетках и суспензиях.
21. Как изменится облегченная диффузия ионов калия с участием молекулы валиномицина после фазового перехода мембранных липидов из жидкокристаллического состояния в гель?
22.Потенциал действия. физический механизм.
23.Электросмос в живых клетках и тканях.
24.Будет ли наблюдаться осмотический эффект (набухание в гипотоническом и сморщивание в гипертоническом растворах) при накоплении ионов натрия по схеме антипорта?
25.Потенциал покоя. Его природа.
26. Природа осмоса в живых клетках.
27. Будет ли наблюдаться осмотический эффект (набухание в гипотоническом и сморщивание в гипертоническом растворах) при накоплении ионов натрия по схеме симпорта?
28.Природа биоэлектрических потенциалов.
29.Клетка как осмометр. Пример определения изотоничности раствора с использованием живых клеток.
30.Показать, что уравнение Нернста-Планка сводится к уравнению Фика для случая диффузии незаряженных частиц.
31.Различия белковых каналов и липидных пор.
32.Природа оседания мертвых клеток. Физ.хим осонвы метода СОЭ.
33. Фермент Na + -K + - АТФаза в плазматической мембране эритроцита совершил шесть циклов. Какое количество ионов натрия и калия при этом было активно транспортировано? Сколько энергии было при этом израсходовано, если гидролиз одного моля АТФ сопровождается освобождением 33,6кДж?. КПД сопряжения считать равным 100%.
34.механизм проницаемости мембран для молекул воды. Гипотеза кинков.
35.ЯМР-спектроскопия при исследованиях мембран. Примеры и принципы.
36. в клеточных мембранах известно три ионных насоса натрий-калиевый, протонный, кальциевый. Каким образом осуществляется при этом активный транспорт сахара и аминокислот?
37.модель формирования поры при фазовом переходе.
38.методы измерения микровязкости в мембранах.
39. возможен ли одновременный трансмембранный перенос ионов калия и натрия по схеме симпорта?
40.электрический пробой мембранных липидов.
42.методы спектральных зондов.
43. возможен ли одновременный трансмембранный перенос ионов калия и натрия по схеме антипорта?
44.модель критической липидной поры.
45.применение ион-селективных электродов при исследованиях проницаемости мембран.
46. возможен ли одновременный трансмембранный перенос ионов калия и натрия по схеме унипорта?
47.липидные поры в свете стабильности мембран.
48. методы эритрограмм. Их информационная ценность.
49. какой транспорт ионов создает мембранную разность потенциалов: пассивный или активный?
50.механизм и закономерности вторичного активного транспорта ионов.
51. экспериментальные критерии облегченной диффузии.
52. что больше скорость распространения электрического сигнала по проводам морского телеграфа или скорость распространения нервного импульса по мебране аксона? Почему?
53. Электрогенные ионные насосы.
54. Методы фракционирования клетки.
55. Каков биофизический механизм действия местного анестетика тетрэиламмония?
56. Опыт и схема Уссинга.
57. Природа сил липид-липидного взаимодействия в мембране. Методы исследования.
Календарный тематический план по дисциплине
«Молекулярная организация биологических мембран»
2011/2012 уч. год (4 курс, 7 семестр ВБФ биофизики)
дата № п/п Тип и название учебного модуля Учебно-методическое обеспечение учебного модуля ЛЕКЦИИ: Биологические мембpаны как унивеpсальные стpуктуpно-функциональные обpазования живых систем. Конспект лекции. Стpуктуpная оpганизация биомембpан. Конспект лекции. Белки и липиды мембран. Конспект лекции. Белок-липидные взаимодействия. Конспект лекции. Динамические свойства мембран. Конспект лекции. Моделирование структуры мембран. Конспект лекции. Pасчеты стpуктуpы мембpан Конспект лекции. ИТОГО – 14 часов Практические занятия * Расчеты электрической емкости и импеданса мембран. Компьютерный класс кафедры. Определение толщины мембраны эритроцита по электропроводности. Компьютерный класс кафедры. Исследование механической прочности мембран эритроцитов. Компьютерный класс кафедры. Исследование влияния холестерола на деформируемость мембран эритроцитов. Компьютерный класс кафедры. Расчеты прочности мембран эритроцитов. Компьютерный класс кафедры. Исследование действия магнитного поля на механические свойства мембран эритроциов Компьютерный класс кафедры. Итого – 22 часа * - каждое практическое занятие рассчитано на 4 часа.
Утв. на заседании кафедры _____________________________________________
в противоположную сторону
