Model de membrane lipidice. Transportul activ al substanțelor
1. Experimentele lui Pfeffer, Hardy-Fisher, Overton. Natura membranei celulare și o alternativă la membrana celulară.
2. Metoda sondelor fluorescente în studiu membranele celulare.
3. Capacitatea electrică specifică a membranei axonilor, măsurată cu un electrod intracelular, s-a dovedit a fi egală cu 0,5 μF/cm2. Folosind formula unui condensator plat, determinați grosimea stratului hidrofob al membranei. Ε de lipide este considerat egal cu 2.
4. Mecanismul de generare a potenţialului de acţiune cardiomicet.
5. Metoda sondei spin în studiul membranelor celulare.
6. Ce distanță parcurge o moleculă de fosfolipide pe suprafața membranei eritrocitare în 1 secundă ca urmare a difuziei laterale? Coeficientul de difuzie laterală se ia egal cu 10 -12 m 2 /s. comparați cu circumferința unui eritrocite cu un diametru de 8 microni.
7.Structura canalului ionic.
8.Metoda de microcalorimetrie diferenţială.
9. În timpul tranziției de fază a fosfolipidelor membranare de la starea cristalină lichidă la gel, grosimea stratului dublu se modifică. Cum se va schimba capacitatea electrică a membranei?
10.Canale ionice ale membranelor celulare.
11. Analiza structurală cu raze X în studiul membranelor celulare. Principii și exemple.
12. În timpul tranziției de fază a fosfolipidelor membranei de la starea cristalină lichidă la gel, grosimea stratului dublu se modifică. Cum se va schimba tensiunea? câmp electricîn membrană?
13.Curenți ionici în axon. Modelul Hodgkin-Huxley.
14.Metode pentru studierea permeabilității membranei.
15. Folosind molecule de fosfolipide marcate cu spin, a fost stabilit un gradient de grosime al vâscozității în membrană. Descrie experimentul.
16.Mecanism de generare a potențialului de acțiune.
17. Aplicarea conductometriei în studiul membranelor. experimentele lui Fricke.
18. Acolo unde vâscozitatea stratului hidrofob este mai mare: la suprafața membranei sau în grosimea acesteia. Cum se instalează asta?
19. Propagarea unui impuls nervos de-a lungul unei fibre excitabile.
20. Fenomene electrocinetice în celule și suspensii.
21. Cum se va schimba difuzia facilitată a ionilor de potasiu cu participarea moleculei de valinomicină după trecerea de fază a lipidelor membranare de la starea cristalină lichidă la gel?
22. Potenţial de acţiune. mecanism fizic.
23. Electrosmos în celulele și țesuturile vii.
24. Va exista un efect osmotic (umflarea în soluțiile hipotonice și contracția în soluțiile hipertonice) atunci când ionii de sodiu se acumulează conform schemei antiport?
25.Potențial de odihnă. Natura sa.
26. Natura osmozei în celulele vii.
27. Va exista un efect osmotic (umflare în soluțiile hipotonice și contracție în soluțiile hipertonice) atunci când ionii de sodiu se acumulează conform schemei de simport?
28. Natura potenţialelor bioelectrice.
29.O celulă este ca un osmometru. Un exemplu de determinare a izotonicității unei soluții folosind celule vii.
30. Să se arate că ecuația Nernst-Planck se reduce la ecuația Fick pentru cazul difuziei particulelor neîncărcate.
31. Diferențele dintre canalele proteice și porii lipidici.
32. Natura sedimentării celulelor moarte. Bazele fizico-chimice ale metodei ESR.
33. Enzima Na + -K + - ATPaza din membrana plasmatică a unui eritrocit a încheiat șase cicluri. Câți ioni de sodiu și potasiu au fost transportați activ? Câtă energie a fost consumată în acest caz dacă hidroliza unui mol de ATP este însoțită de eliberarea a 33,6 kJ? Considerați că eficiența de cuplare este de 100%.
34.mecanismul permeabilității membranei pentru moleculele de apă. Ipoteza Kink.
35.Spectroscopia RMN în studiile membranare. Exemple și principii.
36. Trei pompe ionice sunt cunoscute în membranele celulare: sodiu-potasiu, protoni și calciu. Cum se realizează transportul activ al zahărului și al aminoacizilor?
37.model de formare a porilor în timpul unei tranziții de fază.
38.metode de măsurare a microvâscozităţii în membrane.
39. Este posibil transferul transmembranar simultan al ionilor de potasiu și sodiu conform schemei de simport?
40.defalcare electrică a lipidelor membranare.
42.metodele sondelor spectrale.
43. Este posibil transferul transmembranar simultan al ionilor de potasiu și sodiu conform schemei antiport?
44.modelul porului lipidic critic.
45.utilizarea electrozilor ion-selectivi în studiile permeabilității membranei.
46. Este posibil transferul transmembranar simultan al ionilor de potasiu și sodiu conform schemei uniport?
47.porii lipidici în lumina stabilităţii membranei.
48. Metode de eritrogramă. Valoarea lor informațională.
49. Ce fel de transport ionic creează o diferență de potențial membranar: pasiv sau activ?
50.mecanismul și tiparele transportului activ secundar al ionilor.
51. criterii experimentale de difuzie facilitată.
52. Care este mai mare viteza de propagare a unui semnal electric de-a lungul firelor unui telegraf marin sau viteza de propagare a unui impuls nervos de-a lungul membranei axonului? De ce?
53. Pompe electrogenice de ioni.
54. Metode de fracţionare celulară.
55. Care este mecanismul biofizic de acțiune al anestezicului local tetrailamoniu?
56. Experiența și schema lui Ussing.
57. Natura forțelor de interacțiune lipidă-lipidă din membrană. Metode de cercetare.
Calendarul plan tematic pentru disciplina
„Organizarea moleculară membrane biologice»
Anul universitar 2011/2012 an (anul 4, semestrul 7 WBF de biofizică)
| data | Nu. | Tipul și numele modulului de formare | Suport educațional și metodologic pentru modulul de formare |
| PRELEȚII: | |||
| Membranele biologice ca formațiuni structurale și funcționale universale ale sistemelor vii. | Note de curs. | ||
| Organizarea structurală a biomembranelor. | Note de curs. | ||
| Proteinele și lipidele membranei. | Note de curs. | ||
| Interacțiuni proteine-lipidice. | Note de curs. | ||
| Proprietățile dinamice ale membranelor. | Note de curs. | ||
| Modelarea structurii membranei. | Note de curs. | ||
| Calculele structurii membranei | Note de curs. | ||
| TOTAL – 14 ore | |||
| exercitii practice * | |||
| Calcule ale capacității electrice și ale impedanței membranelor. | Clasa de calculatoare a catedrei. | ||
| Determinarea grosimii membranei eritrocitare prin conductivitate electrică. | Clasa de calculatoare a catedrei. | ||
| Studiul rezistenței mecanice a membranelor eritrocitare. | Clasa de calculatoare a catedrei. | ||
| Studiul efectului colesterolului asupra deformabilității membranelor eritrocitare. | Clasa de calculatoare a catedrei. | ||
| Calcule ale rezistenței membranelor eritrocitare. | Clasa de calculatoare a catedrei. | ||
| Cercetare prin acțiune câmp magnetic asupra proprietăților mecanice ale membranelor eritrocitare | Clasa de calculatoare a catedrei. | ||
| Total – 22 de ore |
* - fiecare lectie practica proiectat pentru 4 ore.
Aprobat la ședința de departament _____________________________________________
Transport activ - transferul de molecule și ioni, care are loc cu un cost energie chimicăîn direcţia de la valori mai mici la valori mai mari.
În acest caz, moleculele neutre sunt transferate într-o zonă de concentrație mai mare, iar ionii sunt transferați împotriva forțelor care acționează asupra lor din câmpul electric. Astfel, transportul activ realizează transferul de substanțe în direcția opusă transportului, care ar trebui să aibă loc sub influența gradienților (în primul rând concentrația și electrice). Energia se obține prin hidroliza moleculelor de o specială compus chimic- acid adenozin trifosforic (ATP). Sa stabilit experimental că energia de descompunere a unei molecule de ATP este suficientă pentru a elimina trei ioni de sodiu din exterior și pentru a introduce doi ioni de potasiu în celulă. Diagrama transportului activ este prezentată în Fig. 13.
După ce a captat un ion de potasiu din mediul extern cu un centru activ și un ion de sodiu din mediul intern cu celălalt, sistemul, consumând ATP, se rotește cu 180° în interiorul membranei. Ionul de sodiu ajunge în afara celulei și este separat acolo, iar ionul de potasiu intră și este de asemenea eliberat, după care molecula de proteină își ia poziția inițială și totul începe de la capăt.
Datorită transportului activ, celula menține o concentrație mare de potasiu și o concentrație scăzută de sodiu în ea însăși. În acest caz, ionii se pot deplasa împotriva gradientului lor de concentrație (analogie cu un gaz: pomparea gazului dintr-un vas cu presiune scăzută într-un vas cu presiune mare).
Fig. 13. Schema de transport activ
Transportul activ al substanțelor prin membranele biologice este de mare importanță. Datorită transportului activ, în organism se creează gradienți de concentrație, gradienți de potențial electric, gradienți de presiune etc., care susțin procesele vieții, adică, din punct de vedere al termodinamicii, transportul activ menține corpul într-o stare de neechilibru și susține. viaţă.
Existența transportului activ de substanțe prin membranele biologice a fost dovedită pentru prima dată în experimentele lui Ussing (1949) folosind exemplul transferului ionilor de sodiu prin pielea unei broaște (Fig. 14).
Orez. 14. Schema experimentului lui Ussing (A - ampermetru, V - voltmetru, B - baterie, P - potențiometru)
Camera experimentală a lui Ussing, umplută cu soluție normală de Ringer, a fost împărțită în două părți cu piele de broască proaspăt izolată. În Fig. 14, în stânga este suprafața mucoasă exterioară a pielii, în dreapta este seroasă interioară. S-au observat fluxuri de ioni de sodiu prin pielea unei broaște: de la stânga la dreapta de la suprafața exterioară la suprafața interioară și de la dreapta la stânga - de la suprafața interioară la suprafața exterioară.
O diferență de potențial a apărut pe pielea broaștei care împarte soluția Ringer, partea interioară a pielii având un potențial pozitiv față de cea exterioară. Instalația avea o unitate de compensare a tensiunii, cu ajutorul căreia diferența de potențial de pe pielea broaștei era setată la zero, care era controlată de un voltmetru. În plus, aceeași concentrație de ioni a fost menținută la exterior și în interior. În aceste condiții, dacă transportul ionilor de sodiu prin pielea unei broaște a fost determinat doar prin transport pasiv, atunci fluxurile de ioni de sodiu ar trebui să fie egale între ele și nu ar exista curent în circuit.
Cu toate acestea, s-a descoperit că în condiții experimentale (absența gradienților de potențial electric și de concentrație) curge prin pielea broaștei. curent electric Prin urmare, are loc un transfer într-un singur sens al particulelor încărcate. S-a stabilit că curentul curge prin piele din mediu extern spre cel interior. Folosind metoda atomului marcat, s-a demonstrat că fluxul interior de sodiu este mai mare decât fluxul exterior.
Pentru a face acest lucru, izotopii radioactivi Na 22 au fost incluși în soluția din stânga a camerei experimentale, iar Na 24 în soluția din dreapta. Izotopul Na 22 se descompune odată cu emisia de cuante γ dure. Dezintegrarea Na 24 este însoțită de radiații β moale. Înregistrarea radiațiilor γ - și β - a arătat că fluxul de Na22 este mai mare decât fluxul de Na24. Aceste date experimentale au oferit dovezi de nerefuzat că transportul ionilor de sodiu prin pielea unei broaște nu se supune ecuației de transport pasiv. Prin urmare, are loc transferul activ. Experimentele ulterioare au arătat că epuizarea rezervelor de ATP din pielea broaștei duce la o oprire completă a fluxului unidirecțional al ionilor de sodiu.
3. Scopul activităților elevilor la clasă:
Studentul trebuie sa stie:
1. Rolul membranei în funcționarea celulei.
2. Structura, structura și modelele membranelor.
3. Funcţiile membranei.
4. Proprietăţile fizice ale membranelor.
5. Ecuația lui Fick.
6. Ecuația Nernst-Planck.
7. Tipuri de transport pasiv al particulelor prin membrană.
8. Transportul activ al particulelor prin membrană.
Studentul trebuie să fie capabil să:
1. Explicați structura membranei.
2. Explicați modelele de membrane artificiale.
3. Explicați mecanismul transportului pasiv prin membrană.
4. Explicați mecanismul transportului activ prin membrană.
5. Rezolvați probleme situaționale.
1. Structura membranelor biologice.
2. Modelul mozaic lichid al membranei.
3. Modele cu membrane artificiale.
4. Funcțiile de bază ale membranei celulare.
5. Proprietăţile fizice ale membranelor.
6. Transferul de molecule (atomi) prin membrană. Ecuația lui Fick.
7. Transferul ionilor prin membrane. Ecuația Nernst-Planck.
8. Tipuri de transport pasiv al moleculelor și ionilor prin membrane.
9. Transport activ. Experiența lui Ussing.
10. Rezolvarea problemelor situaționale.
5. Lista de întrebări pentru a verifica nivelul inițial de cunoștințe:
1. Ce sunt membranele biologice?
2. Care este baza membranei?
3. De ce sunt folosite modele de membrane fizico-chimice (artificiale)?
4. Descrieți modelul mozaic lichid al membranei.
5. Ce este difuzia laterală? tranziție flop-flop?
6. Care sunt principalele funcții ale membranei și care sunt acestea?
7. Notați ecuațiile Fick și Nernst-Planck. Ce procese descriu ele?
8. Ce se numește mobilitate?
9. Ce este transportul pasiv? Ce tipuri de transport pasiv există?
10. Ce este transportul activ? Cum se realizează?
11. Care este importanța transportului activ al substanțelor?
12. Explicați fenomenele transferului de materie și de sarcină printr-o membrană.
13. Ce se întâmplă dacă o celulă este plasată în apă curată?
6 . Lista de întrebări pentru a verifica nivelul final de cunoștințe:
1. Descrieți modelele de membrane lipidice. Unde sunt folosite?
2. Descrie proprietăți fizice membranelor
3. În timpul tranziției de fază a fosfolipidelor membranare de la starea cristalină lichidă la gel, grosimea stratului dublu se modifică. Cum se va schimba capacitatea electrică a membranei? Cum se va schimba intensitatea câmpului electric din membrană?
4. Aplicați ecuația lui Fick pe o membrană biologică.
5. Scrieți și explicați ecuația Nernst-Planck.
6. Arătați că ecuația Nernst-Planck se reduce la ecuația Fick pentru difuzia particulelor neîncărcate.
7. Descrieți tipurile de transport pasiv.
8. Permeabilitatea membranelor celulare pentru moleculele de apă este de aproximativ 10 ori mai mare decât pentru ioni. Ce se întâmplă dacă este izotonic soluție apoasă, în care se află globulele roșii, crește concentrația unei substanțe active osmotic (de exemplu, ionii Na+)?
9. Descrieți experiența lui Ussing.
7. Rezolvați probleme:
1. Ce distanță parcurge o moleculă de fosfolipide pe suprafața membranei eritrocitare în 1 secundă ca urmare a difuziei laterale? Se ia coeficientul de difuzie laterală egal cu 10 -12 m 2 /s. Comparați cu circumferința unei celule roșii din sânge cu un diametru de 8 microni.
2. Capacitatea electrică specifică a membranei axonilor, măsurată de un microelectrod intracelular, s-a dovedit a fi egală cu 0,5 μF/cm2. Folosind formula pentru un condensator plat, estimați grosimea stratului hidrofob al unei membrane cu o constantă dielectrică de 2.
3. Grosimea stratului dublu la interfața membrană-electrolit este caracterizată de raza Debye δ . Defini δ pentru cazul în care soluția de electrolit care înconjoară membrana conține numai ioni de potasiu cu o concentrație de: 1) 10 -5 mol/l; 2) 10 -2 mol/l.
4. Aflați raza Debye de screening creată de ionii de calciu prezenți în soluție cu o concentrație de 10 -5 mol/l și ionii de sodiu cu o concentrație de 10 -4 mol/l. Cum se va schimba δ, daca solutia contine doar ioni de calciu la o concentratie de 10 -4 mol/l?
5. Raza critică a unui por lipidic dintr-o membrană depinde de tensiunea marginii porului, de tensiunea superficială a membranei și de potențialul membranei. Deduceți o formulă pentru raza critică a porilor. Calculați raza critică a porilor în absența potențialului de membrană. Să presupunem că tensiunea la marginea porului este de 10 -11 N, tensiunea superficială a stratului dublu lipidic este de 0,3 mN/m.
6. Concentrația molară de oxigen în atmosferă cu a= 9 mol/m. Oxigenul difuzează de la suprafața corpului insectelor spre interior prin tuburi numite trahee. Lungimea medie a traheei este de aproximativ h= 2 mm și aria secțiunii sale transversale S= 2∙10 -9 m2. Presupunând că concentrația de oxigen din interiorul insectei ( Cu) este jumătate din concentrația de oxigen din atmosferă, calculați fluxul de difuzie prin trahee. Coeficientul de difuzie a oxigenului D= 10 -5 m 2 /s.
7. Stratul dublu fosfolipidic aseamănă o membrană biologică cu un condensator. Substanța membranei este un dielectric cu o constantă dielectrică ε = 4. Diferența de potențial între suprafețele membranei U= 0,2 V la grosime d= 10 nm. Calculați capacitatea electrică a unei membrane de 1 mm 2 și intensitatea câmpului electric din ea.
8. Aria suprafeței unei celule este aproximativ egală cu S=5∙10 -10 m 2. Capacitatea electrică specifică a membranei (capacitate pe unitate de suprafață) este Curtea= 10 -2 F/m2. În acest caz, potențialul intercelular este egal cu U= 70 mV. Determinaţi: a) cantitatea de sarcină de pe suprafaţa membranei; b) numărul de ioni monovalenți care formează această sarcină.
9. Enzima Na + - K + - ATPaza din membrana plasmatică a eritrocitei a încheiat șase cicluri. Câți ioni de sodiu și potasiu au fost transportați activ? Câtă energie a fost consumată în acest caz dacă hidroliza unui mol de ATP este însoțită de eliberarea a 33,6 kJ? Eficiența procesului de cuplare energetică este considerată 100%.
8. Munca independentă elevi:
Conform manualului de Antonov V.F et al. (§ 15.4.), familiarizați-vă cu prin metode fizice determinarea grosimii membranei.
9. Cronograful sesiunii de antrenament:
1. Moment organizatoric– 5 min.
2. Analiza temei – 50 min.
3. Rezolvarea problemelor situaționale – 40 min.
4. Controlul cunoștințelor curente – 30 min.
5. Rezumatul lecției – 10 min.
10. Lista literaturii educaționale pentru lecție:
1.Remizov A.N., Maksina A.G., Potapenko A.Ya. Fizică medicală și biologică, M., Butarda, 2008, §§ 11.1, 11.2, 11.5, 11.6.
Lipozomii, sau veziculele fosfolipide (veziculele), se obțin de obicei prin umflarea fosfolipidelor uscate în apă sau prin injectarea unei soluții de lipide în apă. În acest caz, are loc auto-asamblarea unei membrane lipidice bimoleculare. Energia Gibbs minimă corespunde formei monolamelare sferice închise a membranei. În acest caz, toate cozile hidrofobe nepolare sunt situate în interiorul membranei și niciuna dintre ele nu intră în contact cu molecule polare apă (Fig. 1.11). Cu toate acestea, se obțin mai des lipozomi multilamelari nesferici formați din mai multe straturi bimoleculare - lipozomi multistrat.
Orez. 1.11. Schema structurii unui lipozom cu un singur strat
Straturile bimoleculare individuale ale unui lipozom multistrat sunt separate printr-un mediu apos. Grosimea straturilor lipidice este, în funcție de natura lipidelor, de 6,5 - 7,5 nm, iar distanța dintre ele este de 1,5 - 2 nm. Diametrul lipozomilor multistrat variază de la 60 nm la 400 nm sau mai mult.
Lipozomii cu un singur strat pot fi obținuți prin diferite metode, de exemplu, dintr-o suspensie de lipozomi multistrat prin tratarea lor cu ultrasunete. Diametrul lipozomilor cu un singur strat obținut prin această metodă este de 25-30 nm. Au fost dezvoltate și alte metode pentru producerea de lipozomi cu un singur strat, inclusiv cele cu un diametru de până la 400 nm sau mai mult.
Lipozomii sunt într-un fel un prototip al unei celule. Ele servesc ca model pentru studierea diferitelor proprietăți ale membranelor celulare.
Lipozomii au găsit aplicare directă în medicină. De exemplu, un medicament poate fi închis în lipozomi și utilizat ca microcapsule de fosfolipide pentru a elibera medicamentul către anumite organe și țesuturi. Lipozomii sunt non-toxici (cu selectarea corectă a lipidelor), sunt absorbiți complet de organism și sunt capabili să depășească unele bariere biologice. Astfel, insulina inclusă într-un lipozom este protejată de acțiunea enzimelor digestive. În prezent, se explorează posibilitatea administrării acestui medicament în lipozomi pe cale orală, ceea ce ar putea salva pacienții diabetici de nevoia de injecții sistematice. Se lucrează pentru a dezvolta metode pentru terapia lipozomală pentru tumori, deficit de enzime și ateroscleroză. Se studiază posibilitatea eliberării țintite a unui medicament închis în lipozomi către un organ bolnav sau chiar într-o zonă bolnavă (în special, în zona afectată a inimii).
Pentru a face acest lucru, este atașat de lipozom moleculă proteică-anticorp la antigenul membranar corespunzător al organului țintă. Lipozomii sunt transportați prin fluxul sanguin prin tot corpul și sunt reținuți odată ce sunt în apropierea organului țintă.
În ciuda perspectivelor interesante ale terapiei lipozomale, există încă multe probleme nerezolvate.
Orez. 1.12. Formarea unei membrane lipidice plane cu două straturi
Membrane lipidice plane cu două straturi (BLM) - alt tip de membrane model. Astfel de membrane sunt produse pe găuri mici cu un diametru de aproximativ 1 mm într-o placă de plastic (de exemplu, fluoroplastic) scufundată în mediu acvatic. O picătură de soluție de lipide (în alcool, cloroform, heptan sau alți solvenți) este aplicată în gaură. Solventul difuzează din soluție în apă, lăsând o peliculă de lipide pe gaură. Acest film se subțiază spontan până când se formează un strat bimolecular de aproximativ 6 nm grosime. Excesul de lipide se adună sub forma unui torus la marginile găurii (Fig. 1.12).
Membranele lipidice plane, împreună cu lipozomii, sunt utilizate pe scară largă ca modele pentru a studia proprietățile electrice ale membranei, permeabilitatea membranei și alte studii științifice. Folosind membrane model, sunt studiate o serie de funcții ale membranelor biologice, inclusiv funcții de barieră (de exemplu, selectivitatea permeabilității - permeabilitate bună pentru apă și permeabilitate slabă pentru ioni). Transportul biologic poate fi modelat prin introducere membrană model molecule purtătoare.
întrebări de testare, sarcini, sarcini
1. Capacitatea electrică specifică a membranei axonilor, măsurată printr-un microelectrod intracelular, s-a dovedit a fi egală cu 0,5 microfarads/cm2. Folosind formula unui condensator plat, estimați grosimea stratului hidrofob al membranei cu o constantă dielectrică de 2.
2. Ce distanță parcurge o moleculă de fosfolipide pe suprafața membranei eritrocitare în 1 secundă ca urmare a difuziei laterale? Coeficientul de difuzie laterală se consideră a fi 10~ 12 m 2 /s. Comparați cu circumferința unei celule roșii din sânge cu un diametru de 8 microni.
3. În timpul tranziției de fază a fosfolipidelor membranare de la starea cristalină lichidă la gel, grosimea stratului dublu se modifică. Cum se va schimba capacitatea electrică a membranei? Cum se va schimba intensitatea câmpului electric din membrană?
4. Folosind molecule de fosfolipide marcate cu spin, a fost stabilit un gradient de vâscozitate de-a lungul grosimii membranei. Descrie experimentul. Unde este vâscozitatea mai mare: la suprafața membranei sau în centrul acesteia?
teste standard de control al curentului
1.1. Grosimea membranei biologice:
1. 10 A 3,0,1 µm
2. 10 nm 4. 10 um
1.2. Modelul mozaic fluid al unei membrane biologice include:
1. strat proteic, polizaharide și lipide de suprafață!
2. monostratul lipidic și colesterolul
3. bistrat lipidic, proteine, microfilamente
4. dublu strat lipidic
1.3. Partea lipidică a membranei biologice este localizată în cele ce urmează conditie fizica:
1. lichid amorf
2. solid cristalin
3. solid amorf
4. cristal lichid
1.4. Capacitatea electrică specifică a membranei axonului:
1. 0,5 10 -4 F/m 2 3. 0,5 10 -2 F/cm 2
2. 0.5 Yu -2 F/m 2 4. 0.5 10 -12 F/m 2
1.5. Timp caracteristic transferul unei molecule de fosfolipide dintr-o poziție de echilibru în alta în timpul difuzării lor:
flip-flop lateral
1. 10 -7 – 10 -8 ~1 oră
2. 10 -10 – 10 -12 10 -7 – 10 -8 s
3. 1 – 2 ore 10 – 50 s
1.6. Tranziția de fază a stratului dublu lipidic al membranelor de la starea cristalină lichidă la gel este însoțită de:
1. subtierea membranei
2. grosimea membranei nu se modifică
3. ingrosarea membranei
CAPITOLUL 2. TRANSPORTUL SUBSTANŢELOR PRIN MEMBRANE BIOLOGICE
Sisteme vii la toate nivelurile de organizare - sisteme deschise. Prin urmare, transportul substanțelor prin membranele biologice este conditie necesara viaţă. Procesele metabolice celulare, procesele bioenergetice, formarea de biopotențiale, generarea unui impuls nervos etc. sunt asociate cu transferul de substanțe prin membrane. Încălcarea transportului de substanțe prin biomembrane duce la diferite patologii. Tratamentul implică adesea pătrunderea medicamentelor prin membranele celulare. Eficacitatea unui medicament depinde în mare măsură de permeabilitatea membranei.
Mare valoare a descrie transportul de substante are conceptul de potential electrochimic.
Potențialul chimic al unei substanțe date μ k este o valoare egală numeric cu energia Gibbs pentru un mol din această substanță. Matematic, potențialul chimic este definit ca derivata parțială a energiei Gibbs G în raport cu cantitatea k-ro a substanței, la temperatura constantă T, presiunea P și cantitățile tuturor celorlalte substanțe m 1 (l≠k):
Pentru o soluție diluată cu concentrația de substanță C:
unde μ Q este potențialul chimic standard, egal numeric cu potențialul chimic al unei substanțe date la concentrația sa de 1 mol/l în soluție.
Potențialul electrochimic μ este o valoare egală numeric cu energia Gibbs G pentru un mol dintr-o substanță dată plasată într-un câmp electric.
Pentru soluții diluate
unde F = 96500 C/mol este numărul Faraday, Z este sarcina ionului electrolit (în unități elementare sarcină), φ - potenţialul câmpului electric, T [K] - temperatură.
Transportul substanțelor prin membranele biologice poate fi împărțit în două tipuri principale: pasiv și activ.
2. Ce distanță parcurge o moleculă de fosfolipide pe suprafața membranei eritrocitare în 1 secundă ca urmare a difuziei laterale? Coeficientul de difuzie laterală este considerat 10–12 m2/s. Comparați cu circumferința unei celule roșii din sânge cu un diametru de 8 microni.
3. În timpul tranziției de fază a fosfolipidelor membranare de la starea cristalină lichidă la gel, grosimea stratului dublu se modifică. Cum se va schimba capacitatea electrică a membranei? Cum se va schimba intensitatea câmpului electric din membrană?
4. Cum se va schimba capacitatea electrică a membranei (specifice) în timpul tranziției sale de la starea cristalină lichidă la gel, dacă este cunoscută
5. Calculați timpul vieții sedentare și frecvența salturilor de la un strat membranar la altul al lipidelor din membranele reticulului sarcoplasmatic, dacă coeficientul de difuzie laterală D = 12 μm 2 / s, aria ocupată de o moleculă de fosfolipide A = 0,7 nm2.
6. Calculați coeficientul de permeabilitate pentru o substanță al cărei flux prin membrană este mol/m. Concentrația substanței în interiorul celulei și în exterior este mol/l.
7. De câte ori ar trebui concentrația intracelulară a ionilor de potasiu să depășească concentrația externă pentru ca potențialul de repaus să fie de 91 mV? Calculați temperatura celulei.
8. Calculați coeficientul de distribuție K pentru o substanță dacă, cu grosimea membranei de 10 nm, coeficientul de difuzie este de 7,2 * 10 cm și coeficientul de permeabilitate este de 14 cm/s.
9. Diferența dintre concentrațiile moleculelor de substanță pe membrana unei anumite celule este de 48 mmol/l, coeficientul de distribuție între membrană și mediu este de 30, coeficientul de difuzie este de 1,5 * 10, densitatea fluxului este de 25 mol/ m. Calculați grosimea acestei membrane.
10. Aflați coeficientul de permeabilitate al membranei plasmatice Mycoplasma pentru formamidă dacă, cu o diferență de concentrație a acestei substanțe în interiorul și exteriorul membranei egală cu 0,5 * 10, densitatea sa de flux prin membrană este egală cu 8 * 10 cm/s.
17. Raza critică a unui por lipidic dintr-o membrană depinde de tensiunea marginii porului , de tensiunea superficială a membranei și de potențialul de membrană . Deduceți o formulă pentru raza critică a porilor. Calculați raza critică a porilor în absența potențialului de membrană. Să presupunem că tensiunea la marginea porului este de 10 – 11 N, tensiunea superficială a stratului dublu lipidic este de 0,3 mN/m.
18. În timpul tranziției de fază a fosfolipidelor membranare de la starea cristalină lichidă la gel, grosimea stratului dublu se modifică. Cum se va schimba capacitatea electrică a membranei? Cum se va schimba intensitatea câmpului electric din membrană?
19. În timpul tranziției de fază a fosfolipidelor membranare de la starea cristalină lichidă la gel, grosimea stratului dublu se modifică. Cum se va schimba capacitatea electrică a membranei? Cum se va schimba intensitatea câmpului electric din membrană?
20. Cum se va schimba capacitatea electrică a membranei (specifice) în timpul tranziției sale de la starea lichid cristalină la gel, dacă se știe că în starea lichid cristalină grosimea stratului hidrofob este de 3,9 nm, iar în gel stare – 4,7 nm. Constanta dielectrică a lipidelor 2.
21. Presiunea osmotică a sângelui uman este de 0,77 MPa. Câți moli de sare de NaCl ar trebui să conțină o soluție fiziologică izotonă în 200 ml de apă la o temperatură de 37 0 C?
22. Când spectrul RMN al aceleiași probe a fost înregistrat din nou, temperatura s-a schimbat, iar liniile spectrului s-au îngust. În ce direcție s-a schimbat temperatura: a scăzut sau a crescut?
23. Aflați lungimea unde electromagnetice, la care ESR apare într-un câmp magnetic cu o inducție magnetică de 0,3 T. Luați factorul Lande egal cu doi.
24. Curentul circulă de-a lungul unui circuit cu raza de 0,5 m. Aflați puterea acestui curent dacă se știe că momentul magnetic al circuitului B.
26. Determinați puterea de radiație termică a unei persoane dezbrăcate cu S = 1 m 2 suprafață corporală, dacă temperatura pielii t 1 = 30 0 C, mediu– t 2 =20 0 C. Coeficientul de absorbție cutanată k=0,9
27. Intensitatea radiațiilor corpului uman a crescut cu 2,62%. Cu ce procent a crescut temperatura?
28. Determinați lungimea de undă corespunzătoare densității spectrale maxime a luminozității energetice a corpului uman, considerându-l un corp gri. Temperatura pielii t=30 0 C.
29. Determinați indicele molar natural de absorbție al unei substanțe dacă, la concentrația acesteia într-o soluție c = 0,03 mol/l, densitatea optică a soluției este D = 1. Lungimea cuvei l= 2 cm.
30. Observând mișcarea globulelor roșii într-un capilar la microscop, puteți măsura viteza fluxului sanguin (). Viteza medie fluxul sanguin în aortă este . Pe baza acestor date, determinați de câte ori este mai mare suma tuturor capilarelor funcționale decât secțiunea transversală a aortei.
31. Calculați limita de rezoluție z a unui microscop electronic dacă tensiunea de accelerare din acesta este U=100 kV, unghiul de deschidere u=10 -2 rad.
32. Calculați vâscozitatea sângelui la hematocrit normal (c=45%), dacă vâscozitatea plasmei este
33. Calculați volumul maxim minut Qmax de sânge la care fluxul de sânge în aortă rămâne laminar. Diametrul aortic d=2 cm, vâscozitatea sângelui, densitatea, valoarea critică a numărului Reynolds Re cr =2000.
34. Viteza de propagare a undei de puls de-a lungul arterei este v=10 m/s. Determinați modulul de elasticitate E al arterei dacă grosimea peretelui acesteia h = 0,7 mm, diametrul intern d = 8 mm, densitatea sângelui
35. Raza aortei este de 1,0 cm; viteza fluxului sanguin în aortă este de 30 cm/s. De ce este egal cu viteza fluxul sanguin în capilare, dacă aria totală a secțiunii transversale a capilarelor este de 2000 cm2. (Luați diametrul fiecărui capilar ca , iar numărul de capilare este mai mare de un milion).
36. În medicină, efectul Doppler este utilizat pentru a determina viteza de mișcare a structurilor biologice individuale (de exemplu, sânge, valve cardiace). Cum este modificarea frecvenței unui semnal ultrasonic atunci când este reflectat de un obiect în mișcare legată de viteza acestuia?
37. Pe pistonul unei seringi situate orizontal se aplică o forță F = 10 N. Determinați viteza v a fluxului de medicament din acul seringii, dacă densitatea medicamentului este , diametrul pistonului este d = 7. mm, iar aria sa este mult mai mare decât aria secțiunii transversale a acului.
38. Cu ce viteză v plutește în sus o bula de aer cu diametrul d=4 mm într-un vas plin cu glicerină? Vâscozitatea cinematică glicerol, densitatea sa este mult mai mare decât densitatea aerului.
39. În unele boli, numărul critic Reynolds din vase devine egal cu 1160. Aflați viteza de mișcare a sângelui cu care este posibilă o tranziție de la fluxul laminar la fluxul turbulent într-un vas cu diametrul de 2 mm.
40. Nivelul volumului sunetului este de 120 von, iar o conversație liniștită la aceeași distanță este de 41 von. Determinați raportul de intensitate.
42. Intensitatea sunetului 10-2 W/m2. Aflați presiunea acustică dacă rezistența acustică a mediului (aerul) este de 420 kg/m2s.
43. Determinați valoarea amplitudinii presiunii sonore pentru un ton pur cu o frecvență de 1000 Hz, la care timpanul se poate rupe dacă ruptura are loc la un nivel de volum L E = 160 de fond. (Exprimați răspunsul în pascali și atm.)
44. Un încălzitor electric dintr-o instalație de tratare termică a materiilor prime medicinale evaporă 1 litru de apă, vâscoasă la o temperatură de 20 0 C, în 10 minute Determinați lungimea unui fir de nicrom cu secțiunea transversală de 0,5 mm 2, tinand cont ca instalatia este alimentata de o tensiune de 120 V si randamentul acesteia este de 80% ?
45. Intensitatea luminii care trece printr-o soluție de aspirină într-un solvent neabsorbant scade de trei ori datorită absorbției. Concentraţia moleculelor de aspirină n 0 =10 20 m -3. Calea luminii în soluție = 150 mm. Determinați secțiunea transversală de absorbție eficientă a aspirinei.
46. Să se determine diferența de fază a undei de puls între două puncte ale arterei situate la distanță unul de celălalt, considerând că viteza undei de puls este egală cu v = 10 m/s, oscilațiile inimii sunt armonice cu o frecvență de = 1,2 Hz.
49. Pentru încălzirea țesutului muscular se aplică electrozilor plati o tensiune cu o amplitudine U 0 = 250 V și o frecvență = 10 6 Hz. Rezistența activă a acestei secțiuni a circuitului este R=10 3 Ohm; capacitate C=F Determinați cantitatea de căldură degajată în volumul de țesut dintre electrozi în perioada de oscilație T și în timpul procedurii t=10 minute.
50. Iontoforeza este folosită pentru a introduce medicamente în corpul uman. Determinați numărul de ioni ionizați individual ai substanței medicamentoase administrate pacientului într-un timp t = 10 min la o densitate de curent de 0,05 mA/cm 2 cu o suprafață a electrodului S = 5 cm 2
ÎNTREBĂRI DE EXAMEN
Membrane biologice. Tipuri de membrane biologice și funcțiile acestora.
Tipuri de lipide membranare și proprietățile lor. Structuri lipidice bistraturi.
Colesterolul. Dinamica lipidelor din membrană. Tranziții de fază în membrană.
Proteinele membranare. Tipuri și funcții ale proteinelor membranare.
Structura membranelor biologice.
Membrane artificiale. Lipozomi.
Metode de studiere a structurii membranelor.
Fenomene capilare, semnificația lor în biologie și medicină. Embolie gazoasă.
Transportul substantelor prin membrane biologice. Metode de patrundere a substantelor in celula.
Tipuri de transport. Difuziune simplă.
Transportul non-electroliților prin membranele biologice.
Mecanisme de bază ale transportului pasiv.
Transport de ioni. Transportul ionic al substanțelor în canale.
Mecanisme de permeabilitate a membranelor biologice. Structura și funcțiile canalelor ionice și ale transportorilor. Mecanismele electrogenezei.
Transport activ prin membranele biologice.
Mecanismele moleculare ale potențialelor electrochimice ale membranei și propagarea unui impuls nervos de-a lungul unei fibre excitabile.
Conceptul de excitabilitate electrică . Potențiale de odihnă .
Metode de măsurare a potențialului membranei. Tehnologia cu microelectrozi.
Potenţial de acţiune . Mecanismul de generare și propagare a potențialului de acțiune.
Metode de studiere a mecanismelor moleculare ale potențialelor electromecanice de membrană.
Propagarea unui impuls nervos de-a lungul unei fibre excitabile.
Senzori pentru informații medicale și biologice. Tipuri de senzori.
Scopul și clasificarea senzorilor, caracteristici.
Fenomene termoelectrice în metale și semiconductori.
Calibrarea senzorilor de temperatură și determinarea temperaturii unei substanțe.
Electrozi pentru colectarea unui semnal bioelectric.
Curenți ionici în modelul Hodgkin-Huxley.
Canalele ionice din membranele celulare. Structura canalului ionic.
Mecanismul de generare a potențialului de acțiune al cardiomiocitelor.
Potențialele de membrană. Potențialul de acțiune al celulei cardiace.
Bazele fizice ale electrocardiografiei. Dispozitiv, principiu de funcționare al unui electrocardiograf..Abordări de bază ale înregistrării ECG.
Înregistrarea ECG și principiile analizei.
Electroencefalografia. Ritmuri EEG de bază. Semnificația lor funcțională.
Înregistrarea EEG și principiile analizei. Teste funcționale.
Principalele tipuri de activitate electrică a neuronilor piramidali.
37. Nivelurile energetice ale moleculelor (energia electronică, vibrațională și de rotație a moleculelor).
38.Tranziții electronice în timpul absorbției luminii.
39. Spectrele de absorbție ale moleculelor unor compuși importanți biologic.
40. Metode de studiere a proceselor fotobiologice folosind spectre.
41. Proiectarea și principiul de funcționare a spectrofotometrelor .
42. Studiul metodelor de cercetare spectrofotometrică pentru determinarea concentrației de substanțe în fluidele biologice.
43. Luminescența sistemelor biologice.
44. Luminescență. Diferite tipuri de luminiscență.
45. Fotoluminiscență. regula Stokes.
46. Randament cuantic al fluorescenței. Nivel triplet și fosforescență.
47. Analiza fotoluminiscentă calitativă și cantitativă a obiectelor biologice.
48. Microscopia de luminescență. Chemiluminiscența, mecanism de generare a chemiluminiscenței
49. Etapele primare ale proceselor fotobiologice.
50. Spectre de acţiune fotobiologică.
51. Studiul produselor reacţiilor fotobiochimice primare.
52. Oxidarea radicalilor liberi. Reacții fotochimice primare ale proteinelor.
53. Transformarea fotochimică a ADN-ului.
54. Trăsături ale acțiunii de mare intensitate radiatii laser pe ADN.
55. Fotoreactivare și fotoprotecție.
56.Efectul luminii ultraviolete asupra membranelor biologice.
57. Procese fotobiologice fotosensibilizate.
58. Studiul obiectelor biologice în microscopie.
59. Tehnici speciale de microscopie a obiectelor biologice
60. Sistem optic al unui microscop, construirea unei imagini a unui obiect.
61. Formula pentru mărirea unui microscop optic.
62. Biofizica contractiei musculare . Model de filete glisante.
63. Biomecanica musculară. Ecuația lui Hill.
64. Puterea de contracție unică. Simularea contracției musculare.
65. Interfata electromecanica
66. Sistemul circulator (artere, vene). Mecanismul circulației sanguine
67.Mișcarea sângelui în vasele mari.
68.Organizarea fluxului sanguin în microvase.
69. Mișcarea celulelor sanguine în capilare.
70. Factori care determină proprietățile reologice ale sângelui.
71. Forme de orientare a hematiilor în capilare.
72. Modele hemodinamice ale mișcării sângelui prin vase.
73. Legile fizice și matematice generale ale mișcării sângelui de-a lungul fluxului sanguin.
74. Reografia diferitelor organe și țesuturi . Metode pentru studiul circulației sanguine.
75. Metode de înregistrare și principii de analiză a curbei reografice. Reografie integrală și regională.
76. Metode de înregistrare indirectă a emisiilor de șoc și minute. Reografie integrată pe computer.
77. Baza fizică a interacțiunii dintre sunet și țesuturi biologice.
78. Clasificarea dispozitivelor și aparatelor medicale.
79.Forme de energie care sunt convertite într-un traductor de măsurare.
80. Dispozitive medicale în scop terapeutic.
81. Echipamente medicale electronice terapeutice.
82. Metode de terapie de înaltă frecvență (HF, UHF, microunde etc.) și efectele lor biofizice.
83. Proiectarea aparatului de terapie UHF și principiul său de funcționare.
84. Tehnica terapeutică bazată pe utilizarea curentului continuu
85. Proiectarea unui aparat de galvanizare și principiul său de funcționare. Baza fizică a galvanizării
86. Convertoare fotoelectrice.
87. De bază mijloace tehnice introscopie medicală.
88. Proiectări ale senzorilor și principalele lor caracteristici.
89. Aparate pentru măsurarea funcţiei respiraţiei externe
90. Înregistrarea mișcării pieptîn timpul mișcărilor de respirație. Pneumografie, spirometrie, spirografie.
Lista abilităților practice
efectuează înregistrarea EEG., RG
înregistrați ECG în derivații standard;
să poată explica geneza fenomenelor ECG și metodele de detectare a acestora.
invata sa formezi un diagnostic electrocardiografic.
înregistrarea parametrilor fizici,
rezultatele măsurătorilor procesului folosind instrumente de calcul;
măsurarea concentrației de substanțe cu ajutorul instrumentelor fotometrice.
rezolva problema cuplării optime a unui obiect biologic și mijloace tehnice în cercetarea biomedicală;
alege mijloacele tehnice potrivite atunci când rezolvi problemele medicale
Lipozomii sunt, într-un fel, prototipuri de celule. Ele servesc ca model pentru studiul proprietăților naturale ale membranelor celulare.
Lipozomii au găsit aplicare directă în medicină. De exemplu, puteți include un medicament în lipozomi și îl puteți utiliza ca microcapsule de fosfolipide pentru a livra medicamentul în anumite organe și țesuturi. Lipozomii sunt non-toxici (cu selectarea corectă a lipidelor), sunt absorbiți complet de organism și sunt capabili să depășească unele bariere biologice. Astfel, insulina, inchisa intr-un lipozom, este protejata de actiunea enzimelor digestive. În prezent, se explorează posibilitatea administrării acestui medicament în lipozomi pe cale orală, ceea ce ar putea salva pacienții diabetici de nevoia de injecții sistematice. Se lucrează pentru a dezvolta metode pentru terapia lipozomală a tumorilor, deficitului de enzime și aterosclerozei. Se învață posibilitatea eliberării țintite a unui medicament închis în lipozomi către un organ bolnav sau chiar într-o zonă bolnavă (în special, în zona afectată a inimii).
Pentru a face acest lucru, la lipozom este atașată o moleculă de proteină, un anticorp la antigenul membranar corespunzător al organului țintă. Lipozomii sunt transportați prin fluxul sanguin în întregul organ și sunt reținuți, ajungând în apropierea organului țintă.
În ciuda perspectivelor atractive ale terapiei lipozomale, există încă multe întrebări nerezolvate. Y~Ure
cu Sutană. 1. 12. Formarea unei membrane cu două straturi plate
Membranele lipidice bistrate plate (BLM) sunt un alt tip de membrană model. Astfel de membrane sunt produse prin găuri mici cu un diametru de aproximativ 1 mm într-o placă de plastic (de exemplu, fluoroplastic) scufundată într-un mediu apos. O picătură de soluție de lipide (în alcool, cloroform, heptan sau alți solvenți) este aplicată în gaură. Solventul difuzează din soluție în apă, iar o peliculă lipidică rămâne în gaură. Acest scuipat se subțiază spontan până când se formează un strat bimolecular de aproximativ 6 nm grosime. Linia în exces este colectată sub forma unei margini de torus la marginile găurii (Fig. 1.12).
Membranele lipidice plate, împreună cu lipozomii, sunt utilizate pe scară largă ca modele pentru învățare. proprietăți electrice membrane, permeabilitatea lor și altele cercetarea stiintifica. Folosind membrane model, sunt predate o serie de funcții ale membranelor biologice, inclusiv funcțiile de barieră (de exemplu, selectivitatea permeabilității - permeabilitate bună pentru apă și permeabilitate slabă pentru ioni). Transportul biologic poate fi simulat prin introducerea de molecule purtătoare în membrana modelului.
VERIFICAȚI ÎNTREBĂRI, SARCINI, SARCINI
1. Capacitatea electrică specifică a membranei axonilor, nemăsurată de microelectrodul intracelular, s-a dovedit a fi egală cu 0,5 microfarad/cm Folosind formula unui condensator plat, estimați grosimea stratului hidrofob al membranei cu o constantă dielectrică. din 2.
2. Care este distanța pe suprafața membranei eritrocitare pe care o parcurge o moleculă de fosfolipide în 1 secundă ca urmare a difuziei laterale Se ia coeficientul de difuzie laterală egal cu 10 1e m"/s. Comparați cu circumferința unui eritrocit? cu un diametru de 8 microni.
3. În timpul tranziției de fază a fosfolipidelor membranare de la starea cristalină lichidă la gel, grosimea stratului dublu se modifică. Cum dispare capacitatea electrică a membranei Cum se modifică intensitatea câmpului electric din membrană?
4. Folosind molecule de fosfolipide marcate cu spin, a fost stabilit un gradient de vâscozitate de-a lungul grosimii membranei. Descrie experimentul. Acolo unde vâscozitatea este mai mare: la suprafața membranei sau în centrul acesteia
