Липосомы, или фосфолипидные везикулы (пузырьки), получают обычно при набухании сухих фосфолипидов в воде или при впрыскивании раствора липидов в воду. При этом происходит самосборка бимолекулярной липидной мембраны. Минимуму энергии Гиббса отвечает замкнутая сферическая одно-ламеллярная форма мембраны. При этом все неполярные гидрофобные хвосты находятся внутри мембраны и ни один из них не соприкасается с полярными молекулами воды (рис. 1.11). Однако чаще получаются несферические многоламеллярные липосомы, состоящие из нескольких бимолекулярных слоев, - многослойные липосомы.
Рис. 1.11. Схема строения однослойной липосомы
Отдельные бимолекулярные слои многослойной липосомы отделены водной средой. Толщина липидных слоев составляет, в зависимости от природы липидов, 6,5 - 7,5 нм, а расстояние между ними - 1,5 - 2 нм. Диаметр многослойных липосом колеблется в пределах от 60 нм до 400 нм и более.
Однослойные липосомы можно получить различными методами, например из суспензии многослойных липосом, если обработать их ультразвуком. Диаметр однослойных липосом, полученных этим методом, составляет 25-30 нм. Разработаны и другие методы получения однослойных липосом, в том числе диаметром до 400 нм и более.
Липосомы представляют собой в некотором роде прообраз клетки. Они служат моделью для исследований различных свойств клеточных мембран.
Липосомы нашли непосредственное применение в медицине. Например, можно заключить внутрь липосом лекарственный препарат и использовать как фосфолипидную микрокапсулу для доставки лекарства в определенные органы и ткани. Липосомы не токсичны (при правильном подборе липидов), полностью усваиваются организмом, способны преодолевать некоторые биологические барьеры. Так, инсулин, заключенный в липосому, защищен от действия пищеварительных ферментов. В настоящее время выясняется возможность вводить этот препарат в липосомах перорально, что может избавить больных диабетом от необходимости систематических уколов. Проводятся работы по разработке методов липосомальной терапии опухолей, ферментативной недостаточности, атеросклероза. Изучается возможность прицельной доставки лекарственного препарата, заключенного в липосомах, к больному органу или даже к больному участку (в частности, к пораженному участку сердца).
Для этого к липосоме присоединяется белковая молекула -антитело к соответствующему мембранному антигену органа-мишени. Липосомы с током крови разносятся по всему организму и задерживаются, оказавшись около органа-мишени.
Несмотря на заманчивые перспективы липосомальной терапии, еще имеется достаточно много нерешенных вопросов.
Рис. 1.12. Образование плоской бислойной липидной мембраны
Плоские бислойные липидные мембраны (БЛМ) - другой тип модельных мембран. Такие мембраны получают на маленьких отверстиях диаметром около 1 мм в пластинке из пластика (например, фторопласта), погруженной в водную среду. На отверстие наносят каплю раствора липида (в спирте,) хлороформе, гептане или других растворителях). Растворитель диффундирует из раствора в воду, и на отверстии остается пленка липида. Эта пленка спонтанно утончается до тех пор, пока не образуется бимолекулярный слой толщиной около 6 нм. Лишний липид собирается в виде ободка-торуса у краев отверстия (рис. 1.12).
Плоские липидные мембраны, наряду с липосомами, широко используются в качестве моделей для изучения электрических свойств мембраны, их проницаемости и других научных исследований. С помощью модельных мембран изучаютряд 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.
контрольные вопросы, задачи, задания
1. Удельная электрическая емкость мембраны аксона, измеренная внутриклеточным микроэлектродом, оказалась равной 0,5 микрофарад/см 2 . По формуле плоского конденсатора оценить толщину гидрофобного слоя мембраны с диэлектрическойпроницаемостью 2.
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 эритроцита диаметром 8 мкм.
3. При фазовом переходе мембранных фосфолипидов из жидкокристаллического состояния в гель толщина бислоя изменяется. Как при этом изменится электрическая емкость мембраны? Как изменится напряженность электрического поля в мембране?
4. С помощью спин-меченых молекул фосфолипидов установлен градиент вязкости по толщине мембраны. Опишите эксперимент. Где вязкость выше: у поверхности мембраны или в ее центре?
типовые тесты текущего контроля
1.1. Толщина биологической мембраны:
1. 10 А 3.0,1 мкм
2. 10 нм 4. 10 мкм
1.2. Жидкостно-мозаичная модель биологической мембраны включает в себя:
1. белковый слой, полисахариды и поверхностные липиды!
2. липидный монослой и холестерин
3. липидный бислой, белки, микрофиламенты
4. липидный бислой
1.3. Липидная часть биологической мембраны находится в следующем физическом состоянии:
1. жидком аморфном
2. твердом кристаллическом
3. твердом аморфном
4. жидкокристаллическом
1.4. Удельная электрическая емкость мембраны аксона:
1. 0,5 10 -4 Ф/м 2 3. 0,5 10 -2 Ф/см 2
2. 0,5 Ю -2 Ф/м 2 4. 0,5 10 -12 Ф/м 2
1.5. Характерное время переноса молекулы фосфолипидоф из одного положения равновесия в другое при их диффузии:
латеральная флип-флоп
1. 10 -7 – 10 -8 ~1 час
2. 10 -10 – 10 -12 10 -7 – 10 -8 с
3. 1 – 2 часа 10 – 50 с
1.6. Фазовый переход липидного бислоя мембран из жидкокристаллического состояния в гель сопровождается:
1. утоныпением мембраны
2. толщина мембраны не меняется
3. утолщением мембраны
ГЛАВА 2. ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ
Живые системы на всех уровнях организации - открытые системы. Поэтому транспорт веществ через биологические мембраны - необходимое условие жизни. С переносом веществ через мембраны связаны процессы метаболизма клетки, биоэнергетические процессы, образование биопотенциалов, генерация нервного импульса и др. Нарушение транспорта веществ через биомембраны приводит к различным патологиям. Лечение часто связано с проникновением лекарств через клеточные мембраны. Эффективность лекарственного препарата в значительной степени зависит от проницаемости для него мембраны.
Большое значение для описания транспорта веществ имеет понятие электрохимического потенциала.
Химическим потенциалом данного вещества μ к называется величина, численно равная энергии Гиббса, приходящаяся на один моль этого вещества. Математически химический потенциал определяется как частная производная от энергии Гиббса G по количеству k-ro вещества, при постоянстве температуры Т, давления Р и количеств всех других веществ m 1 (l≠k):
Для разбавленного раствора концентрации вещества С:
где μ Q - стандартный химический потенциал, численно равный химическому потенциалу данного вещества при его концентрации 1 моль/л в растворе.
Электрохимический потенциал μ - величина, численно равная энергии Гиббса G на один моль данного вещества, помещенного в электрическом поле.
Для разбавленных растворов
где F = 96500 Кл/моль - число Фарадея, Z - заряд иона электролита (в элементарных единицах заряда), φ- потенциал электрического поля, Т [К] - температура.
Транспорт веществ через биологические мембраны можно разделить на два основных типа: пассивный и активный.
Активный транспорт - перенос молекул и ионов, который происходит с затратой химической энергии в направлении от меньших значений величин к большим .
При этом нейтральные молекулы переносятся в область большей концентрации, а ионы переносятся против сил, действующих на них со стороны электрического поля. Таким образом, активным транспортом осуществляется перенос веществ в направлении, противоположном транспорту, который должен был бы происходить под действием градиентов (прежде всего концентрационного и электрического). Энергия получается за счет гидролиза молекул особого химического соединения - аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Экспериментально установлено, что энергии распада одной молекулы АТФ достаточно для выведения наружу трех ионов натрия и введения внутрь клетки двух ионов калия. Схема активного транспорта представлена на рис.13.
Захватив одним активным центром ион калия из наружной среды, а другим ион натрия - из внутренней, система, потребляя АТФ, поворачивается внутри мембраны на 180°. Ион натрия оказывается вне клетки и там отделяется, а ион калия попадает внутрь и тоже освобождается, после чего молекула белка принимает исходное положение, и все начинается сначала.
За счет активного транспорта клетка поддерживает внутри себя высокую концентрацию калия и низкую концентрацию натрия. При этом ионы могут перемещаться против градиента их концентрации (аналогия с газом: перекачивание газа из сосуда с низким давлением в сосуд с высоким давлением).
Рис.13. Схема активного транспорта
Активный транспорт веществ через биологические мембраны имеет огромное значение. За счет активного транспорта в организме создаются градиенты концентраций, градиенты электрических потенциалов, градиенты давления и т.д., поддерживающие жизненные процессы, т. е., с точки зрения термодинамики, активный перенос удерживает организм в неравновесном состоянии, поддерживает жизнь.
Существование активного транспорта веществ через биологические мембраны впервые было доказано в опытах Уссинга (1949 г.) на примере переноса ионов натрия через кожу лягушки (рис.14).
Рис. 14 . Схема опыта Уссинга (А - амперметр, V - вольтметр, Б - батарейка, П - потенциометр)
Экспериментальная камера Уссинга, заполненная нормальным раствором Рингера, была разделена на две части свежеизолированной кожей лягушки. На рис.14 слева - наружная мукозная поверхность кожи, справа - внутренняя серозная. Наблюдались потоки ионов натрия через кожу лягушки: слева направо от наружной к внутренней поверхности и справа налево - от внутренней к наружной поверхности.
На коже лягушки, разделяющей раствор Рингера, возникала разность потенциалов, причем внутренняя сторона кожи имела положительный потенциал по отношению к наружной. В установке имелся блок компенсации напряжения, с помощью которого устанавливалась разность потенциалов на коже лягушки, равная нулю, что контролировалось вольтметром. Кроме того, поддерживалась одинаковая концентрация ионов с наружной и внутренней стороны. При этих условиях, если бы перенос ионов натрия через кожу лягушки определялся только пассивным транспортом, то потоки ионов натрия должны были бы быть равны друг другу, а ток в цепи отсутствовать.
Однако было обнаружено, что в условиях опыта (отсутствие градиентов электрического потенциала и концентрации) через кожу лягушки течет электрический ток, следовательно, происходит односторонний перенос заряженных частиц. Установлено, что ток через кожу течет от внешней среды к внутренней. Методом меченых атомов было показано, что поток натрия внутрь больше, чем поток наружу.
Для этого в левый раствор экспериментальной камеры были включены радиоактивные изотопы Na 22 , а в правый - Na 24 . Изотоп Na 22 распадается с излучением жестких γ-квантов. Распад Na 24 сопровождается мягким β-излучением. Регистрация γ - и β - излучений показала, что поток Na 22 больше потока Na 24 . Эти экспериментальные данные неопровержимо свидетельствовали о том, что перенос ионов натрия через кожу лягушки не подчиняется уравнению пассивного транспорта. Следовательно, имеет место активный перенос. Дальнейшие опыты показали, что истощение запасов АТФ в коже лягушки приводит к полной остановке однонаправленного потока ионов натрия.
3. Цель деятельности студентов на занятии:
Студент должен знать:
1. Роль мембраны в функционировании клетки.
2. Структуру, строение и модели мембран.
3. Функции мембраны.
4. Физические свойства мембран.
5. Уравнение Фика.
6. Уравнение Нернста-Планка.
7. Виды пассивного транспорта частиц через мембрану.
8. Активный транспорт частиц через мембрану.
Студент должен уметь:
1. Объяснять строение мембраны.
2. Объяснять искусственные модели мембран.
3. Объяснять механизм пассивного транспорта через мембрану.
4. Объяснить механизм активного транспорта через мембрану.
5. Решать ситуационные задачи.
1. Строение биологических мембран.
2. Жидко-мозаичная модель мембраны.
3. Искусственные модели мембран.
4. Основные функции клеточной мембраны.
5. Физические свойства мембран.
6. Перенос молекул (атомов) через мембрану. Уравнение Фика.
7. Перенос ионов через мембраны. Уравнение Нернста-Планка.
8. Разновидности пассивного переноса молекул и ионов через мембраны.
9. Активный транспорт. Опыт Уссинга.
10. Решение ситуационных задач.
5.Перечень вопросов для проверки исходного уровня знаний:
1. Что представляют собой биологические мембраны?
2. Что является основой мембраны?
3. Для чего используют физико-химические (искусственные) модели мембраны?
4. Опишите жидко-мозаичную модель мембраны.
5. Что такое латеральная диффузия? флин-флоп переход?
6. Какие основные функции выполняет мембрана и в чем они заключаются?
7. Запишите уравнения Фика и Нернста-Планка. Какие процессы они описывают?
8. Что называется подвижностью?
9. Что такое пассивный транспорт? Какие разновидности пассивного транспорта существуют?
10. Что такое активный транспорт? За счет чего он осуществляется?
11. Какое значение имеет активный транспорт веществ?
12. Объясните явления переноса вещества и заряда через мембрану.
13. Что будет, если клетку поместить в чистую воду?
6 . Перечень вопросов для проверки конечного уровня знаний:
1. Опишите модельные липидные мембраны. Где они используются?
2. Охарактеризуйте физические свойства мембран.
3. При фазовом переходе мембранных фосфолипидов из жидкокристаллического состояния в гель толщина бислоя изменяется. Как при этом изменится электрическая емкость мембраны? Как изменится напряженность электрического поля в мембране?
4. Примените уравнение Фика к биологической мембране.
5. Запишите и объясните уравнение Нернста-Планка.
6. Покажите, что уравнение Нернста-Планка сводится к уравнению Фика для диффузии незаряженных частиц.
7. Опишите виды пассивного транспорта.
8. Проницаемость клеточных мембран для молекул воды приблизительно в 10 раз выше, чем для ионов. Что произойдет, если в изотоническом водном растворе, в котором находятся эритроциты, увеличить концентрацию осмотически активного вещества (например, ионов Na+)?
9. Опишите опыт Уссинга.
7.Решите задачи:
1. 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 эритроцита диаметром 8 мкм.
2. Удельная электрическая емкость мембраны аксона, измеренная внутриклеточным микроэлектродом, оказалась равной 0,5 мкФ/см 2 . По формуле плоского конденсатора оцените толщину гидрофобного слоя мембраны с диэлектрической проницаемостью 2.
3. Толщину двойного слоя на границе мембрана - электролит характеризует дебаевский радиус δ . Определите δ для случая, когда в растворе электролита, окружающем мембрану, есть только ионы калия с концентрацией: 1) 10 -5 моль/л; 2) 10 -2 моль/л.
4. Найдите дебаевский радиус экранирования, создаваемого присутствующими в растворе ионами кальция с концентрацией 10 -5 моль/л и натрия с концентрацией 10 -4 моль/л. Как изменится δ, если в растворе будут только ионы кальция в концентрации 10 -4 моль/л?
5. Критический радиус липидной поры в мембране зависит от краевого натяжения поры, поверхностного натяжения мембраны и мембранного потенциала. Выведите формулу для критического радиуса поры. Рассчитайте критический радиус поры при отсутствии мембранного потенциала. Принять краевое натяжение поры 10 -11 Н, поверхностное натяжение липидного бислоя 0,3 мН / м.
6. Молярная концентрация кислорода в атмосфере с а = 9 моль/м. Кислород диффундирует с поверхности тела насекомых внутрь через трубки, называемые трахеями. Длина средней трахеи равна приблизительно h = 2 мм, а площадь ее поперечного сечения S = 2∙10 -9 м 2 . Считая, что концентрация кислорода внутри насекомого (с ) в два раза меньше, чем концентрация кислорода в атмосфере, вычислите поток диффузии через трахею. Коэффициент диффузии кислорода D = 10 -5 м 2 /с.
7. Двойной фосфолипидный слой уподобляет биологическую мембрану конденсатору. Вещество мембраны представляет собой диэлектрик с диэлектрической проницаемостью ε = 4. Разность потенциалов между поверхностями мембраны U = 0,2 В при толщине d = 10 нм. Рассчитайте электроемкость 1 мм 2 мембраны и напряженность электрического поля в ней.
8. Площадь поверхности клетки приблизительно равна S =5∙10 -10 м 2 . Удельная электроемкость мембраны (емкость единицы поверхности) составляет С уд = 10 -2 Ф/м 2 . При этом межклеточный потенциал равен U = 70 мВ. Определите: а) величину заряда на поверхности мембраны; б) количество одновалентных ионов, образующих этот заряд.
9. Фермент Na + - К + - 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 33,6 кДж? Эффективность процесса энергетического сопряжения считать 100 %.
8. Самостоятельная работа студентов:
По учебнику Антонова В.Ф.и др. (§ 15.4.) ознакомтесь с физическими методами определения толщины мембраны.
9. Хронокарта учебного занятия:
1. Организационный момент – 5 мин.
2. Разбор темы – 50 мин.
3. Решение ситуационных задач – 40 мин.
4. Текущий контроль знаний – 30 мин
5. Подведение итогов занятия – 10 мин.
10. Перечень учебной литературы к занятию:
1.Ремизов А.Н., Максина А.Г., Потапенко А.Я. Медицинская и биологическая физика, М., «Дрофа», 2008, §§ 11.1, 11.2, 11.5, 11.6.
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
2. Какое расстояние на поверхности мембраны эритроцита проходит молекула фосфолипида за 1 секунду в результате латеральной диффузии? Коэффициент латеральной диффузии принять равным 10 –12 м2/с. Сравните с окружностью эритроцита диаметром 8 мкм.
3. При фазовом переходе мембранных фосфолипидов из жидкокристаллического состояния в гель толщина бислоя изменяется. Как при этом изменится электрическая емкость мембраны? Как изменится напряженность электрического поля в мембране?
4. Как изменится электрическая емкость мембраны (удельная) при ее переходе из жидкокристаллического состояния в гель, если известно
5. Рассчитайте время оседлой жизни и частоту перескоков из одного мембранного слоя в другой липидов мембран саркоплазматического ретикулума, если коэффициент латериальной диффузии D=12 мкм 2 /c, площадь, занимаемая одной молекулой фосфолипида А=0,7 нм 2 .
6. Рассчитайте коэффициент проницаемости для вещества, поток которого через мембрану моль/м . Концентрация вещества внутри клетки , а снаружи - моль/л.
7. Во сколько раз внутриклеточная концентрация ионов калия должна превышать наружную , чтобы потенциал покоя составлял 91мВ. Вычислите температуру клетки.
8. Рассчитайте коэффициент распределения К для вещества, если при толщине мембраны 10нм коэффициент диффузии 7,2*10 см , а коэффициент проницаемости 14см/с.
9. Разность концентраций молекул вещества на мембране некоторой клетки равна 48ммоль/л, коэффициент распределения между мембраной и окружающей средой 30, коэффициент диффузии 1,5*10 , плотность потока 25моль/м . Рассчитайте толщину этой мембраны.
10. Найдите коэффициент проницаемости плазматической мембраны Mycoplasma, для формамида, если при разнице концетраций, этого вещества внутри и снаружи мембраны, равной 0,5*10 , плотность потока его через мембрану равна 8*10 см/с.
17. Критический радиус липидной поры в мембране зависит от краевого натяжения поры , поверхностного натяжения мембраны и мембранного потенциала . Выведите формулу для критического радиуса поры. Рассчитайте критический радиус поры при отсутствии мембранного потенциала. Принять краевое натяжение поры 10 – 11 Н, поверхностное натяжение липидного бислоя 0,3 мН/ м.
18. При фазовом переходе мембранных фосфолипидов из жидкокристаллического состояния в гель толщина бислоя изменяется. Как при этом изменится электрическая емкость мембраны? Как изменится напряженность электрического поля в мембране?
19. При фазовом переходе мембранных фосфолипидов из жидкокристаллического состояния в гель толщина бислоя изменяется. Как при этом изменится электрическая емкость мембраны? Как изменится напряженность электрического поля в мембране?
20. Как изменится электрическая емкость мембраны (удельная) при ее переходе из жидкокристаллического состояния в гель, если известно , что в жидкокристаллическом состоянии толщина гидрофобного слоя составляет 3,9 нм, а в состоянии геля – 4,7 нм. Диэлектрическая проницаемость липидов 2.
21. Осмотическое давление крови человека составляет 0,77МПа. Сколько молей соли NaCl должен содержать изотонический физиологический раствор в 200 мл воды при температуре 37 0 С?
22. При повторной регистрации спектра ЯМР одного и того же образца изменилась температура, линии спектра при этом стали более узкими. В какую сторону изменилась температура: понизилась или повысилась?
23. Найти длину электромагнитной волны, при которой возникает ЭПР в магнитном поле с магнитной индукцией 0,3Тл. Принять фактор Ланде равным двум.
24. По контуру радиусом 0,5м протекает ток. Найдите силу этого тока, если известно , что магнитный момент контура Б.
26. Определите мощность теплового излучения раздетого человека с S = 1 м 2 поверхности тела, если температура кожи t 1 =30 0 C, окружающей среды – t 2 =20 0 C. Коэффициент поглощения кожи k=0,9
27. Интенсивность излучения тела человека увеличились на 2,62 %. На сколько процентов возросла температура.
28. Определите длину волны , соответствующую максимуму спектральной плотности энергетической светимости тела человека, считая его серым телом. Температура кожи t=30 0 C.
29. Определите натуральный молярный показатель поглощения веществ, если при его концентрации в растворе с=0,03 моль/л оптическая плотность раствора составляет D=1. Длина кюветы l= 2 см.
30.Наблюдая под микроскопом движение эритроцитов в капилляре, можно измерить скорость течение крови (). Средняя скорость тока крови в аорте составляет . На основании этих данных определить, во сколько раз сумма всех функционирующих капилляров больше сечение аорты.
31. Рассчитайте предел разрешения z электронного микроскопа , если ускоряющее напряжение в нем U=100 кВ, апертурный угол u=10 -2 рад.
32. Вычислить вязкость крови при нормальном гематокрите (с=45%), если вязкость плазмы составляет
33. Вычислите максимальное минутный объем Q max крови, при котором течение крови в аорте остается ламинарным. Диаметр аорты d=2 cм, вязкость крови , плотность , критическое значение числа Рейнольдса Re кр =2000.
34. Скорость распространения пульсовой волны по артерии составляет v=10 м/c. Определите модуль упругости Е артерии, если толщина ее стенки h=0,7 мм, внутренний диаметр d=8 мм, плотность крови
35.Радиус аорты равен 1,0см; скорость течения крови в аорте составляет 30 см/с. Чему равен скорость течения крови в капиллярах, если суммарная площадь сечения капиллчров равна 2000 см 2 . (Диаметр каждого капилляра принять как , а число капилляров больше миллиона).
36. В медицине для определения скорости движения отдельных биологических структур (например, крови, клапанов сердца) используется эффект Доплера. Как связано изменение частоты ультразвукового сигнала при отражении от движущегося предмета с его скоростью?
37. К поршню горизонтально расположенного шприца приложена сила F=10 Н. Определите скорость v истечения лекарства из иглы шприца, если плотность лекарства , диаметр поршня d=7 мм, причем его площадь намного больше площади поперечного сечения иглы.
38. С какой скоростью v всплывает пузырек воздуха диаметром d=4 мм в сосуде, наполненном глицерином? Кинематическая вязкость глицерина , его плотность намного больше плотности воздуха.
39. При некоторых заболеваниях критическое число Рейнольдса в сосудах становится равным 1160. Найдите скорость движения крови, при которой возможен переход ламинарного течения в турбулентное в сосуде диаметром 2мм.
40.Уровень громкости звука равен 120 фон, а тихого разговора – на том же расстоянии – 41. фон. Определить отношение интенсивностей.
42. Интенсивности звука 10-2 Вт/м2. Найти звуковое давление , если акустическое сопротивление среды (воздуха) 420 кг/м2с.
43. Определить амплитудное значение звукового давления для чистого тона частотой 1000 Гц, при котором может наступить разрыв барабанной перепонки, если разрыв наступает при уровне громкости L E = 160 фон. (Ответ выразить в паскалях и в атм.)
44. Электронагреватель в установке для термической обработки лекарственного сырья за 10 мин испаряет 1 л воды, вязтой при температуре 20 0 С. Определите длину нихромовой проволоки сечением 0,5 мм 2 , учитывая, что установка питается напряжением 120 В и ее КПД равен 80%?
45. Интенсивность света, прошедшего через раствор аспирина в непоглощающем растворителе, уменьшается за счет поглощения в три раза. Концентрация молекул аспирин n 0 =10 20 м -3 . Путь света в растворе =150 мм. Определите эффективное сечение поглощения аспирина.
46. Определите разность фаз в пульсовой волне между двумя точками артерии, расположенными на расстоянии друг от друга , считая скорость пульсовой волны равной v=10 м/c, колебания сердца – гармоническими с частотой =1,2 Гц.
49. Для нагревания мышечной ткани на плоское электроды подается напряжение c амплитудой U 0 =250 В и частотой =10 6 Гц. Активное сопротивление этого участка цепи R=10 3 Ом; емкость С= Ф. Определите количество тепла, выделившееся в объеме ткани между электродами за период колебаний Т и за время процедуры t=10 мин.
50. Ионофорез применяется для введения лекарственных веществ в тело человека. Определите количество однократно ионизированных ионов лекарственного вещества, введенное больному за время t= 10 мин при плотности тока 0,05 мА/см 2 с электрода площадью S=5 см 2
ВОПРОСЫ ЭКЗАМЕНА
Биологические мембраны. Виды биологических мембран и их функции.
Виды мембранных липидов и их свойства. Бислойные липидные структуры.
Холестерин. Динамика липидов в мембране. Фазовые переходы в мембране.
Мембранные белки. Виды и функции мембранных белков.
Структура биологических мембран.
Искусственные мембраны. Липосомы.
Методы исследования структуры мембран.
Капиллярные явления, их значения в биологии и медицине. Газовая эмболия.
Транспорт веществ через биологические мембраны.Способы проникновения веществ в клетку.
Виды транспорта. Простая диффузия.
Транспорт неэлектролитов через биологические мембраны.
Основные механизмы пассивного транспорта.
Транспорт ионов. Ионный транспорт веществ в каналах.
Механизмы проницаемости биологических мембран. Строение и функции ионных каналов и переносчиков. Механизмы электрогенеза.
Активный транспорт через биологические мембраны.
Молекулярные механизмы электрохимических потенциалов мембран и распространение нервного импульса вдоль возбудимого волокна.
Понятие электровозбудимости. Потенциалы покоя.
Методы измерения мембранного потенциала. Микроэлектродная техника.
Потенциал действия. Механизм генерации и распространения потенциала действия.
Методы изучения молекулярных механизмов электромеханических потенциалов мембран.
Распространение нервного импульса вдоль возбудимого волокна.
Датчики медико-биологической информации. Типы датчиков.
Назначение и классификация датчиков , характеристики.
Термоэлектрические явления в металлах и полупроводниках.
Градуировка термодатчиков и определение температуры вещества.
Электроды для съема биоэлектрического сигнала.
Ионные токи в модели Ходжкина – Хаксли.
Ионные каналы в клеточных мембран. Структура ионного канала.
Механизм генерации потенциала действия кардиомиоцита.
Мембранные потенциалы. Потенциал действия сердечной клетки.
Физические основы электрокардиографии. Устройство, принцип работы электрокардиографа..Основные подходы к регистрации ЭКГ.
Регистрация ЭКГ и принципы анализа.
Электроэнцефалография. Основные ритмы ЭЭГ. Их функциональное значение.
Регистрация ЭЭГ и принципы анализа. Функциональные пробы.
Основные типы электрической активности пирамидных нейронов.
37. Энергетические уровни молекул (электронная, колебательная и вращательная энергия молекул).
38.Электронные переходы при поглощении света.
39. Спектры поглощения молекул некоторых биологически важных соединений.
40. Методы исследования фотобиологических процессов с помощью спектров.
41.Устройство и принцип работы спектрофотометров.
42. Изучение спектрофотометрических методов исследования для определения концентрации веществ в биологических жидкостях.
43. Люминесценция биологических систем.
44. Люминесценция. Различные виды люминесценции.
45.Фотолюминесценция. Правило Стокса.
46. Квантовый выход флуоресценции. Триплетный уровень и фосфоресценция.
47. Фотолюминесцентный качественный и количественный анализ биологических объектов.
48. Люминесцентная микроскопия. Хемилюминесценция, механизм генерации хемилюминесценции
49.Первичные стадии фотобиологических процессов.
50. Спектры фотобиологического действия.
51.Изучение продуктов первичных фотобиохимических реакций.
52. Свободнорадикальное окисление.Первичные фотохимические реакции белков.
53.Фотохимические превращение ДНК.
54. Особенности действия высокоинтенсивного лазерного излучения на ДНК.
55. Фотореактивация и фотозащита.
56.Действие ультрафиолетового света на биологические мембраны.
57. Фотосенсибилизированные фотобиологические процессы.
58. Исследование биологических объектов в микроскопии.
59. Специальные приемы микроскопии биологических объектов
60. Оптическая система микроскопа, построение изображения объекта.
61. Формула увеличения оптического микроскопа.
62. Биофизика мышечного сокращения. Модель скользящих нитей.
63. Биомеханика мышцы. Уравнение Хилла.
64. Мощность одиночного сокращения. Моделирование мышечного сокращения.
65. Электромеханическое сопряжение
66. Кровеносная система (артерии, вены). Механизм кровообращения
67.Движение крови в крупных сосудах.
68.Организация потока крови в микрососудах.
69. Движение форменных элементов крови в капиллярах.
70. Факторы, определяющие реологические свойства крови.
71. Формы ориентации эритроцитов в капиллярах.
72. Гемодинамические закономерности движения крови по сосудам.
73. Общие физико-математические закономерности движения крови по кровеносному руслу.
74. Реография различных органов и тканей. Методы исследования кровообращения.
75. Методы регистрации и принципы анализа реографической кривой. Интегральная и регионарная реография.
76. Способы косвенной регистрации ударного и минутного выброса. Компьютерная интегральная реография.
77. Физические основы взаимодействия звука и биологических тканей.
78. Классификация медицинских приборов и аппаратов.
79.Формы энергии, которые преобразуются в измерительном преобразователе.
80. Медицинские приборы терапевтического назначения.
81. Терапевтическая электронно-медицинская аппаратура.
82. Методы высокочастотной терапии (ВЧ,УВЧ,СВЧ и др.) и их биофизическое воздействие.
83. Устройство аппарата УВЧ-терапии и его принцип работы.
84. Терапевтическая техника, основанная на применении постоянного тока
85. Устройство аппарата гальванизации и его принцип работы. Физические основы гальванизации
86. Фотоэлектрические преобразователи.
87. Основные технические средства медицинской интроскопии.
88. Конструкции датчиков и их основные характеристики.
89.Приборы для измерения функции внешнего дыхания
90. Регистрация движений грудной клетки при дыхательных движениях. Пневмография, спирометрия, спирография.
Перечень практических навыков
проводить регистрацию ЭЭГ., РГ
проводить регистрацию ЭКГ в стандартных отведениях;
уметь объяснить генез ЭКГ феноменов и методы их выявления.
научиться формировать электрокардиографический диагноз.
производить регистрацию физических параметров ,
обрабатывать результаты измерений с использованием вычислительных средств;
измерять концентрацию веществ с использованием фотометрических приборов.
решать задачу оптимального сопряжения биообъекта и технических средств в медико-биологических исследованиях;
правильно подбирать технические средства при решении медицинских задач