Лекции по "Биофизике"

В активных датчиках измеряемый параметр непосредственно преобразуется в электрический сигнал, т. е. под воздействием измеряемой величины активные датчики сами генерируют сигнал соответствующей амплитуды или частоты. К таким датчикам относятся пьезоэлектрические, индукционные преобразователи, термоэлементы.

Пассивные датчики  под воздействием входной величины изменяют свои электрические параметры: сопротивление, емкость или индуктивность. В отличие oт активных (генераторных) датчиков пассивные (параметрические) датчики для получения соответствующего значения выходного напряжения или тока включаются в электрическую цепь с внешним источником питания. К таким датчикам можно отнести емкостные, индуктивные, резистивные, контактные датчики.

Каждый датчик характеризуется определенными метрологическими показателями. Важнейшими из них являются:

1) чувствительность—минимальное изменение  снимаемого параметра, которое можно устойчиво обнаружить с помощью данного преобразователя,

2) динамический диапазон — диапазон входных величин, измерение которых производится без заметных искажений от максимальной предельной величины до минимальной, ограниченной  порогом  чувствительности или уровнем помех;

3) погрешность — максимальная разность между получаемой и номинальной выходными величинами;

1. время реакции — минимальный промежуток времени, в течение которого происходит установка выходной величины на уровень, соответствующий измененному уровню входной величины.
70. Структура и функции биологических мембран.

Мембраны окружают всю  цитоплазму и отграничивают ее от окружающей среды, а также .  образуют оболочки всех органоидов и включений клетки: ядра, митохондрий, лизосом, аппарата Гольджи, эндоплазматического ретикулума.

В настоящее время  большинство ученых придерживается представления о структуре мембран в виде жидкостно - мозаичной модели. В соответствии с этой моделью, структурную основу мембраны образует двойной слой фосфолипидов инкрустированный белками. Липиды при физиологических условиях находятся жидком агрегатном состоянии. Это позволяет сравнить мембрану с фосфолипидным морем, по которому плавают белковые "айсберги". При этом согласно современным представлениям количество белков и липидов во всех мембранах должно быть примерно одинаковым. Тот факт, что не вся поверхность мембран покрыта белками, показал и метод ядерного магнитного резонанса.

Кроме фосфолипидов и белков в мембранах  содержится много холестирина. Есть также гликолипиды, гликопротеиды  и другие вещества.

Хорошая проницаемость  мембран большинства клеток для  воды и многих водорастворимых веществ позволяет предположить существование в мембранах особых отверстий — пор. Диаметр пор определяется косвенным путем по размеру водорастворимых молекул, которые еще способны проникать через мембрану. С помощью этого и других методов было установлено, что у большинства клеток диаметр пор составляет 0,35—0,8 нм. Поры могут иметь структуру длинного извитого канальца. Количество пор в мембране невелико. В эритроцитах, например, вся площадь, приходящаяся на их долю, составляет примерно 0,06 % от общей поверхности мембраны.

Поры изнутри выстланы слоем молекул белка. Полярные группы молекул белка направлены в сторону  отверстия поры, а неполярные вступают во взаимодействие с молекулами липидов. Благодаря наличию полярных групп в порах они обычно обладают электрическим зарядом, что оказывает большое влияние на процесс проникновения растворенных частиц через поры.

Мембрана представляет собой элементарную структуру клеток. Мембраны образуют клеточные оболочки и оболочки органоидов клетки. Мембраны различных органоидов отличаются химическим составом и толщиной. Например, оболочки митохондрий, состоящие из пяти слоев белков и липидов, представляют собой дубликатуру элементарной мембраны.

В некотором отношении  очень интересны мембраны лизосом. Как известно, лизосомы содержат ферменты, разлагающие все наиболее важные вещества клетки. Эти ферменты не могут только разлагать и переваривать свою собственную мембрану. При разрушении мембраны лизосом ферменты выходят в цитоплазму и наблюдается явление аутолиза—самопереваривания клетки.

Основные функции биологических  мембран.

Из всех функций биологических  мембран можно выделить три основные функции:

• барьерную, обеспечивающую избирательный, регулируемый, пассивный и активный обмен веществом с окружающей средой. Избирательный означает, что одни вещества переносятся через мембрану, другие - нет; регулируемый - проницаемость мембраны для определенных веществ меняется в зависимости от различных факторов, например, функционального состояния клетки;
• матричная - обеспечивает определенное взаимное расположение и ориентацию мембранных белков;
• механическая - обеспечивает прочность и автономность клетки, внутриклеточных структур.

Кроме того, мембраны выполняют  и другие функции:

• энергетическую - синтез АТФ на внутренних мембранах митохондрий и фотосинтез в мембранах хлоропластов;
• генерацию и проведение биопотенциалов;
• рецепторную (механическую, акустическую, обонятельную, зрительную, химическую, терморецепцию) и многие другие функции.

Общая площадь биологических  мембран в организме человека достигает десятков тысяч квадратных метров, чем объясняется огромная их роль во всех процессах жизнедеятельности.

В клетках протекает  сложнейшая сеть биохимических превращений, состоящая из тысяч отдельных  реакций. Все эти реакции должны быть тем или иным способом отграничены друг от друга. Мембраны производят деление клетки на отдельные участки, фазы, где и протекают различные реакции. И в самом деле, мембрана, как правило, располагается на границе раздела двух фаз: наружная плазматическая мембрана отделяет внутреннюю среду клетки от наружной; мембраны митохондрий отделяют их матрикс от собственной цитоплазмы; мембраны ядра—кариоплазму от цитоплазмы; мембраны цитоплазматического ретикулума — содержимое цистерн от цитоплазмы и т.д. Все эти фазы отличаются друг от друга физико-химическими показателями: рН, концентрацией ионов, наличием ферментов, количеством воды, кислорода и т. д. Благодаря тому что мембраны создают границы раздела, возможно существование многих биохимических реакций.

Помимо того, что мембраны создают границы раздела между  различными фазами, они принимают непосредственное участие во всех процессах обмена веществ, которые обусловливают жизнедеятельность клеток. Различного рода мембранные структуры в организмах составляют колоссальную поверхность—десятки тысяч квадратных метров. Такая обширная структурная система указывает на ее важное функциональное значение. Во всех мембранных структурах имеются ферментные системы. Во внутренней мембране митохондрий и эндо-плазматического ретикулума сосредоточены такие окислительные ферменты, как дегидрогеназы, флавины, цитохромы. В мембранных образованиях находятся также фосфатазы, ферменты активного переноса веществ (транслоказы, пермеазы), липолитические ферменты.

Приведенные данные убедительно свидетельствуют о том, что поверхность мембран представляет собой то место в клетке, где протекает большинство биохимических реакций  На это оказывает и тот факт, что фермент АТФ-аза, играющий ключевую роль в обмене веществ, локализован в основном на мембранах (кроме актомиозина, находящегося в саркоплазме).

Наконец, функция мембран заключается еще и в том, что они координируют и регулируют биохимические и биофизические процессы в клетках. Сейчас становится все более очевидным, что мембраны являются своеобразным устройством, воспринимающим сигналы, поступающие извне, и преобразующим их в команды, регулирующие обмен веществ внутри клетки. В выполнении данной функции большое значение имеет такое свойство мембран, как проницаемость.  В результате изменения проницаемости меняется скорость поступления и выведения веществ, изменяются стационарные концентрации реагирующих веществ в клетках и, следовательно, скорости биохимических и биофизических процессов. На важное значение проницаемости мембран в регуляции обмена веществ указывает тот факт, что многие гормоны (инсулин, адренокортикотропный гормон, минерало-кортикоиды, антидиуретический гормон) оказывают биологическое действие путем изменения проницаемости клеточных мембран.

Нормальное состояние  мембран клетки нарушается при многих заболеваниях, в особенности связанных  с нарушениями гормонального и витаминного баланса организма. Обнаружены увеличение проницаемости мембран лизосом и выход в цитоплазму лизосомных ферментов пригипервитаминозе А, авитаминозе Е, при гипоксии, действии ионизирующих излучений, стрептолизина, эндотоксинов и т п. Кортизон и гидрокортизон, напротив, способны стабилизировать мембраны лизосом, что, возможно, является одной из причин противовоспалительного действия этих соединений.

71. Методы исследования мембран. Рентгеноструктурный анализ. Электронная микроскопия.

Определение молекулярной структуры образцов, в том числе и исследование мембран, является очень сложной задачей для решения которой необходимо применение различных методов, в том числе:

1. дифракции рентгеновских лучей;
2. электронной микроскопии;
3. электронного парамагнитного резонанса (ЭПР);
4. ядерного магнитного резонанса (ЯМР).
5. флюоресцентный анализ.

Основная формула дифракционной  решетки может быть использована не только для определения длины  волны, но и для решения обратной задачи – нахождения постоянной дифракционной  решетки по известной длине волны.

Метод рентгеноструктурного анализа основан на определении параметров кристаллической решетки по дифракции монохроматических рентгеновских лучей.

Дифракция рентгеновских  лучей имеет место как при  прохождении их через кристалл, так и при отражении от него. Условие, необходимое для дифракции рентгеновских лучей: 2d·sinj=nl; где d –расстояние между атомными плоскостями; j - угол скольжения; n – порядок максимума (n=1,2,3,…).

Электронная микроскопия. В 1923 году французский физик де-Бройль высказал гипотезу о том, что вещество подобно свету должно обладать волновыми и корпускулярными свойствами. В частности, всякой движущейся частице должна соответствовать волна длиной: l = h/mv; где: m – масса микрочастицы; v – скорость микрочастицы; h – постоянная Планка. Весьма существенно то, что формула для дифракции рентгеновских лучей справедлива и в случае дифракции электронов. Значение длины волны, расчитанное по этой формуле совпадает с ее значением, найденным по формуле де-Бройля. Рассчитаем длину волны соответствующую электронным лучам, используемым в электронном микроскопе:

 l = h/mv = 6,62·10^-34 дж·с/ 9,1·10^-31 кг·1,4·10⁸ м/с = » 5·10^-6 мкм

Электронный парамагнитный  резонанс это явление резкого  возрастания поглощения энергии  электромагнитной волны системой парамагнитных частиц (электронов с некомпенсированными спинами), помещенных во внешнее магнитное поле, при резонансной частоте волны n_рез.

Ядерный магнитный  резонанс - это явление резкого  возрастания поглощения энергии  электромагнитной волны системой атомных ядер, обладающих магнитным моментом, помещенных во внешнее магнитное поле, при резонансной частоте волны n_рез.

Флюоресцентный  анализ дает возможность исследовать  подвижность фосфолипидных молекул  в мембране, оценить вязкость липидной фазы мембраны (так называемую микровязкость). Он основан на том, что так как в нормальном состоянии мембраны не флюоресцируют, то в мембрану вводят молекулы или полярные группы, способные к флуоресценции.

72. Пассивный транспорт веществ через мембрану. Уравнение Теорелла. Уравнение Фика.

Все  виды переноса веществ  через мембрану можно разделить  на пассивный и активный транспорт. Пассивный транспорт веществ это вид транспорта, который осуществляется без затрат энергии. Имеются следующие виды пассивного транспорта веществ в клетках и тканях: диффузия, осмос, электроосмос и аномальный осмос, фильтрация. 

Пусть Ф – поток  вещества, с – его концентрация, m - электрохимический потенциал, u – подвижность, D – диффузия, и u=D/RT. Тогда взаимосвязь между перечисленными величинами может быть найдена с помощью уравнения Теорелла:

Ф = - с u dm/dx  (1)

Согласно уравнению  Теорелла поток вещества Ф равен  произведению концентрации носителя на  подвижность и на градиент его  электрохимического потенциала. Знак “минус” указывает на то, что поток направлен в сторону убывания m..

Основным механизмом пассивного транспорта веществ, обусловленным наличием концентрационного  градиента, является диффузия. Диффузия—это самопроизвольный процесс проникновения вещества из области большей в область меньшей его концентрации в результате теплового хаотического движения молекул. Математическое описание процесса диффузии дал Фик. Согласно закону Фика, скорость диффузии  dm/dt прямо пропорциональна градиенту концентрации dC/dx, и площади S, через которую осуществляется диффузия:

Ф = dm/dt = - DS dC/dx     (2)

Где Ф – это поток вещества, численно равный  количеству вещества диффундирующему через данную площадь в единицу времени. Плотность потока j = Ф/S – это количество вещества диффундирующего через единицу площади в единицу времени. Под скоростью диффузии понимают количество вещества (в молях или других единицах), диффундирующего в единицу времени через данную площадь. Градиент концентрации—это изменение концентрации С вещества, приходящееся на единицу длины, в направлении диффузии. Знак минус в правой части уравнения (2) показывает, что диффузия происходит из области_большей концентрации, в область_меньшей концентрации вещества. Коэффициент пропорциональности D в уравнении (2) называется коэффициентом диффузии. Его физический смысл легко выяснять, если S и dC/dx  приравнять к единице. Коэффициент диффузии численно равен количеству вещества, диффундирующего в единицу времени через  единицу площади при градиенте концентрации, равном единице. Коэффициент диффузии зависит, от природы  вещества и от температуры. Он характеризует способность вещества к диффузии.