Молекулярная и клеточная биофизика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Биофизика

Биофизика - раздел физики, занимающийся изучением физических основ биологических явлений и закономерностей.

По уровню организации живой материи:

ѕ молекулы биофизика молекулы

ѕ одноклеточные организмы

ѕ клетки

ѕ ткани биофизика клетки

ѕ органы

ѕ организмы

ѕ популяции

ѕ биоценозы биофизика сложных систем

ѕ биосфера

Молекулярная биофизика - раздел биофизики, занимающийся изучением строения и физико-химических свойств биологически функциональных макромолекул (белков и нуклеиновых кислот).

Основная задача: раскрыть физический механизм, лежащий в основе биологической активности макромолекул.

Клеточная биофизика - раздел биофизики, занимающийся изучением строения и функционирования клеток и их совокупностей.

Основные задачи: изучение физики биомембран и биоэнергетических процессов (генерация и распространение нервных импульсов, мышечное сокращение, фотосинтез, зрение и т.д.).

Биофизика сложных систем - раздел биофизики, занимающийся изучением процессов, протекающих на высоких уровнях организации живой природы, а также некоторых процессов, протекающих на всех уровнях (биоэнергетические явления, процессы биологической эволюции, биологические колебательные процессы и т.д.).

Теоретический аппарат включает и термодинамику.

Биомембраны. Структура и функциональная роль.

1. Функции и задачи биомембран.

2. Размеры, химический состав и строение биомембран.

3. Асимметрия биомембран.

4. Силы, стабилизирующие мембранные структуры.

5. Физическое строение биомембран.

6. Методы анализа структуры биомембран.

Функции и задачи биомембран.

Биомембраны выполняют двойную функцию:

1. Поддерживают целостность клетки, обособленность от окружающей среды, автономность внутреннего устройства.

2. Осуществляют постоянный обмен с окружающей средой (энергией, веществом, информацией).

Изучение биомембран важно для понимания жизнедеятельности организма в норме, для выяснения механизма патологии и для верного подхода к созданию комплекса врачебных мероприятий.

Задачи биомембран:

1. Транспорт веществ.

2. Обеспечение основных биоэнергетических процессов (синтез АТФ при окислении фосфолипидов, генерация биопотенциалов, распад АТФ при нервно-мышечной деятельности).

3. Участие во всех видах рецепции.

Различают клеточную (плазматическую) и внутриклеточные биомембраны.

Размеры, химический состав и строение биомембран.

Биомембраны - надмолекулярные структуры. Их толщина очень мала (10 нм). Они представляют собой двумерные структуры.

Химический состав: липиды (40%) и белки (60%) - количественное соотношение варьирует. Биомембраны, в большинстве своём, гетерогенны. Но есть и относительно простые биомембраны. Например, белковая часть внутриклеточных мембран палочек сетчатки содержит всего один белок - родопсин.

Структурной основой биомембран являются липиды, большую часть которых составляют фосфолипиды. Общая структура фосфолипида:

1. Остаток спирта (Х).

2. Углеводные цепочки, остатки высших жирных кислот (R1 и R2).

3. Спирт глицерин.

4. Остаток фосфорной кислоты.

СН2 ­ СН ­ СН2

Все фосфолипиды содержат полярную гидрофильную головку и два неполярных гидрофобных хвоста, следовательно, проявляют амфофильные свойства.

В 1972 году Зингер и Николсон предложили Мозаичную модель биомембран, популярную и по настоящее время. Согласно этой теории, структурной основой биомембран является двойной липидный слой, в котором гидрофобные хвосты обращены внутрь биомембран и образуют единую углеводородную фазу, а полярные головки находятся снаружи, по обе поверхности билипидного слоя. Схематически:

Этот билипидный слой инкрустирован молекулами белка, которые делят на периферические и интегральные.

Периферические белки - белки, которые целиком расположены на гидрофильной части слоя, т.е. только на поверхности мембран.

Интегральные белки - белки, имеющие участки гидрофобной поверхности, они погружены на различную глубину в билипидный слой. Некоторые белки пронизывают мембрану насквозь и называются прошивающими.

С учётом белкового компонента, схема примет вид:

Асимметрия биомембран.

Как белковый, так и липидный состав биомембран неодинаков. Фосфолипидные слои отличаются относительным содержанием компонентов, а расположение белков в зависимости от слоя имеет принципиальные, качественные отличия.

Например, в плазматических мембранах к внутренней стороне примыкает больше белков-ферментов, а к наружной - больше белков узнавания и оборонительных белков.

Сравним Мозаичную модель Зингера-Николсона с «Бутербродной» моделью Даниэли и Дайсона: принцип расположения липидов одинаковый. Однако в «Бутербродной» модели все белки - гидрофилы, а, следовательно, расположены только на поверхности мембраны, по обе стороны от билипидного слоя, т.е. возникает двусторонняя симметрия. Схема «Бутербродной» модели:

Силы, стабилизирующие мембранные структуры.

Различают следующие силы взаимодействия:

1. Сильные (ковалентные).

2. Слабые.

Отдельная сильная связь прочнее слабой; чтобы её разрушить, необходимо приложить больше энергии. Однако кооперативный вклад слабых взаимодействий зачастую равен вкладу сильных.

Целостность биомембран поддерживается слабыми связями, а определяющую роль играют гидрофобные взаимодействия между неполярными группировками в результате отталкивания молекул воды. В биомембране они возникают между хвостами липидов, а также между хвостами липидов и интегральными белками.

Полярные головки липидов связываются с периферическими белками электростатическими силами.

Физическое строение биомембран.

Физическое строение биомембран определяется свойствами билипидного слоя. А они - жидкостные. Доказательства:

1. Мембранные липиды не закреплены жёстко и постоянно меняются местами. Различают 2 вида перемещений:

1) латеральная диффузия - перемещение липидных молекул в пределах своего монослоя (в плоскости мембраны);

2) флип-флоп - перемещение из одного монослоя в другой.

Для молекул липидного слоя характерен коэффициент диффузии см2/с.

Латеральную диффузию могут совершать мембранные белки. В данном случае коэффициент будет зависеть от глубины погружения белка и вязкости среды. Для периферических белков см2/с, что соответствует вязкости оливкового масла.

2. Большинство мембранных липидов содержит двойные связи, т.е. являются ненасыщенными, с низкой температурой физиологического плавления.

3. Метод калориметрии. Микрокалориметрическими измерениями установлено, что при определённых условиях мембранно-фазовый переход соответствует плавлению липидов, т.е. температура плавления очень низка (нередко - отрицательна).

Однако мембраны не растекаются, а поддерживают объём клетки. Это становится возможным благодаря сложной пространственной структуре, напоминающей кристаллическую, характерную для твёрдых тел.

В биомембранах сочетается упорядоченность и подвижность, т.е. биомембраны находятся в жидко-кристаллическом состоянии, «белковые айсберги плавают в липидном море».

Часть белковых молекул закреплено на цитоплазматических структурах клетки микротрубочками и микрофиламентами, являющимися стабилизаторами клеточной поверхности.

Методы анализа структуры биомембран.

1. Электронная микроскопия.

2. Рентгенография.

3. Спектроскопия, магнитный резонанс:

_ ЯМР - ядерно-магнитно-резонансный метод.

_ ЭПР - электронно-парамагнитно-резонансный метод.

4. Флуоресцирующая спектроскопия.

5. БЛМ - искусственные мембраны.

В организме практически нет парамагнетиков и сильно флуоресцирующих веществ, следовательно, 3-ий и 4-ый методы используются в определённой модификации: в организм вводят парамагнитные или флуоресцирующие метки и зонды.

Метка - молекула, встраивающаяся в мембрану и удерживающаяся в ней ковалентными связями.

Зонд - молекула, встраивающаяся в мембрану и удерживающаяся в ней слабыми взаимодействиями.

С помощью меток удаётся установить структуру молекул и взаимную ориентацию их частей. А с помощью зондов можно также установить вязкость - физическое состояние окружения молекул.

Недостаток данных методов - они влияют на свойства объекта.

ЯМР позволяет установить структуру молекул, подвижность отдельных группировок в них. Применяется в клинической диагностике болезней, связанных с изменением структурного состояния органов и тканей (в т.ч. онкологических). Производится сканирование (послойный просмотр участка) - ЯМР-интраскопия.

Преимущества: не оказывает вредного воздействия на организм.

Искусственные липидные мембраны (БЛМ) - получают при контакте смеси липидов, растворённых в органике с водой. Различают плоские и сферические (везикулярные) искусственные мембраны. Они также имеют 2-х-слойное строение. Физические свойства БЛМ близки к свойствам биомембран (толщина, электроёмкость). Но БЛМ не обладают метаболической активностью, так как не имеют в своём составе белков. Применяются для изучения проницаемости и транспорта веществ.

Многослойные везикулярные мембраны (липосомы) - замкнутые частицы, образованные рядами концентрических билипидных слоёв, раздёлённых водным пространством. Толщина каждого билипидного слоя в 3-4 раза больше, чем у водной прослойки. Диаметр липосомы 5-50 мкм. Используются в терапии как капсулы для доставки лекарственных препаратов в органы и ткани (липосома + антитело - транспорт к ткани-антигену). Преимущества: нетоксичны, полностью усваиваемы, способны преодолевать ряд барьеров. Схема:

Биомембраны. Мембранный транспорт.

1. Проницаемость биомембран. Виды трансмембранного переноса веществ.

2. Пассивный мембранный транспорт: способы и математическое описание.

3. Молекулярные механизмы пассивного мембранного транспорта.

4. Активный мембранный транспорт. Характеристика бионасосов.

5. Молекулярная организация и этапы работы K-Na насоса.

6. Сопряжённый активный транспорт.

Проницаемость биомембран. Виды трансмембранного переноса веществ.

Проницаемость - свойство мембран пропускать различные вещества.

Селективность (избирательность) - различная проницаемость для разных соединений. У биомембран селективность высокая.

Существует два принципиально различных типа переноса вещества через мембрану: биофизика мембранный нейтральный молекула

1. Пассивный транспорт.

2. Активный транспорт.

Градиент - характеризует быстроту изменения параметра в пространстве (вдоль выбранного направления). Градиент - векторная характеристика. В биофизике принято градиент направлять от большего значения к меньшему. Пример: ГС - градиент концентраций, Г - градиент потенциала.

Свободная энергия F - характеризует способность системы совершать работу.

Виды химических реакций:

1. Эндергонические (энтропия понижается, энергия растёт) - образование пептидной связи при биосинтезе белка.

2. Экзергонические (энтропия увеличивается, энергия уменьшается) - гидролиз АТФ.

Пассивный транспорт - перемещение вещества по концентрационному и электрическому градиентам.

Характерные черты (критерии):

1. Работы против внешних сил не совершается, следовательно, энергия метаболических процессов не расходуется.

2. Градиенты уменьшаются, свободная энергия системы падает.

3. Возможен перенос вещества в обоих направлениях: как в клетку, так и из клетки.

4. Свойственен любым мембранам (как биологическим, так и искусственным, но селективность у биологических выше).

Активный транспорт - перенос против градиента, концентрационного или электрического.

Характерные черты (критерии):

1. Требует дополнительной затраты энергии (её поставляют экзергонические реакции).

2. Градиенты увеличиваются, свободная энергия возрастает.

3. Молекулярные системы характеризуются векторностью (строгой направленностью).

4. Свойственен лишь биомембранам.

Пассивный мембранный транспорт: способы и математическое описание.

Пассивный перенос растворённого вещества осуществляется путём диффузии, а растворителя - путём осмоса и фильтрации (физический смысл - диффузия).

Диффузия - самопроизвольное перемещение вещества по его концентрационному или электрическому градиенту за счёт хаотического теплового движения его молекул (ионов).

Диффузия в растворе нейтральных молекул описывается уравнением Фика:

, где

m - масса вещества

t - время

D - коэффициент диффузии (зависит от свойств переносимого вещества)

С - концентрация вещества

S - площадь поверхности, через которую идёт перенос

«-» показывает, что градиент концентрации уменьшается.

- плотность потока вещества - масса вещества, переносимая в единицу времени через единицу площади мембраны.

- плотность потока вещества пропорциональна градиенту его концентрации.

Диффузия через мембрану нейтральных молекул:

Заменим коэффициент D, зависящий от свойств субстрата на коэффициент a, зависящий от свойств мембраны:

Р - коэффициент проницаемости, зависящий от свойств мембраны.

Диффузия через мембрану ионов:

Пусть [пси] - безразмерный потенциал,

, где

- разность потенциалов через мембрану, мембранный потенциал [В]

Z - заряд переносимого иона [элементарные единицы]

F - число Фарадея = 9,65*107 Кл/кмоль

R - универсальная газовая постоянная

T - абсолютная температура [К].

Молекулярные механизмы пассивного мембранного транспорта.

*** ГФБ - гидрофобные, ГФЛ - гидрофильные вещества.

Способ передачи зависит от полярности молекул вещества.

Простая диффузия (неопосредованный перенос):

o молекула весь процесс переноса находится в первоначальной свободной форме;

o скорость зависит от концентрации переносимого вещества (субстрата).

Облегчённая диффузия (опосредованный перенос):

o через мембрану перемещается комплекс субстрата с веществом - переносчиком;

o скорость переноса при некоторой концентрации субстрата достигает предельной величины (насыщение всех участков связывания субстрата системой переноса).

Сквозные каналы имеют белковую природу, их стенки выстланы полярными группировками. Диссоциация, адсорбция ионов из раствора приводит к появлению на внутренней поверхности каналов фиксированных зарядов, преимущественно отрицательных.

Факторы, лимитирующие проникновение веществ через каналы:

1. Величина молекул (ионов). Мембрана - «молекулярное сито» для полярных соединений.

2. Наличие и знак заряда. Проницаемость для катионов выше.

Больше всего проницаемость для небольших и электронейтральных молекул воды. Причём для воды существует дополнительный, особый механизм проникновения через подвижные поры липидной природы.

Мембранные липиды могут находится в двух основных пространственных конфигурациях - конформациях:

1. С полностью вытянутыми углеводородными хвостами - транс-конформация

2. С частично свёрнутыми углеводородными хвостами - гош-конформация. Рядом с гош-изомерами в мембране образуются свободные объёмы - кинки.

Кинки могут перемещаться через мембрану при движении хвостов и самих липидов. Вода попадает в них и мигрирует вместе с ними.

При облегчённой диффузии: специфический переносчик - компонент мембраны, имеющий центр связывания субстрата. Варианты:

o Подвижный переносчик, растворимый в липидной фазе. Перенос идёт путём диффузии комплекса «ПВ» - питательное вещество.

o Фиксированный переносчик, способный к конформационным перестройкам (белок). Перенос путём изменения конформации переносчика при связывании с субстратом.

Эстафетная передача - молекулы интегральных белков передают субстрат друг другу как эстафетную палочку.

Активный мембранный транспорт. Характеристика бионасосов.

В основе активного транспорта лежит сопряжение противоградиентных потоков вещества с гидролизом АТФ.

Молекулярный механизм, локализованный в мембране и способный транспортировать вещества за счёт энергии гидролиза АТФ, называется биологическим насосом.

В природе только ионные насосы:

1. Калий - натриевый насос (Натриевый) (действует во всех клетках животных, локализуется в плазматической мембране и при гидролизе 1 АТФ производит обмен 3 ионов внутриклеточного натрия на 2 иона внеклеточного калия). Свойства:

a. Создаёт и поддерживает неравномерное распределение ионов натрия и калия между клеткой и средой. Концентрация калия в живых клетках на порядок выше, чем во внешней среде, а для ионов натрия - наоборот.

b. Электрогенен - способствует зарядке внутренней поверхности мембраны отрицательно относительно внешней.

2. Кальциевый (действует в мышечных клетках животных, располагается в мембранах саркоплазматического ретикулума, транспортирует внутрь цистерн ретикулума два иона кальция при гидролизе одной молекулы АТФ, тем самым понижает концентрацию кальция в саркоплазме и обеспечивает нормальную работу мышечных белков).

3. Протонный (функционирует во всём биологическом мире, но у высших животных - в режиме генератора: синтезирует АТФ за счёт энергии трансмембранного переноса ионов водорода по их градиентам, возникающим при работе дыхательной цепи митохондрий).

Молекулярная организация и этапы работы Калий - Натриевого насоса.

В основе устройства лежит фермент: калий, натрий - активируемая АТФ-аза.

Функциональная единица состоит из 2-х полипептидных цепей: и - субъединиц. < и пересекает мембрану 1 раз. Одна концевая часть - в цитоплазме, другая - во внешней среде.

пересекает мембрану 10 раз и образует несколько цепей. Оба конца находятся в цитоплазме. - субъединица имеет центры связывания ионов натрия и калия, а также фосфата, отщеплённого от АТФ.

Связывание ионов происходит в петле между 2-ой и 3-ей спиралями цепи, а фосфата - между 4-ой и 5-ой спиралями.

- субъединица не содержит центров связывания и обеспечивает правильную ориентацию - субъединиц в пространстве.

Вместе обе субъединицы образуют компактную глобулу - протомер. При гидролизе АТФ четыре протомера взаимодействуют, объединяясь в олигомерный комплекс.

В основе работы фермента в качестве насоса - его способность к изменению конформаций. Их две:

Е1 - исходная конформация - фермент способен взаимодействовать с АТФ и ионами натрия с внутренней стороны мембраны. Его активные центры связывают и удерживают ионы натрия и терминальный фосфат АТФ.

Переход в конформацию Е2 состоит в перемещении отдельных частей белковой глобулы и перестройке ионных центров. В результате петля, содержащая ионный центр связывания оказывается не в цитоплазме, а внутри мембраны, между спиралями 2 и 3, причём сам центр обращён наружу, во внеклеточную среду. Структура и свойства этого центра меняются: он теряет способность удерживать натрий и приобретает высокое сродство к калию.

Минимуму свободной энергии отвечает исходная конформация Е1, поэтому переход в конформацию Е2 требует дополнительной энергии, а обратное превращение осуществляется самопроизвольно.

Работа насоса осуществляется в 5 стадий:

1. Фосфорилирование фермента за счёт внутриклеточной АТФ. Активаторы - внутриклеточные ионы натрия.

2. Изменение конформации фермента за счёт энергии макроэргической связи и первый противоградиентный перенос ионов натрия.

3. Ионообмен: ионы натрия (3) высвобождаются и уходят в среду, а ионы калия (2) связываются на наружной стороне мембраны с активным центром.

4. Обратное изменение конформации и второй противоградиентный перенос ионов калия.

5. Завершение гидролиза АТФ: фосфат и ионы калия высвобождаются в цитоплазму, фермент возвращается в исходное свободное состояние и готов к следующему циклу работы.

Сопряжённый активный транспорт.

ПВ - питательное вещество, ПМ - продукт метаболизма.

Активный транспорт любых веществ сопряжён с ионным транспортом. Различают:

1. Симпорт - совместный однонаправленный перенос.

2. Антипорт - совместный противоположно направленный перенос.

В основе сопряжённого активного транспорта - наличие ионных градиентов, созданных насосами. Энергия АТФ тратится именно на создание градиентов, поэтому ионный активный транспорт называют первичным, сопряжённый - вторичным.

Распространённый вид сопряжения - сопряжение на переносчике. При этом происходит пассивный перенос ионов натрия и активный перенос ПВ или ПМ.

Переносчиками являются пермеазы - мембранные прошивающие белки, имеющие 2 центра связывания:

1. с ионом натрия

2. с ПВ или ПМ.

Схема: связывание с субстратом => изменение конформации => перенос (ионов натрия с ПВ - Симпорт, а с ПМ - антипорт)

Размещено на Allbest.ru