профилактического факультетов 2курса. Тема

Методическая разработка для студентов медицинского,
педиатрического
но лечебно-профилактического факультетов ІІ курса.
Биофизика мембранных процессов.
Тема. Изучение равновесного концентрационного потенциала Нернста.
1.Актуальность темы.
Поскольку живая природа очень сложна, то постановка последовательных
медико-биологических задач и их решения возможны пока еще лишь в
ограниченном количестве случаев. Биофизика клеточных процессов занимается
изучением структурно функциональной организации клеток, в частности
молекулярной организации клеточных мембран, процессов транспорта вещества,
сквозь мембранные структуры, электрогенеза и биоэнергетики клеток, механизмов
межклеточного взаимодействия, и тому подобное.
2.Конкретные цели:
- Анализировать структурные элементы биологических мембран, их физические и
динамические свойства.
- Объяснять механизм пассивного и активного транспорта веществ сквозь
мембранные структуры клеток.
- Трактовать уравнения Фика, коэффициент проницаемости мембраны, скорость
диффузии, уравнения Нернста-Планка, электромеханический потенциал, уравнение
Теорелла.
3.Базовый уровень знаний и умений.
Дисциплина Знать
Биология
Строение и свойства биологических
мембран
Физиология пассивный и активный транспорт
Химия
структурная организация белков и
нуклеиновых кислот.
4. Перечень теоретических вопросов, которые рассматриваются на занятии.
1. Структурные элементы биологических мембран.
2. Физические свойства биологических мембран.
3. Жидкокристаллическое состояние биомембран.
4. Фазовые переходы в биомембранах.
5. Динамические свойства мембран.
6. Пассивный транспорт веществ сквозь мембранные структуры. Уравнение Фика.
Коэффициент проницаемости мембраны для определенного вещества.
7. Уравнение Нернста-Планка.
5. Формы и методы самоконтроля.
Добавляются тестовые задания (дополнение 1) и задачи.
6. Источники информации.
1
Основные
1. Под редакцией проф. О.В.Чалого. Медицинская и биологическая физика.
Киев,2005 г. Стор 356-422.
2. В.А.Тиманюк, Е.Н.Животова Биофизика, Харьков 2003 г., Стр.331-377.
3. Под. Ред. Д.С. Парсона, Биологические мембраны. Москва, Атомиздат,1988 г.
Дополнительные
1.Костюк П.Г. и др. Биофизика - К.Вища школа 1988 г.
2.Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. - М. 1987 г. Гл.18.стр. 326331.
Контрольные вопросы и тесты для самоконтроля.
1. Что описывает уравнение Фика?
2. Что описывает уравнение Нернста – Планка?
3. Укажите отличительные свойства облегченной диффузии.
4. Укажите формулу, по которой определяется проницаемость мембраны.
5. Назовите динамические характеристики мембраны как жидкого кристалла.
6. Чему равняется толщина клеточной мембраны ?
Чему равняется напряженность электрического поля мембраны ?
7.
8. Чем предопределен пассивный транспорт жидкости сквозь мембрану ?
9. Чем предопределен результирующий поток ионов при пассивном
транспорте их через мембрану?
10.За счет чего осуществляется активный транспорт вещества через
мембрану?
11.От чего зависит проницаемость мембраны для электрически нейтральных
небольших молекул?
12.Где локализован кальциевый мембранный насос ?
13.Укажите функции К+ - Nа+ - насоса.
14.Почему концентрационный потенциал является равновесным? В чем
заключается физическая суть равновесного состояния концентрационного
элемента ?
+
+
15. Определить равновесные потенциалы для ионов Na , К ,Cl для мембраны
эритроцита, если концентрации этих ионов соответственно равняются:
внешне Сс =155,5,4 м Моль/л, в средине Сі=19, 136, 120 м Моль/л.
+
+
16. Укажите величины равновесных потенциалов Нернста для ионов Na , К ,Cl
в норме.
ПРАКТИЧЕСКИЕ И ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ
17. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Задача 1. Рассчитайте толщину d мембраны, если ее участок площадью S =
2
-14
1 мкм имеет электрическую емкость, равную С = 0,3 • 10
Ф. Диэлектрическая
проницаемость липидов равна
Решение. Из формулы для емкости электрического конденсатора
2
выразим толщину мембраны d:
и подставим численные данные:
Задача 2. Рассчитайте коэффициент D латеральной диффузии фос-фолипидов, если
-8
среднее время их оседлой жизни составляет
5 • 10 с.
2
Площадь, занимаемая одной молекулой на мембране, составляет
м .
Решение. Время оседлой жизни молекулы обратно пропорционально частоте
перескоков молекул на мембране вследствие латеральной диффузии
откуда получаем D:
ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ
1.
Рассчитайте диэлектрическую проницаемость
ε
мембранных липидов, если
толщина мембраны d = 10 нм, удельная электрическая емкость С=
2.
Рассчитайте время оседлой жизни и частот перескоков v из одного
мембранного слоя в другой липидов мембран саркоплазматического ретикулума,
2
если коэффициент латеральной диффузии D = 12 мкм /с.
2
площадь, занимаемая одной молекулой фосфолипида,— А = 0,7 нм .
3.
Рассчитайте среднее квадратичное перемещение
молекул белков за 1с, если
коэффициент латеральной диффузии для них составляет приблизительно
4.
Олеиновая кислота С
массой т = 7,3 мкг образует
на поверхности воды монослойную пленку круглой формы диаметром d = 7,3 см.
3
Вычислите площадь А, которую занимает одна молекула олеиновой кислоты.
5.
Сколько молекул фосфолипида находится в липосоме диаметром D = 40 нм, если
2
площадь, занимаемая одной молекулой, А = 0,6 нм . Площади внутреннего и
внешнего слоев приблизительно равны, плотность упаковки фосфолипидов постоянна.
6.
Рассчитайте температуру tпл фазового перехода жирной кислоты, если во время
плавления энтальпия изменяется на
= 15кДж/моль, а энтропия — на .
=52 Дж/(К
• моль).
7.
ВОПРОСЫ ТЕСТОВОГО КОНТРОЛЯ
1. Толщина биологических мембран составляет порядка:
а) 0,01 нм;
2.
б) 0,1 нм;
в) 10 нм;
г) 100 нм;
д) 1 мкм.
Согласно жидкостно-мозаичной модели, биологическая мембрана состоит:
а) из билипидного слоя;
б) двух слоев липидов с белковым слоем между ними;
в) двух слоев липидов, окруженных сверху и снизу двумя сплошными белковыми
слоями;
г) билипидного слоя, белков и микрофиламентов;
д) слоя липидов с вкраплениями белков и углеводов.
3.
Латеральной диффузией называется диффузия:
а) молекул из одного липидного слоя в другой;
б) молекул через биологическую мембрану;
в) молекул в мембране в пределах одного слоя;
г) белковых молекул из одного липидного слоя в другой;
д) ионов через бислойную мембрану.
4.
Переход молекул из одного липидного слоя в другой называется:
а) «флип-флоп»-переходом;
б) облегченной диффузией;
в) активным транспортом;
г) латеральной диффузией;
д) пассивным транспортом.
5.
Время оседлой жизни молекулы в одном положении составляет:
4
б) плоские бислойные липидные мембраны;
а)
À
τ =
6D
б)
τ =
A
2 3D в )
τ =
D
2 3A г )
τ =
D
6A
A
д ) τ = 2D
6. Среднее квадратичное перемещение молекул за время t
составляет:
7.
Липосомами называются:
а) мономолекулярные слои на границе раздела гидрофобной и гидрофильной
фаз:
гидрофильной фаз;
в) билипидные замкнутые структуры;
г) слои липидов и белков, нанесенные на поверхность воды;
д) то же самое, что и мицеллы.
10.8. Липиды в составе биологических мембран находятся:
а) в твердом аморфном состоянии;
б) твердокристаллическом состоянии;
в) жидком аморфном состоянии;
г) жидкокристаллическом состоянии;
д) правильный ответ не приведен.
9.
При фазовом переходе мембран из жидкокристаллического в гель-
состояние площадь мембраны, приходящаяся на одну молекулу липида:
а) уменьшается;
в) не изменяется.
б) увеличивается;
10.
При фазовом переходе мембран из жидкокристаллического в гель-
состояние толщина мембраны:
а) уменьшается;
в) не изменяется.
б) увеличивается;
11.
Чем больше в «хвостах» липидов двойных связей, тем температура
фазового перехода:
5
а) выше;
в) не зависит от этого.
б) ниже;
12.
Температура плавления мембраны связана с изменением энтальпии и
энтропии в этом процессе следующим образом:
6