Прилики и разлики между изкуствените и естествените мембрани. Изкуствена мембрана: Стъпка към живота
Изкуствените мембрани се произвеждат по специално разработени техники. Такива мембранни системи обикновено се състоят от един фосфолипид (естествен или синтетичен) или смес от двата. При подходящи условия (напр. лека ултразвук), тези фосфолипиди образуват сферични двуслойни везикули. Везикулите, ограничени от липиден двоен слой, се наричат липозоми.
Нека да разгледаме някои примери за употреба
Ориз. 42.8. Когато мембраната се самосглобява, нейната основна структура се запазва, но не и нейната асиметрия. Мембраните се разрушават при третиране с препарати във високи концентрации; амфифилните молекули на детергента образуват малки капчици, наречени мицели. Детергентът разтваря компонентите на мембраната, като обгръща хидрофобните области на липидите и протеините и ги затваря в мицели, където те са защитени от вода. След като детергентът бъде отстранен, липидите спонтанно образуват нов двоен слой с интегрирани в него протеини. Последните обаче са включени предимно в произволна ориентация. Експерименти като този, описан тук, показват, че всички клетъчни мембрани не успяват да се сглобят правилно; поне някои интегрални протеини трябва да бъдат интегрирани в готова мембрана, която има определена ориентация. (От Lodish N.F., Rothman J.E.: The assembly of cell membranes. Sci. Am. 1979,240, 43, с любезно разрешение.)
изкуствени мембранни системи и посочва техните предимства пред естествените мембрани.
1. Съдържанието на различни липиди в изкуствените мембрани може да варира; това позволява систематично изследване на влиянието на липидния състав на мембраните върху определена функция. Например, възможно е да се получат везикули изключително от фосфатидилхолин или, обратно, от смес от фосфолипиди с известен състав, включително гликолипиди и холестерол. Мембраните могат да бъдат изградени от липиди с различни остатъци от мастни киселини. Това позволява систематични изследвания на влиянието на състава на мастните киселини върху определени мембранни функции (например транспорт).
2. Пречистени мембранни протеини или ензими могат да бъдат включени във везикули. Това ни позволява да идентифицираме кои молекули (напр. специфични липиди или спомагателни протеини) са необходими за реконструиране на функцията на пречистените протеини. Изследвания на пречистени протеини, като Ca2+-ATPase на саркоплазмения ретикулум, показват, че в някои случаи един протеин и един липид са достатъчни за реконструкция на йонната помпа.
3. Микросредата на изкуствените системи може да бъде строго контролирана и целенасочено променяна (например промяна на концентрацията на йони). Те могат да бъдат изложени на лиганди, специфични за определени протеинови рецептори, съдържащи се в липозомата.
4. Когато се образуват липозоми, те могат да уловят определени компоненти, например лекарства или изолирани гени. Използването на липозоми за доставяне на лекарства до специфични тъкани изглежда много обещаващо. За целта е необходимо да се включат компоненти в липозомните мембрани (например антитела към определени повърхностни молекули на клетката), което им позволява да бъдат адресирани към специфични тъкани или тумори. Терапевтичният ефект от този метод на доставяне на лекарства трябва да бъде доста значителен. ДНК, затворена в липозоми, изглежда е по-малко чувствителна към нуклеази; това трябва да се вземе предвид при генната терапия.
Апарат с две работни зони, в които се поддържат различни налягания и състав на разделящата се смес.
Мембраните могат да бъдат направени под формата на плоски листове, тръби, капиляри и кухи влакна. Мембраните са подредени в мембранни системи. Най-често срещаните изкуствени мембрани са полимерните електролитни мембрани. При определени условия керамичните мембрани могат да бъдат изгодно използвани.
Някои мембрани работят в широк диапазон от мембранни операции, като микрофилтрация, ултрафилтрация, обратна осмоза, первапорация, отделяне на газове, диализа или хроматография. Методът на приложение зависи от вида на функционалността, включена в мембраната, която може да се основава на размерна изолация, химически афинитет или електростатика.
Използване
Мембраните се използват най-често за пречистване на вода, отстраняване на микроорганизми от млечни продукти, обезсоляване на вода, дехидратация на природен газ, хемодиализа или като компоненти на горивни клетки.
Вижте също
Напишете отзив за статията "Изкуствена мембрана"
Литература
- Ю. И. Дитнерски, В. П. Брайков, Г. Г. Каграманов. Мембранно газово отделяне. - М.: Химия, 1991.
Откъс, характеризиращ изкуствената мембрана
И така, разхождайки се напълно свободно из дома на Светия папа, аз си набих мозъка, без да си представя какво означава тази необяснима, дълга „пауза“. Знаех със сигурност, че Карафа е много често в покоите си. Което означаваше само едно: все още не беше ходил на дълги пътувания. Но по някаква причина той все още не ме притесняваше, сякаш искрено беше забравил, че съм в негов плен и че съм още жив...По време на моите „разходки“ срещнах много различни, прекрасни посетители, които дойдоха да посетят Светия папа. Това бяха кардинали и някои много високопоставени лица, непознати за мен (което съдех по облеклото им и колко гордо и независимо се държаха с останалите). Но след като напуснаха покоите на папата, всички тези хора вече не изглеждаха толкова уверени и независими, колкото преди да посетят приема... В крайна сметка за Карафа, както вече казах, нямаше значение кой е човекът, който стои отпред от него беше, единственото важно за папата беше НЕГОВАТА ВОЛЯ. И нищо друго нямаше значение. Затова много често виждах много „опърпани“ посетители, които трескаво се опитваха да напуснат „хапещите“ папски покои възможно най-бързо...
В един от същите, абсолютно идентични „мрачни“ дни, внезапно реших да направя нещо, което ме преследваше от дълго време - най-накрая да посетя зловещата папска изба... Знаех, че това вероятно е „изпълнено с последствия, ”, но очакването за опасност беше сто пъти по-лошо от самата опасност.
И реших...
Слизайки по тесните каменни стъпала и отваряйки тежката, тъжно позната врата, се озовах в дълъг, влажен коридор, който миришеше на мухъл и смърт... Нямаше осветление, но продължаването не беше голям проблем, тъй като винаги имаше добро чувство за ориентация в тъмното. Много малки, много тежки врати тъжно се редуваха една след друга, напълно изгубени в дълбините на мрачния коридор... Спомних си тези сиви стени, спомних си ужаса и болката, които ме съпътстваха всеки път, когато трябваше да се върна оттам... Но си заповядах да бъда силен и да не мисля за миналото. Тя ми каза просто да си вървя. Начало > Програма
Изкуствени мембрани. Монослой на интерфейса. Двуслойни липидни мембрани. Липозоми и протеолипозоми. Механизми на взаимодействие на липозоми с биомембрани. Свойства на изкуствените мембрани, техните прилики и разлики с естествените мембрани, практическо приложение в биологията и медицината.
Биофизика на процесите на транспортиране на вещества през биомембрани
Проблемът с пропускливостта на веществата през биомембраните. Методи за изследване на пропускливостта. Видове транспорт на вещества през биомембрана. Пасивен транспорт (дифузия). Движеща сила на дифузията. Дифузионното уравнение на Фик. Зависимост на пропускливостта на мембраната от разтворимостта във вода и липиди. Аквапорини. Пропускливост на мембраните за вода и неутрални молекули. Пропускливост на мембраната за йони. Фактори, влияещи върху скоростта на пасивния йонен транспорт. Електрохимичен потенциал. Механизми за преминаване на йони през мембраната. Пренос на йони в канали. Съвременни разбирания за структурата и функционирането на каналите. Селективност на канала. Индуциран йонен транспорт, моделирането му върху липозоми и плоски двуслойни липидни мембрани. Йонофори: подвижни носители и вещества, образуващи канали. Улеснена дифузия, нейните основни свойства и разлики от простата дифузия. Транслокацията на радикалите като вид транспорт на веществата, нейните механизми и роля в доставката на захари, аминокиселини и други метаболити в клетката. Активен транспорт на молекули и йони, разликата му от улеснената дифузия. Свойства и функции на активния транспорт. Термодинамика на активния транспорт на молекули и йони. Механизми на активен транспорт. Електрогенен и неутрален транспорт. Първичен и вторичен активен транспорт. Транспортни АТФази, тяхната кратка характеристика и класификация. Устройство и механизъм на действие на Na-K помпата. Активен транспорт на Ca 2+ и протони. Модели на паралелно функциониращи пасивни и активни канали. Специални механизми на транспортиране на вещества през биомембраната (ендо- и екзоцитоза, трансфер на ДНК и др.).
Биоелектрични явления.
Кратка история на откриването и изследването на биоелектричните явления. Класификация на биопотенциалите. Характеристики на йонни и електродни биопотенциали. Потенциал на покой, неговият произход. Потенциал за действие. Съвременно разбиране за генерирането на нервни импулси. Модел на Ходжкин-Хъксли. Измерване на потенциала за действие в нерв. Асиметричното разпределение на йони от двете страни на мембраната като основа за възникване на биопотенциали. Фактори, определящи величината на мембранния потенциал. Равновесие на Донан. Транспорт на йони в възбудими мембрани. Разпространение на нервен импулс по миелинизирани и немиелинизирани нервни влакна. Енергозахранване на процесите на разпространение на възбуждане. Векторната природа на предаването на електрически сигнали, неговият механизъм. Значението на записването на биопотенциалите за биологията и медицината. Електрокинетични явления. Образуване на двоен електрически слой. Фактори, определящи големината на електрокинетичния потенциал. Приложение на микроелектрофореза за оценка на електрическия потенциал на клетъчните мембрани в нормални и патологични състояния. Примери за други електрокинетични явления.
Молекулярни механизми на процесите на енергийно свързване.
Общи характеристики на енергийното преобразуване в биомембрани. Конюгиращи комплекси, тяхната локализация в митохондриалната и фотосинтетичната мембрана на хлоропластите. Структурата и условията на работа на различни електронни транспортни вериги (ETC) в биомембрани. Редокс потенциал на електронни носители, неговото измерване (уравнение на Нернст). Особености и биологично значение на електронния транспорт. Прилики и разлики между CPE в митохондриите и хлоропластите. Ексергонични и ендергонични етапи на окислително фосфорилиране, ефективност на този процес. Теории, обясняващи механизма на мембранното фосфорилиране. Основни положения на теорията на П. Мичъл. Електрохимичен потенциал на водородните йони. Състав на протонната АТФаза. Механизъм на енергийно свързване (образуване и хидролиза на АТФ). Последици от хемиосмотичната теория. Други йонни носители като преобразуватели на молекулна енергия, които генерират АТФ. Обобщена схема на трансформация на енергия в клетка.
Биофизика на контрактилните системи.
Обща характеристика на механохимичните процеси. Основни видове контрактилни и двигателни системи. Биофизични характеристики на мускулни и немускулни контрактилни протеини (актин, миозин, тропомиозин, тубулин, флагелин и др.). Основни свойства на набраздения мускул като механохимичен преобразувател на енергия; структурата на саркомера, нейните промени по време на контракция. Молекулен механизъм на мускулна контракция, нейната регулация. Енергийна доставка за мускулна контракция; значението на опитите на В. Енгелхард и М. Любимова. Теории, обясняващи механизма на свиване. Основните структурни характеристики на немускулните контрактилни системи, молекулярният механизъм на тяхната подвижност.
Биофизика на фотобиологичните процеси
Обща характеристика и класификация на фотобиологичните процеси и техните етапи. Приложимост на законите на физиката и фотохимията към фотобиологичните процеси. Поглъщане на светлина от биомолекули. Законът на Ламберт-Бира. Механизъм на поглъщане на светлина. Закономерности на прехода на фотоелектрона към възбудено ниво. Абсорбционни спектри на биомолекули. Оптични свойства на протеини и нуклеинови киселини: абсорбция на светлина, оптична активност, дисперсия на оптичното въртене, кръгов дихроизъм, природа на хипохромните и хиперхромните ефекти. Пътища на дезактивиране на молекули, възбудени от светлина. Луминесценция, нейните видове и основни физични характеристики: спектри на излъчване, квантов добив, продължителност на светене. Биолуминесценция и ултраслаб блясък на обекти (биохемилуминесценция). Миграция на енергия в биосистеми, нейните механизми: индуктивен резонанс, екситон, обменен резонанс, полупроводник. Видове фотохимични реакции; едно- и двуквантови реакции. Спектри на действие на фотобиологични процеси. Биофизика на фотосинтезата. Физическото значение на фотосинтезата. Преобразуване на енергия в първичните процеси на фотосинтезата. Електронен транспорт и фотофосфорилиране. Термодинамика на фотосинтезата, квантов добив и квантово потребление, ефективност на преобразуване на светлинната енергия в химична енергия. Фотосинтеза на бактериородопсин: физичен и биологичен смисъл, последователност от енергийни трансформации, молекулен механизъм. Фотодеструктивни процеси. Фотохимични реакции под действието на ултравиолетовото лъчение върху нуклеиновите киселини. Молекулярни механизми на действие на ултравиолетовото лъчение върху протеини и липиди. Биологично значение на фотоувреждането на молекулите. Фотосенсибилизация и фотозащита; светла и тъмна репарация. Основни физически характеристики и биологични ефекти на лазерното лъчение. Ролята на двуквантовите реакции. Лазерни методи на изследване.
Регулиране на биологичните процеси.
Основни понятия на теорията на информацията. Връзка между ентропия и информация в биологичните системи. Количеството биологична информация, нейната стойност. Приложение на теорията на информацията към биопроцесите: генетичен код, информационни характеристики на структурата на протеините и др. Концепцията на биокибернетиката. Принципи на авторегулация на биологичните процеси (положителна и отрицателна обратна връзка, автоколебания, биоритми). Ролята на биологичните тригери в регулацията на метаболизма.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКА КАРТА
| Номер на раздел, тема, урок | Заглавие на раздел, тема, урок; списък с въпроси, които трябва да бъдат проучени | Брой учебни часове | Материална подкрепа за урока (нагледни материали, учебни помагала и др.) | Литература | Форми на контрол |
|||||||
| практичен (семинари) | лаборатория | управлявана самостоятелна работа на студента |
||||||||||
| Въведение: Предмет и задачи на биофизиката, проблеми, етапи на развитие, перспективи и насоки на развитие. | Диапозитиви за проектор, дъска, тебешир | LD 1,2,3,4,6,7 | изпит |
|||||||||
| Слайдове за графичен проектор, Обяснителни чертежи на дъската. | |||||||||||
| Кинетика на биологичните процеси.Елементарни кинетични уравнения. Молекулярност и ред на реакциите. Характеристики на кинетиката на биологичните процеси. Зависимост на скоростта на реакцията от концентрацията на веществата и температурата. Коефициент на Ван Хоф. Енергия на активиране и нейното определение. Зависимост на скоростта на реакцията от природата на катализатора. Ензим-субстратен комплекс, методи за неговото откриване. Графично представяне на зависимостта на скоростта на ензимната реакция от концентрацията на субстрата, температурата, pH и други фактори. Уравнението на Михаелис-Ментен и неговата алгебрична трансформация за определяне на константата на ставната скорост. Кинетико-графичен анализ на видовете инхибиране. | Слайдове за графичен проектор. Обяснителни чертежи на дъската | |||||||||||
| Пътища за преобразуване на енергията в клетката. Клетката е като химическа машина. Термодинамични характеристики на основните процеси, свързани с преобразуване на енергия. | Слайдове за графичен проектор Обяснителни чертежи на дъската | |||||||||||
| Фотобиологични процеси.Класификация на фотобиологичните процеси. Фотохимични реакции. Светли и тъмни фази на фотосинтезата. Механизмът на взаимодействие на светлината с материята. Възбудено състояние на молекулите. Механизми на поглъщане на светлината от материята. Флуоресценция и фосфоресценция, характеристики, свойства, значение. | Слайдове за графичен проектор | |||||||||||
| Молекулярна биофизикаПредмет и задачи на молекулярната биофизика; изследователски методи. Различни видове взаимодействия в полимерите, техните биофизични характеристики. Пространствена организация на белтъчна молекула. Разнообразие от вторични и третични протеинови структури; суперспирали. Фазови преходи в протеините; термична и химична денатурация. Механизъм, термодинамични характеристики. Физически модели на ДНК. Полиморфизъм на вторичната структура на НК. Фазови преходи денатурация на спирала намотка и ренатурация на NC, фактори на денатурация. Качествени и количествени характеристики на денатурацията. Метод на молекулярна ДНК хибридизация, неговото биологично значение. Физични свойства на НК. | Слайдове за графичен проектор Обяснителни чертежи на дъската | |||||||||||
| Биофизика на мембраните.Методи за изследване на биомембрани. Развитие на идеи за структурната организация на мембраните. Биофизични характеристики на молекулярните компоненти на мембраните: протеини, липиди, въглехидрати и техните комплекси. Водата като съставна част на биомембраните. Модел на течна мозайка, неговите основни характеристики. Физични свойства на биомембраните. Подвижност на компонентите на биомембраната. Фазови преходи в мембраните. Течни кристали в структурата на мембраните, техните свойства. Функции на биологичните мембрани. Изкуствени мембрани. | Слайдове за графичен проектор Обяснителни чертежи на дъската | |||||||||||
| Пропускливост на клетките и тъканите.Класификация и кратко описание на видовете транспорт на вещества през биологични мембрани. Пасивен транспорт, неговите видове, механизми. Пропускливост на мембраната за вода и електролити. Съвременни разбирания за структурата и функционирането на каналите. Селективност на канала. Свойства и функции на активния транспорт. Термодинамика на активния транспорт на молекули и йони. Механизми на активен транспорт. Електрогенен и неутрален транспорт. Първичен и вторичен активен транспорт. Транспортни АТФази, тяхната кратка характеристика и класификация. Специални механизми за транспортиране на вещества през биомембраната | Слайдове за графичен проектор Обяснителни чертежи на дъската | |||||||||||
| Биоелектрични явленияОбща характеристика и класификация на биопотенциалите. Характеристики на йонни и електродни биопотенциали. Потенциал на покой, неговият произход. Потенциал за действие. Съвременно разбиране за генерирането на нервни импулси. Фактори, определящи величината на мембранния потенциал. Разпространение на нервен импулс по миелинизирани и немиелинизирани нервни влакна. Електрокинетични явления. Фактори, определящи големината на електрокинетичния потенциал. | Слайдове за графичен проектор Обяснителни чертежи на дъската | |||||||||||
| Биофизика на контрактилните системиОбща характеристика на механохимичните процеси. Основни видове контрактилни и двигателни системи. Биофизични характеристики на мускулни и немускулни контрактилни протеини. Основни свойства на набраздения мускул. Молекулен механизъм на мускулна контракция, нейната регулация. Основните структурни характеристики на немускулните контрактилни системи, молекулярният механизъм на тяхната подвижност | Слайдове за графичен проектор Обяснителни чертежи на дъската | |||||||||||
ИНФОРМАЦИОННА ЧАСТ
Основна и допълнителна литература
| Библиография | Годината на издаване |
|
| Основен (LO) | ||
| Рубин А. Б.Биофизика. М.: Дом на книгата „Университет“, Т. 1-2. Антонов В.Ф.Биофизика. М.: Дъвка. публикувани център “Владос”, Рубин А. Б.Лекции по биофизика. М.: Издателство на Московския университет. Костюк П. Г. и др.Биофизика. Киев: училище Виша. Конев С. В., Волотовски И. Д.Фотобиология. Мн .: Издателство на Беларуския университет. | ||
| Допълнителна (LD) | ||
| Ремизов А.Н.Медицинска и биологична физика. М.: Медицина. Кантор С., Шимел П.Биофизична химия. Т.1-3, М.: Мир Уилямс У. Уилямсх. Физическа химия за биолози. М.: Мир. Плонси Р., Бар Р.Биоелектричество. Количествен подход. М.: Мир. Зенгер В.Принципи на структурна организация на нуклеиновите киселини. М.: Мир. Тарусов B.N. и т.н.Биофизика. М.: Висше училище. Антонов V.F., Коржуев A.V.Физика и биофизика: Курс лекции за студенти от медицински университети: Учебник. М.: Дъвка. публикувани център "Владос" Артюхов В.Г., Шмелева Т.А., Шмелев В.П.Биофизика. - Ед. Воронежки университет Журавлев А.Н. и т.н.Основи на физиката и биофизиката. Поредица: Учебници и учебни помагала за студенти от висши учебни заведения. 2005 г. |
СПИСЪК НА ЛАБОРАТОРНИТЕ ДЕЙНОСТИ
1. Кинетика на биологичните процеси (4 часа). 2. Пропускливост на клетките и тъканите (4 часа). 3. Повърхностно напрежение на биологични течности (4 часа). 4. Електрокинетични явления (4 часа). 5. Йонизационни методи за анализ (4 часа). 6. Осмотично налягане на биологични течности (4 часа).КОНТРОЛ НА САМОСТОЯТЕЛНАТА РАБОТА
1. Основните начини за използване на енергията в тялото на животните и хората. 2. Пътища за производство на енергия в клетката.Крайният резултат (минимум 4, максимум 10 точки) се определя по формулата: крайна оценка = Ах 0,4 + Бх 0,6, където А– среден резултат от лабораторни упражнения и КСО, Б– резултат от изпита. Окончателната оценка се дава само при успешно издържан изпит (4 точки и повече).
ПРОТОКОЛ ЗА УТВЪРЖДАВАНЕ НА УЧЕБНАТА ПРОГРАМА
С ДРУГИ ДИСЦИПЛИНИ ОТ СПЕЦИАЛНОСТТА
| Име на дисциплината с което се изисква одобрение | Име на отдела | Предложения за промени в съдържанието на учебната програма по изучавания предмет | Решението, взето от катедрата, разработила учебната програма (с посочване на датата и номера на протокола) |
ДОПЪЛНЕНИЯ И ПРОМЕНИ В УЧЕБНАТА ПРОГРАМА
СПОРЕД ИЗУЧАВАНАТА УЧЕБНА ДИСЦИПЛИНА
за ______/_______ учебна година
| Допълнения и промени | Основания |
|
| закон |
Изпратете добрата си работа в базата от знания е лесно. Използвайте формата по-долу
Студенти, докторанти, млади учени, които използват базата от знания в обучението и работата си, ще ви бъдат много благодарни.
публикувано на http://www.allbest.ru//
публикувано на http://www.allbest.ru//
Министерство на науката и образованието на Украйна
Национален технически университет на Украйна
"Киевски политехнически институт на името на Игор Сикорски"
Факултет по биомедицинско инженерство
молекулярна клетъчна мембрана
Клетъчни мембрани. Изкуствени и наномембрани
изпълнени
студент от група БМ-61
Папакина Маргарита
проверено:
Професор V.I. Корхоа
Уместност на темата
След откриването на структурата на клетката и по-специално на клетъчната мембрана, медицинската и биологичната наука я е проучила достатъчно добре, така че през това време учените са направили огромен брой последващи открития в областта на биологията и медицината, които впоследствие подобряват възможностите на медицината, качеството на живот на хората и даде тласък на последващи биологични, биохимични, биофизични изследвания в тази област.
В момента учените разглеждат възможността за провеждане на биологични изследвания не върху биологичен материал, а върху негови модели. В областта на биохимичните изследвания активно се развива и прилага използването на изкуствени мембрани, както и наномембрани. Развитието на свързаните с тях науки и технологии направи възможно създаването на такива модели и за тяхното приложение в други области на живота, а не само в научните изследвания.
Тоест, процесът на изучаване на клетъчните мембрани, както и методите за производство на изкуствени мембрани и наномембрани и тяхното усъвършенстване, е много обещаващ клон на биологичната наука в момента.
Клетъчни мембрани
Клетъчната мембрана (също цитолемма, плазмалема или плазмена мембрана) е еластична молекулярна структура, състояща се от протеини и липиди. Отделя съдържанието на всяка клетка от външната среда, като осигурява нейната цялост; регулира обмена между клетката и околната среда; вътреклетъчните мембрани разделят клетката на специализирани затворени отделения - отделения или органели, в които се поддържат определени условия на околната среда. Клетъчната стена, ако клетката има такава (обикновено растителните клетки имат), покрива клетъчната мембрана.
Ориз. 1. Устройството на клетъчната мембрана.
Клетъчната мембрана е двоен слой (двоен слой) от молекули от класа на липидите, повечето от които са така наречените сложни липиди - фосфолипиди. Липидните молекули имат хидрофилна („глава”) и хидрофобна („опашка”) част. Когато се образуват мембрани, хидрофобните области на молекулите се обръщат навътре, а хидрофилните области се обръщат навън.
Биологичната мембрана също включва различни протеини: интегрални (проникващи през мембраната), полуинтегрални (потопени в единия край във външния или вътрешния липиден слой), повърхностни (разположени от външната или съседна на вътрешната страна на мембраната). Някои протеини са точките на контакт между клетъчната мембрана и цитоскелета вътре в клетката и клетъчната стена (ако има такава) отвън. Някои от интегралните протеини функционират като йонни канали, различни транспортери и рецептори.
Мембранни свойства
Всички клетъчни мембрани са подвижни течни структури, тъй като липидните и протеиновите молекули не са свързани помежду си чрез ковалентни връзки и могат да се движат доста бързо в равнината на мембраната. Благодарение на това мембраните могат да променят конфигурацията си, т.е. те имат течливост.
Мембраните са много динамични структури. Те бързо се възстановяват от увреждане и също така се разтягат и свиват с клетъчните движения.
Мембраните на различните видове клетки се различават значително както по химичен състав, така и по относителното съдържание на протеини, гликопротеини, липиди в тях и следователно по естеството на рецепторите, които съдържат. Следователно всеки клетъчен тип се характеризира с индивидуалност, която се определя главно от гликопротеините. Разклонени вериги от гликопротеини, изпъкнали от клетъчната мембрана, участват в разпознаването на факторите на околната среда, както и във взаимното разпознаване на сродни клетки.
Подобно явление се наблюдава в процеса на тъканна диференциация. В този случай клетки с подобна структура, с помощта на зони за разпознаване на плазмалемата, са правилно ориентирани една спрямо друга, като по този начин се осигурява тяхната адхезия и образуване на тъкани. Разпознаването е свързано и с регулирането на транспорта на молекули и йони през мембраната, както и с имунологичния отговор, в който гликопротеините играят ролята на антигени. По този начин захарите могат да функционират като информационни молекули (като протеини и нуклеинови киселини). Мембраните също съдържат специфични рецептори, преносители на електрони, преобразуватели на енергия и ензимни протеини. Протеините участват в осигуряването на транспорта на определени молекули във или извън клетката, осигуряват структурна връзка между цитоскелета и клетъчните мембрани или служат като рецептори за приемане и преобразуване на химически сигнали от околната среда.
Най-важното свойство на мембраната също е селективната пропускливост. Това означава, че молекулите и йоните преминават през нея с различна скорост и колкото по-голям е размерът на молекулите, толкова по-бавна е скоростта, с която преминават през мембраната. Това свойство определя плазмената мембрана като осмотична бариера. Водата и разтворените в нея газове имат максимална проникваща способност; Йоните преминават през мембраната много по-бавно. Дифузията на вода през мембрана се нарича осмоза.
Има няколко механизма за транспортиране на вещества през мембраната.
Дифузията е проникване на вещества през мембрана по градиент на концентрация (от област, където концентрацията им е по-висока, до област, където концентрацията им е по-ниска). Дифузният транспорт на вещества (вода, йони) се осъществява с участието на мембранни протеини, които имат молекулни пори, или с участието на липидната фаза (за мастноразтворимите вещества).
С улеснена дифузия специални мембранни протеини-носители се свързват селективно с конкретен йон или молекула и ги транспортират през мембраната по градиент на концентрация.
Активният транспорт включва разход на енергия и служи за транспортиране на вещества срещу градиента на тяхната концентрация. Осъществява се от специални протеини-носители, които образуват така наречените йонни помпи. Най-изследваната е Na-/K- помпата в животинските клетки, която активно изпомпва Na+ йони, докато абсорбира K- йони. Благодарение на това в клетката се поддържа по-висока концентрация на K- и по-ниска концентрация на Na+ в сравнение с околната среда. Този процес изисква ATP енергия.
В резултат на активен транспорт с помощта на мембранна помпа в клетката се регулира и концентрацията на Mg2- и Ca2+.
По време на процеса на активен транспорт на йони в клетката различни захари, нуклеотиди и аминокиселини проникват през цитоплазмената мембрана.
Макромолекулите на протеините, нуклеиновите киселини, полизахаридите, липопротеиновите комплекси и др. не преминават през клетъчните мембрани, за разлика от йоните и мономерите. Транспортирането на макромолекули, техните комплекси и частици в клетката става по съвсем различен начин - чрез ендоцитоза. По време на ендоцитоза (ендо... - навътре), определен участък от плазмалемата улавя и, така да се каже, обгръща извънклетъчния материал, затваряйки го в мембранна вакуола, която възниква в резултат на инвагинация на мембраната. Впоследствие такава вакуола се свързва с лизозома, чиито ензими разграждат макромолекулите до мономери.
Обратният процес на ендоцитоза е екзоцитоза (exo... - out). Благодарение на него клетката отстранява вътреклетъчните продукти или неразградените остатъци, затворени във вакуоли или везикули. Везикулата се приближава до цитоплазмената мембрана, слива се с нея и съдържанието й се освобождава в околната среда. Така се отстраняват храносмилателни ензими, хормони, хемицелулоза и др.
По този начин биологичните мембрани, като основни структурни елементи на клетката, служат не само като физически граници, но са динамични функционални повърхности. Върху мембраните на органелите протичат множество биохимични процеси, като активно усвояване на вещества, преобразуване на енергия, синтез на АТФ и др.
Биохимични функции
Бариера - осигурява регулиран, селективен, пасивен и активен метаболизъм с околната среда. Например пероксизомната мембрана предпазва цитоплазмата от пероксиди, които са опасни за клетката. Селективната пропускливост означава, че пропускливостта на мембраната за различни атоми или молекули зависи от техния размер, електрически заряд и химични свойства. Селективната пропускливост гарантира, че клетката и клетъчните отделения са отделени от околната среда и снабдени с необходимите вещества.
Транспорт - транспортирането на вещества в и извън клетката става през мембраната. Транспортът през мембраните осигурява: доставка на хранителни вещества, отстраняване на крайните метаболитни продукти, секреция на различни вещества, създаване на йонни градиенти, поддържане на оптимално рН и концентрации на йони в клетката, които са необходими за функционирането на клетъчните ензими.
Частици, които по някаква причина не могат да преминат през фосфолипидния двоен слой (например поради хидрофилни свойства, тъй като мембраната вътре е хидрофобна и не позволява на хидрофилните вещества да преминат през нея, или поради големия им размер), но необходими за клетката , могат да проникнат през мембраната чрез специални протеини-носители (транспортери) и канални протеини или чрез ендоцитоза.
При пасивния транспорт веществата преминават през липидния двоен слой без разход на енергия по градиент на концентрация (градиентът на концентрацията показва посоката на нарастваща концентрация) чрез дифузия. Вариант на този механизъм е улеснена дифузия, при която специфична молекула помага на веществото да премине през мембраната. Тази молекула може да има канал, който пропуска само един вид вещество.
Активният транспорт изисква енергия, тъй като се извършва срещу градиент на концентрация. На мембраната има специални помпени протеини, включително АТФаза, която активно изпомпва калиеви йони (K+) в клетката и изпомпва натриеви йони (Na+) от нея.
Матрица - осигурява определено относително положение и ориентация на мембранните протеини, тяхното оптимално взаимодействие.
Механичен - осигурява автономността на клетката, нейните вътреклетъчни структури, както и връзката с други клетки (в тъканите). Основна роля за осигуряване на механичната функция играят клетъчните стени, а при животните - междуклетъчното вещество.
Енергия - по време на фотосинтезата в хлоропластите и клетъчното дишане в митохондриите в техните мембрани работят системи за пренос на енергия, в които участват и протеините.
Рецептор - някои протеини, разположени в мембраната, са рецептори (молекули, с помощта на които клетката възприема определени сигнали).
Например, хормоните, циркулиращи в кръвта, действат само върху целевите клетки, които имат рецептори, съответстващи на тези хормони. Невротрансмитерите (химикали, които осигуряват провеждането на нервните импулси) също се свързват със специални рецепторни протеини в целевите клетки.
Ензимни - мембранните протеини често са ензими. Например, плазмените мембрани на чревните епителни клетки съдържат храносмилателни ензими.
Осъществяване на генериране и провеждане на биопотенциали.
С помощта на мембраната се поддържа постоянна концентрация на йони в клетката: концентрацията на K+ йон вътре в клетката е много по-висока, отколкото навън, а концентрацията на Na+ е много по-ниска, което е много важно, тъй като това гарантира поддържането на потенциалната разлика върху мембраната и генерирането на нервен импулс.
Маркиране на клетката - върху мембраната има антигени, които действат като маркери - "тагове", които позволяват клетката да бъде идентифицирана. Това са гликопротеини (т.е. протеини с прикрепени към тях разклонени олигозахаридни странични вериги), които играят ролята на „антени“. Поради безбройните конфигурации на страничните вериги е възможно да се направи специфичен маркер за всеки тип клетка. С помощта на маркери клетките могат да разпознават други клетки и да действат съвместно с тях, например при образуването на органи и тъкани. Това също позволява на имунната система да разпознава чужди антигени.
Изкуствени мембрани
Изкуствените мембрани се получават чрез контакт на смес от фосфолипиди и неутрални липиди, разтворени в органични съединения, с вода. Дебелината на такива мембрани е по-малка от 100 A. ?
Тези изкуствени мембрани, подобно на истинските клетъчни мембрани, са хидрофобни. Следователно заредените частици като HCO3 не могат да дифундират през тях, докато незаредените молекули преминават свободно през хидрофобния слой. ?
Понастоящем в лабораторната практика се използват почти изключително изкуствени мембрани, направени от естествени или синтетични органични полимери (целулоза и нейния етер, протеини, полистирол) и други материали. Те имат огромното предимство пред използваните по-рано растителни и животински мембрани, че могат да бъдат приготвени с високо възпроизводима степен на пропускливост. За работа с неводни разтвори често се използват целулозни мембрани.
Пътищата към синтеза на съвременните мембрани често следват доста сложни схеми, тъй като макромолекулната архитектура на тези съединения трябва да представлява силна полимерна рамка, носеща плътно свързани, заредени групи. Не е лесно да се произведе такъв материал, който да отговаря на всички изисквания на технологичните приложения и може да се каже, че това е не само научна задача, но и голямо изкуство. Молекулярният дизайн на съвременните мембрани се характеризира с голямо разнообразие, което зависи не само от вида и природата на заредените фрагменти, но и от химическата структура на поддържащата матрица. Първите мембрани са направени от гранулирани йонообменници, така наречените йонообменни смоли.
В допълнение към порестите йонообменни мембрани има много други видове изкуствени мембрани, включително плътни непрекъснати мембрани и много тънки двуслойни липидни мембрани, състоящи се от два мономолекулни слоя. ?
Трудностите, свързани с получаването на биологични мембрани със задоволителен размер и възпроизводимост, накараха биолозите да проучат възможността за използване на изкуствено приготвени мембрани като модели. Сравнително лесно е измерването на електродвижеща сила, транспортни числа, електрическа проводимост и др. върху изкуствени мембрани.
Наномембрани
Наномембраните са мембрани, които съдържат пори с диаметър от част от микрона или по-малко. По-специално, материали, в които размерът на порите е строго контролиран и варира от 2 до 50 nm, се наричат мезопорести молекулярни сита. Фините пори са способни да улавят много малки твърди частици, както и микроби, вируси, отделни клетки и дори молекули. Наномембраните се използват особено в медицината. С тях можете да изолирате вируси и протеини, да извършвате хемодиализа - отделяне на кръвни съставки, стерилизиране на разтвори (чрез филтриране на микроорганизми) и извършване на микробиологичен анализ на водата. Интересно потенциално приложение включва биоимплантите. Клетъчната структура на импланта може да бъде изолирана от останалата част от тялото чрез затворена наномембрана. Тогава обменът на необходимите вещества между импланта и тялото ще се извършва чрез нанопори и антителата, които унищожават чужди клетки, няма да могат да проникнат през мембранната бариера.
Модерен метод за производство на високоефективни наномембрани е облъчването на непрекъснати полимерни филми с ускорени тежки йони или продукти на разпадане на радиоактивни елементи. Високоенергийните частици, летящи през полимерния слой, оставят следи - през канали с диаметър около 10 nm, пълни с продукти на разрушаване (деполимеризация) на материала. В резултат на последваща обработка с разтворител на мястото на каналите се образуват пори, чийто диаметър може да се регулира в широк диапазон от 30 до 1000 nm.
Има много други методи за производство на наномембрани. Мембрани на базата на алуминиев оксид с подредени нанопори се създават чрез анодно окисляване на повърхността на алуминиева плоча. Нанопорите в силициевия филм се образуват в резултат на краткотрайна топлинна обработка на непрекъснат слой аморфен силиций. Наномембраните също се образуват чрез полимеризация на органично съединение от разтвор или в присъствието на повърхностно активно вещество. В резултат на асоциирането на молекулите на последния се образуват цилиндрични канали с диаметър няколко нанометра, проникващи през получения филм. Йонообменните мембрани се получават от йонообменни полимери (смоли), както и от някои неорганични съединения с йонна проводимост (циркониев диоксид, стабилизиран с итрий, бисмутов оксид и др.).
В заключение на тази работа може да се отбележи, че производството на изкуствени мембрани и наномембрани е клон на биотехнологиите, който уверено ще се развива в близко бъдеще и който ще бъде активно въведен в много области на производство, но изкуствените мембрани ще бъдат особено използвани в медицината, което ще подобри съществуващите разработки и ще направи много нови открития.
Литература
Пистови мембрани от ново поколение. В света на науката. 2005. № 12. С. 35.
Mulder M. Въведение в мембранната технология. М.: Мир, 1999. 514 с.
Н. П. Березина. Синтетични йонообменни мембрани. Soros Educational Journal, Том 6, № 9, 2000 г
Публикувано на Allbest.ru
Подобни документи
Концепцията и функционалното предназначение на цитоплазмената мембрана като еластична молекулярна структура, състояща се от протеини и липиди. Биологичната му роля, основни компоненти. Видове и основни функции на протеините: интегрални и периферни.
презентация, добавена на 26.10.2015 г
Структурата на йонните канали са специализирани протеини на клетъчната мембрана, които образуват хидрофилен проход, през който заредените йони могат да преминат през клетъчната мембрана по електрохимичен градиент. Свойства на активния транспорт, неговите възможности.
презентация, добавена на 30.10.2016 г
Основни факти за устройството на клетъчната мембрана. Общи идеи за пропускливостта. Пренос на молекули през мембрана. Улеснена дифузия, пасивен и активен транспорт. Уравнението на Фик. Същността на понятието "селективност". Структура и функции на йонните канали.
презентация, добавена на 19.10.2014 г
Структурата на мембраните. Мембрани на червени кръвни клетки. Миелиновите мембрани. Хлоропластни мембрани. Вътрешна (цитоплазмена) мембрана на бактерии. Вирусна мембрана. Функции на мембраните. Транспорт през мембрани. Пасивен транспорт. Активен транспорт. Ca2+ помпа.
резюме, добавено на 22.03.2002 г
Мембранен транспорт: транслокация на вещества през биологични мембрани с участието на междинни молекули. Механизми на клетъчната пропускливост. Методи за свързване на транспорта с метаболитната енергия. Транспорт на вещества от клетката към околната среда: секреция и екскреция.
резюме, добавено на 26.07.2009 г
Характеристики на структурата на прокариотните и еукариотните клетки. Структура на фосфолипидния двоен слой. Връзки във фосфолипидната молекула, които се разцепват от различни класове фосфолипази. Липиден състав на плазмената мембрана. Преглед на основните методи за транспорт на вещества през мембрани.
презентация, добавена на 26.03.2015 г
Структура на бактериалната цитоплазмена мембрана. Анализ на клетъчните функции: делене, биосинтеза на редица компоненти, химио- и фотосинтеза. Трансмембранен протеинов фрагмент като алфа спирала. Транспорт на вещества в бактерии: пасивно, активно преместване на групи.
презентация, добавена на 17.11.2013 г
Видове биологични мембрани и техните функции. Мембранни протеини. Видове и функции на мембранните протеини. Структура на биологичните мембрани. Изкуствени мембрани. Липозоми. Методи за изследване на структурата на мембраните. Агрегатно състояние и фазови преходи в мембраните.
презентация, добавена на 21.05.2012 г
Проблеми на сглобяването на мембранни протеини, методи за изследване и условия за пренос на протеини през мембрани. Сигнална и мембранна (тригерна) хипотеза за интегриране на протеини в мембраната. Процесът на сглобяване на комплекси с множество субединици и обновяване на мембранните протеини.
курсова работа, добавена на 13.04.2009 г
Протичането на биохимичните процеси, техният причинно-следствен механизъм. Натриево-калиева помпа, енергия за хидролиза на АТФ, калциеви помпи, натриево-калциев обменник. Функции на мембраната, електрически потенциал на клетката и молекулите, ролята им в метаболитните процеси.
Изкуствени липидни мембрани, имайки двуслойна структура, се оказа, че в много отношения е подобна на биологичните мембрани. Изкуствените мембрани се произвеждат чрез контакт смеси от фосфолипиди и неутрални липиди, разтворени в органични разтворители, с вода. Бимолекулни липидни мембрани (BLMs), наричани още двуслоен или черенЛипидните мембрани са широко използвани експериментален модел, което прави възможно възпроизвеждането на много свойства и характеристики на биологичните мембрани при изкуствени условия. Подобно на биологичните мембрани, те са затворени системи, което ги прави подходящи за изследване на пасивния транспорт на йони и малки молекули през липидния двоен слой.
Липозоми- сферични везикули с един или повече липидни двойни слоеве. Образувана през смеси от фосфолипиди с вода. Липозомите съдържат вода или разтвор, в който е извършена ултразвукова обработка. За разлика от BLM, липозомиса доста стабилни и не съдържат органични разтворители. Съставът на липидите в липозомите може да варира произволно и по този начин специфично да промени свойствата на мембраната. Благодарение на възможността за реконструиране на мембрана от нейните основни компоненти е възможно да се моделират ензимният транспорт и рецепторните функции на клетъчните мембрани. Антигените могат да бъдат въведени в липозоми, както и антителата могат да бъдат ковалентно прикрепени и използвани в имунологични изследвания. Те представляват удобен модел за изследване на действието на много лекарства, витамини, хормони, антибиотици и др.
Понастоящем методите за включване на функционално активни мембранни протеини в липозоми са добре разработени. Такива изкуствени протеиново-липидни структури обикновено се наричат протеолипозоми.
Ефективността на включването на повечето протеинови компоненти в изкуствени мембранни системи зависи рязко от липидния състав на мембраните, pH, солевия състав, температурата и т.н. Протеолипозомната система - колодиев филм, първоначално разработен за изследване на бактериородопсин, след това беше използван за изследване на редица други мембранни преобразуватели на енергия.
Има два основни вида изкуствени мембрани:
- класически апартамент,
- сферични мембрани с различни размери.
За получаване на изкуствени мембраниизползвайте:
- различни фосфатиди,
- неутрални глицериди,
- смеси от липиди от биологичен произход, добавящи холестерол, α-токоферол и други незначителни добавки.
Потенциалната стойност на изкуствените мембрани за изследване зависи от възможността за включване на естествени протеини в тях, особено тези с транспортни свойства. Липозомите, състоящи се от протеини и липиди, започват да се произвеждат през 60-те години. Терминът протеолипозоми е въведен от V. P. Skulachev. Понастоящем са разработени редица методи за получаване на различни видове липозоми и протеолипозоми, както и тяхната стандартизация по размер, структура, хомогенност, стабилност и други характеристики. Липозомите се използват за доставяне на лекарствени и химични съединения в клетките, стабилизиране на ензими в инженерната ензимология и въвеждане на пробен молекули в клетъчните мембрани, които модифицират и моделират тяхната повърхност. От голям интерес за генното инженерство и медицината са изследванията върху въвеждането на нуклеинови киселини и вируси в клетките с помощта на липозоми.
СЪС водаса свързани много структурни и функционални свойства на мембраните, както и процесите на стабилизиране и образуване на мембрани. Водата е част от мембраните и се разделя на:
- Безплатно,
- свързани,
- заловен.
Свързана и свободна водасе различава по подвижността на водните молекули и способността за разтваряне. Има най-ниска подвижност и разтваряща способност вътрешно свързана вода. Той присъства в липидната зона на мембраните под формата на отделни молекули. Основната част от свързаната вода е водата хидратиращи черупки. Тази вода заобикаля полярните групи протеини и липиди, има минимална подвижност и практически няма свойства на разтворител. Свободна вода в порите и каналите. По него могат да се движат свободни йони. Той е добър разтворител, подвижен и притежава всички свойства на течната вода.
Задържана водаИма изотопно движение, характерно за течната вода и е добър разтворител. Намира се в централната зона на мембраните, между нейните липидни слоеве, но тази вода е пространствено разделена както с извънклетъчната течност, така и с цитоплазмата. Тя няма възможност да обменя свободно с тях.
