Similitudes y diferencias entre las membranas artificiales y las naturales. Membrana artificial: un paso hacia la vida
Las membranas artificiales se obtienen utilizando técnicas especialmente desarrolladas. Dichos sistemas de membrana normalmente consisten en un solo fosfolípido (natural o sintético) o una mezcla de los mismos. En condiciones apropiadas (p. ej., sonicación suave), estos fosfolípidos forman vesículas bicapa esféricas. Las vesículas limitadas por una bicapa lipídica se denominan liposomas.
Veamos algunos ejemplos de uso.
Arroz. 42.8. Durante el autoensamblaje de la membrana, se conserva su estructura fundamental, pero no la asimetría. Las membranas se destruyen cuando se tratan con altas concentraciones de detergentes; Las moléculas de detergente anfifílico forman pequeñas gotas llamadas micelas. El detergente disuelve los componentes de la membrana al recubrir las regiones hidrofóbicas de lípidos y proteínas y encerrarlos en micelas donde están protegidos del agua. Después de la eliminación del detergente, los lípidos forman espontáneamente una nueva bicapa con proteínas integradas en ella. Sin embargo, estos últimos se incluyen principalmente en orientación aleatoria. Experimentos como el que se describe aquí han demostrado que no todas las membranas celulares son capaces de autoensamblarse correctamente; al menos algunas de las proteínas integrales deben integrarse en una membrana preparada con una orientación determinada. (Tomado de Lodish H. F., Rothman J. E.: The Assembly of Cell Membranas. Sci. Am. 1979, 240, 43, con su amable autorización).
sistemas de membranas artificiales e indicar sus ventajas sobre las membranas naturales.
1. Se puede variar el contenido de diferentes lípidos en las membranas artificiales; esto permite un estudio sistemático de la influencia de la composición lipídica de las membranas en una función particular. Por ejemplo, es posible obtener vesículas exclusivamente a partir de fosfatidilcolina o, por el contrario, a partir de una mezcla de fosfolípidos de composición conocida con inclusión de glicolípidos y colesterol. Es posible construir membranas a partir de lípidos con diferentes residuos de ácidos grasos. Esto permite estudios sistemáticos del efecto de la composición de ácidos grasos en ciertas funciones de la membrana (por ejemplo, transporte).
2. Las proteínas o enzimas de membrana purificadas se pueden incorporar a las vesículas. Esto permite identificar qué moléculas (por ejemplo, lípidos específicos o proteínas accesorias) se necesitan para reconstruir la función de las proteínas purificadas. Los estudios de proteínas purificadas, como la Ca2+-ATPasa del retículo sarcoplásmico, muestran que en algunos casos una proteína y un lípido son suficientes para la reconstrucción de la bomba de iones.
3. El microambiente de los sistemas artificiales se puede controlar estrictamente y variar a propósito (por ejemplo, cambiando la concentración de iones). Pueden exponerse a ligandos específicos de ciertos receptores de proteínas contenidos en el liposoma.
4. Durante la formación de liposomas, ciertos componentes pueden ser capturados por ellos, por ejemplo, sustancias medicinales o genes aislados. El uso de liposomas para la administración de fármacos a tejidos específicos parece ser muy prometedor. Para ello, es necesario incluir componentes en las membranas de los liposomas (por ejemplo, anticuerpos frente a determinadas moléculas de la superficie celular) que permitan su direccionamiento a tejidos o tumores específicos. El efecto terapéutico de este método de administración de fármacos debería ser muy significativo. El ADN encerrado en liposomas parece ser menos sensible a las nucleasas; esto debe tenerse en cuenta en la terapia génica.
Aparato para dos zonas de trabajo, en el que se mantienen diferentes presiones y composiciones de la mezcla a separar.
Las membranas se pueden fabricar en forma de láminas planas, tubos, capilares y fibras huecas. Las membranas se alinean en sistemas de membranas. Las membranas artificiales más comunes son las membranas electrolíticas poliméricas. Bajo ciertas condiciones, se pueden utilizar ventajosamente membranas cerámicas.
Algunas membranas funcionan en una amplia gama de operaciones de membrana, como microfiltración, ultrafiltración, ósmosis inversa, pervaporación, separación de gases, diálisis o cromatografía. El método de aplicación depende del tipo de funcionalidad incorporada a la membrana, que puede basarse en aislamiento dimensional, afinidad química o electrostática.
Uso
Las membranas se utilizan con mayor frecuencia en la purificación del agua, la eliminación microbiana de los productos lácteos, la desalinización del agua, la deshidratación del gas natural, la hemodiálisis o como componentes de celdas de combustible.
ver también
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Literatura
- Yu. I. Dytnersky, V. P. Brykov, G. G. Kagramanov. Separación de gases por membranas. - M.: Química, 1991.
Un extracto que caracteriza la membrana artificial
Así, paseando libremente por la morada del santísimo Papa, me devanaba los sesos, sin imaginar lo que significaba este inexplicable y largo “descanso”. Sabía con certeza que Caraffa estaba muy a menudo en sus aposentos. Lo que solo significaba una cosa: aún no había hecho viajes largos. Pero por alguna razón tampoco me molestó, como si olvidara sinceramente que estaba en su cautiverio y que todavía estaba vivo ...Durante mis "paseos" me encontré con muchos visitantes hermosos y diferentes que venían a visitar al Santo Papa. Estos eran cardenales y algunas personas de muy alto rango desconocidas para mí (lo cual juzgué por sus vestimentas y por lo orgullosa e independiente que se comportaban con los demás). Pero después de que abandonaron los aposentos del Papa, todas estas personas ya no se veían tan seguras e independientes como antes de visitar la sala de espera... Después de todo, para Caraffa, como dije, no importaba quién fuera la persona que estaba parada. frente a él estaba, lo único importante para el Papa era SU VOLUNTAD. Y todo lo demás no importaba. Por lo tanto, muy a menudo tuve que ver visitantes muy "desaliñados", tratando de abandonar las cámaras papales "mordaces" lo antes posible ...
En uno de los mismos, exactamente los mismos días "sombríos", de repente decidí hacer algo que me había estado persiguiendo durante mucho tiempo: visitar finalmente la siniestra bodega papal... Sabía que esto probablemente estaba "cargado de consecuencias". ", pero la expectativa del peligro era cien veces peor que el peligro mismo.
Y decidí...
Bajando los estrechos escalones de piedra y abriendo una puerta pesada y tristemente familiar, me encontré en un pasillo largo y húmedo, que olía a moho y a muerte... No había iluminación, pero no fue difícil avanzar más, ya que siempre tuvo una buena orientación en la oscuridad. Muchas puertas pequeñas, muy pesadas, se alternaban tristemente una tras otra, perdidas por completo en el fondo del tenebroso corredor... Recordé estas paredes grises, recordé el horror y el dolor que me acompañaba cada vez que tenía que regresar de allí... Pero me ordené ser fuerte y no pensar en el pasado. Ella me dijo que simplemente me fuera. Inicio > Programa
membranas artificiales. Monocapa en el límite de fase. Membranas lipídicas bicapa. Liposomas y proteoliposomas. Mecanismos de interacción de liposomas con biomembranas. Propiedades de las membranas artificiales, sus similitudes y diferencias con las membranas naturales, uso práctico en biología y medicina.
Biofísica de los procesos de transporte de sustancias a través de biomembranas
El problema de la permeabilidad de sustancias a través de biomembranas. Métodos para el estudio de la permeabilidad. Tipos de transporte de sustancias a través de una biomembrana. Transporte pasivo (difusión). fuerza motriz de la difusión. Ecuación de difusión de Fick. Dependencia de la permeabilidad de la membrana de la solubilidad en agua y lípidos. acuaporinas. Permeabilidad de membranas para agua y moléculas neutras. Permeabilidad de membrana para iones. Factores que afectan la tasa de transporte pasivo de iones. Potencial electroquímico. Mecanismos para el paso de iones a través de la membrana. Transporte iónico en canales. Comprensión moderna de la estructura y funcionamiento de los canales. selectividad de canal Transporte iónico inducido, su modelado en liposomas y membranas lipídicas bicapa planas. Ionóforos: portadores móviles y agentes canalizadores. Difusión facilitada, sus principales propiedades y diferencias con la difusión simple. Translocación de radicales como un tipo de transporte de sustancias, sus mecanismos y papel en la entrega de azúcares, aminoácidos y otros metabolitos en la célula. Transporte activo de moléculas e iones, su diferencia con la difusión facilitada. Propiedades y funciones del transporte activo. Termodinámica del transporte activo de moléculas e iones. Mecanismos de transporte activo. Transporte electrogénico y neutro. Transporte activo primario y secundario. ATPasas de transporte, su breve descripción y clasificación. La estructura y el mecanismo de acción de la bomba Na-K. Transporte activo de Ca 2+ y protones. Modelos de canales pasivos y activos de funcionamiento paralelo. Mecanismos especiales de transporte de sustancias a través de la biomembrana (endo y exocitosis, transferencia de ADN, etc.).
Fenómenos bioeléctricos.
Breve historia del descubrimiento y estudio de los fenómenos bioeléctricos. Clasificación de biopotenciales. Caracterización de biopotenciales iónicos y de electrodos. Potencial de reposo, su origen. potencial de acción. La idea moderna de la generación de un impulso nervioso. Modelo de Hodgkin-Huxley. Medir el potencial de acción en un nervio. Distribución asimétrica de iones a ambos lados de la membrana como base para la aparición de biopotenciales. Factores que determinan la magnitud del potencial de membrana. Equilibrio de Donan. Transporte de iones en membranas excitables. Propagación de un impulso nervioso a lo largo de fibras nerviosas mielínicas y no mielínicas. Abastecimiento energético de los procesos de propagación de la excitación. Carácter vectorial de la transmisión de señales eléctricas, su mecanismo. Importancia del registro de biopotenciales para la biología y la medicina. fenómenos electrocinéticos. Formación de una doble capa eléctrica. Factores que determinan la magnitud del potencial electrocinético. El uso de microelectroforesis para evaluar el potencial eléctrico de las membranas celulares en condiciones normales y patológicas. Ejemplos de otros fenómenos electrocinéticos.
Mecanismos moleculares de los procesos de conjugación de energía.
Características generales de la conversión de energía en biomembranas. Complejos de acoplamiento, su localización en la membrana mitocondrial y fotosintética de los cloroplastos. Estructura y condiciones de funcionamiento de varias cadenas de transporte de electrones (ETC) en biomembranas. Potencial redox de los transportadores de electrones, su medida (ecuación de Nernst). Características y significado biológico del transporte de electrones. Similitudes y diferencias de CPE en mitocondrias y cloroplastos. Etapas exergónicas y endergónicas de la fosforilación oxidativa, eficiencia de este proceso. Teorías que explican el mecanismo de fosforilación de la membrana. Las principales disposiciones de la teoría de P. Mitchell. Potencial electroquímico de los iones de hidrógeno. Composición de protones ATP-asa. El mecanismo de conjugación de energía (la formación e hidrólisis de ATP). Consecuencias de la teoría quimiosmótica. Otros portadores de iones como convertidores de energía molecular que generan ATP. Esquema generalizado de transformación de energía en una célula.
Biofísica de los sistemas contráctiles.
Características generales de los procesos mecanoquímicos. Los principales tipos de sistemas contráctiles y móviles. Características biofísicas de las proteínas contráctiles musculares y no musculares (actina, miosina, tropomiosina, tubulina, flagelina, etc.). Las principales propiedades del músculo estriado como convertidor de energía mecanoquímica; la estructura de los sarcómeros, su cambio durante la contracción. Mecanismo molecular de la contracción muscular, su regulación. Suministro de energía de la contracción muscular; la importancia de los experimentos de V. Engelhardt y M. Lyubimova. Teorías que explican el mecanismo de contracción. Las principales características de la estructura de los sistemas contráctiles no musculares, el mecanismo molecular de su movilidad.
Biofísica de los procesos fotobiológicos
Características generales y clasificación de los procesos fotobiológicos y sus etapas. Aplicabilidad de las leyes de la física y la fotoquímica a los procesos fotobiológicos. Absorción de luz por biomoléculas. Ley de Lambert-Beer. mecanismo de absorción de luz. Regularidades de la transición de un fotoelectrón a un nivel excitado. Espectros de absorción de biomoléculas. Propiedades ópticas de proteínas y ácidos nucleicos: absorción de luz, actividad óptica, dispersión por rotación óptica, dicroísmo circular, naturaleza de los efectos hipocrómicos e hipercrómicos. Formas de desactivación de moléculas excitadas por la luz. Luminiscencia, sus tipos y principales características físicas: espectros de emisión, rendimiento cuántico, duración del brillo. Bioluminiscencia y brillo superdébil de objetos (bioquimioluminiscencia). Migración de energía en biosistemas, sus mecanismos: inductivo-resonante, excitón, intercambio-resonante, semiconductor. Tipos de reacciones fotoquímicas; Reacciones de uno y dos cuantos. Espectros de acción de procesos fotobiológicos. Biofísica de la fotosíntesis. El significado físico de la fotosíntesis. La transformación de la energía en los procesos primarios de la fotosíntesis. Transporte de electrones y fotofosforilación. Termodinámica de la fotosíntesis, rendimiento cuántico y consumo cuántico, eficiencia de conversión de energía luminosa en energía química. Fotosíntesis de bacteriorrodopsina: significado físico y biológico, secuencia de transformaciones de energía, mecanismo molecular. procesos fotodestructivos. Reacciones fotoquímicas bajo la acción de la radiación ultravioleta sobre los ácidos nucleicos. Mecanismos moleculares de acción de la radiación ultravioleta sobre proteínas y lípidos. Importancia biológica de las moléculas fotodañadas. Fotosensibilización y fotoprotección; Reparación clara y oscura. Características físicas básicas y efecto biológico de la radiación láser. El papel de dos reacciones cuánticas. Métodos de investigación láser.
Regulación de procesos biológicos.
Conceptos básicos de la teoría de la información. Relación entre entropía e información en los sistemas biológicos. La cantidad de información biológica, su valor. Aplicación de la teoría de la información a los bioprocesos: código genético, características informacionales de la estructura proteica, etc. El concepto de biocibernética. Principios de autorregulación de procesos biológicos (retroalimentación positiva y negativa, auto-oscilaciones, biorritmos). El papel de los desencadenantes biológicos en la regulación del metabolismo.
CARNET EDUCATIVA Y METODOLÓGICA
| Número de sección, temas, clases | El nombre de la sección, tema, clase; lista de temas en estudio | Número de horas de clase | Material de apoyo para la lección (visual, material didáctico, etc.) | Literatura | formas de control |
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| práctico (seminario) | laboratorio | revisado trabajo independiente del estudiante |
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| Introducción: El tema y las tareas de la biofísica, problemas, etapas de desarrollo, perspectivas y direcciones de desarrollo. | Diapositivas de proyector gráfico, pizarra, tiza | LD 1,2,3,4,6,7 | examen |
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| Diapositivas para el proyector de gráficas, Explicación de los dibujos en la pizarra. | |||||||||||
| Cinética de los procesos biológicos. Ecuaciones cinéticas elementales. Molecularidad y orden de las reacciones. Características de la cinética de los procesos biológicos. La dependencia de la velocidad de reacción de la concentración de sustancias y la temperatura. Coeficiente de Van Hoff. Energía de activación y su definición. Dependencia de la velocidad de reacción de la naturaleza del catalizador Cinética de los procesos enzimáticos. Complejo enzima-sustrato, métodos para su detección. Representación gráfica de la dependencia de la velocidad de la reacción enzimática de la concentración del sustrato, temperatura, pH y otros factores. La ecuación de Michaelis-Menten y su transformación algebraica para determinar la constante de velocidad combinada. Análisis cinético-gráfico de los tipos de inhibición. | Diapositivas para retroproyector. Dibujos explicativos en la pizarra. | |||||||||||
| Formas de conversión de energía en la célula. La célula es como una máquina química. Características termodinámicas de los principales procesos asociados a la conversión de energía. | Diapositivas para un proyector de gráficos Dibujos explicativos en la pizarra | |||||||||||
| Procesos fotobiológicos. Clasificación de los procesos fotobiológicos. reacciones fotoquímicas. Fases claras y oscuras de la fotosíntesis. El mecanismo de interacción de la luz con la materia. Estado excitado de las moléculas. Mecanismos de absorción de la luz por la materia. Fluorescencia y fosforescencia, características, propiedades, significado. | Diapositivas para retroproyector | |||||||||||
| biofísica molecular Materia y tareas de la biofísica molecular; Métodos de búsqueda. Diversos tipos de interacciones en polímeros, sus características biofísicas. Organización espacial de una molécula de proteína. Variedad de estructuras proteicas secundarias y terciarias; superenrollamientos. Transiciones de fase en proteínas; desnaturalización térmica y química. Mecanismo, característica termodinámica. Modelos físicos de ADN. Polimorfismo de la estructura secundaria de NC. Transiciones de fase hélice-bobina, desnaturalización y renaturalización de NC, factores de desnaturalización. Características cualitativas y cuantitativas de la desnaturalización. Método de hibridación molecular del ADN, su significado biológico. Propiedades físicas de NC. | Diapositivas para retroproyector Dibujos explicativos en la pizarra. | |||||||||||
| Biofísica de membranas. Métodos para el estudio de biomembranas. Desarrollo de ideas sobre la organización estructural de las membranas. Características biofísicas de los componentes moleculares de las membranas: proteínas, lípidos, carbohidratos y sus complejos. El agua como componente integral de las biomembranas. Modelo de mosaico fluido, sus principales características. Propiedades físicas de las biomembranas. Movilidad de los componentes de la biomembrana. Transiciones de fase en membranas. Cristales líquidos en la estructura de las membranas, sus propiedades. Funciones de las membranas biológicas. membranas artificiales. | Diapositivas para retroproyector Dibujos explicativos en la pizarra. | |||||||||||
| Permeabilidad de células y tejidos. Clasificación y breve descripción de los tipos de transporte de sustancias a través de membranas biológicas. Transporte pasivo, sus tipos, mecanismos. Permeabilidad de la membrana al agua y electrolitos. Comprensión moderna de la estructura y funcionamiento de los canales. selectividad de canal Propiedades y funciones del transporte activo. Termodinámica del transporte activo de moléculas e iones. Mecanismos de transporte activo. Transporte electrogénico y neutro. Transporte activo primario y secundario. ATPasas de transporte, su breve descripción y clasificación. Mecanismos especiales para el transporte de sustancias a través de una biomembrana | Diapositivas para retroproyector Dibujos explicativos en la pizarra. | |||||||||||
| Fenómenos bioeléctricos Características generales y clasificación de los biopotenciales. Caracterización de biopotenciales iónicos y de electrodos. Potencial de reposo, su origen. potencial de acción. La idea moderna de la generación de un impulso nervioso. Factores que determinan la magnitud del potencial de membrana. Propagación de un impulso nervioso a lo largo de fibras nerviosas mielínicas y no mielínicas. fenómenos electrocinéticos. Factores que determinan la magnitud del potencial electrocinético. | Diapositivas para retroproyector Dibujos explicativos en la pizarra. | |||||||||||
| Biofísica de los sistemas contráctiles Características generales de los procesos mecanoquímicos. Los principales tipos de sistemas contráctiles y móviles. Caracterización biofísica de proteínas contráctiles musculares y no musculares. Propiedades básicas del músculo estriado. Mecanismo molecular de la contracción muscular, su regulación. Las principales características de la estructura de los sistemas contráctiles no musculares, el mecanismo molecular de su movilidad. | Diapositivas para retroproyector Dibujos explicativos en la pizarra. | |||||||||||
PARTE DE INFORMACIÓN
Literatura básica y adicional
| Bibliografía | El año de publicación |
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| Principal (LO) | ||
| Rubín A. B. Biofísica. M.: Casa del libro "Universidad", T. 1-2. Antonov V. F. Biofísica. M.: Chicle. editor centro "Vlados", Rubín A. B. Conferencias sobre biofísica. M.: Editorial de la Universidad de Moscú. Kostyuk P. G. y otros. Biofísica. Kyiv: escuela Vyscha. Konev S. V., Volotovsky I. D. Fotobiología. Mn.: Editorial de la Universidad de Bielorrusia. | ||
| Adicional (LD) | ||
| Remizov A. N. Física médica y biológica. M.: Medicina. Cantor C., Schimmel P. Química biofísica. T.1-3, M.: Mir Williams W WilliamsX. Química física para biólogos. M.: Mir. Ploncy R., Barr R. Bioelectricidad. Enfoque cuantitativo. M.: Mir. Zenger V. Principios de organización estructural de los ácidos nucleicos. M.: Mir. Tarusov B. N. y etc. Biofísica. M.: Escuela superior. Antonov V.F., Korzhuev A.V. Física y biofísica: un curso de conferencias para estudiantes de medicina: libro de texto. M.: Chicle. editor centro "Vlados" Artyukhov V.G., Shmeleva T.A., Shmelev V.P. Biofísica. - Ed. Universidad de Vorónezh Zhuravlev A. N. y etc. Fundamentos de física y biofísica. Serie: Libros de texto y material didáctico para estudiantes de instituciones de educación superior. 2005. |
LISTA DE CLASES DE LABORATORIO
1. Cinética de los procesos biológicos (4 horas). 2. Permeabilidad de células y tejidos (4 horas). 3. Tensión superficial de fluidos biológicos (4 horas). 4. Fenómenos electrocinéticos (4 horas). 5. Métodos de análisis por ionización (4 horas). 6. Presión osmótica de fluidos biológicos (4 horas).CONTROL DE TRABAJO INDEPENDIENTE
1. Las principales formas de usar la energía en el cuerpo de animales y humanos. 2. Formas de formación de energía en la célula.La puntuación final (mínimo 4, máximo 10 puntos) viene determinada por la fórmula: nota final = PERO×0,4 + B x 0,6, donde PERO– puntaje promedio en clases de laboratorio y CSR, B- puntaje del examen. La calificación final se establece solo en caso de aprobar con éxito el examen (4 puntos o más).
PROTOCOLO DE APROBACIÓN DEL CURRICULUM
CON OTRAS DISCIPLINAS ESPECIALIDADES
| El nombre de la disciplina. con el que se requiere acuerdo | Nombre de Departamento | Propuestas de cambios en el contenido del currículo de la disciplina académica cursada | Decisión tomada por el departamento que elaboró el plan de estudios (indicando la fecha y el número del protocolo) |
ADICIONES Y CAMBIOS AL CURRICULUM
SOBRE LA DISCIPLINA EDUCATIVA ESTUDIADA
para ______/_______ año académico
| Adiciones y cambios | Cimientos |
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| Ley |
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Publicado en http://www.allbest.ru//
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Ministerio de Ciencia y Educación de Ucrania
Universidad Técnica Nacional de Ucrania
"Instituto Politécnico de Kyiv Igor Sikorsky"
Facultad de Ingeniería Biomédica
molecular de la membrana celular
membranas celulares. Artificiales y nanomembranas
realizado
estudiante del grupo BM-61
papakina margarita
comprobado:
Profesor V.I. Corjoa
Relevancia del tema
Desde el descubrimiento de la estructura de la célula y, en particular, de la membrana celular, la ciencia médica y biológica la ha estudiado lo suficientemente bien como para que durante este tiempo los científicos hayan realizado una gran cantidad de descubrimientos posteriores en el campo de la biología y la medicina, que posteriormente mejoró las posibilidades de la medicina, la calidad de vida de las personas y dio impulso a las posteriores investigaciones biológicas, bioquímicas, biofísicas en esta área.
Actualmente, los científicos están resolviendo los problemas de la posibilidad de realizar investigaciones biológicas no sobre material biológico, sino sobre sus modelos. En el campo de la investigación bioquímica, se están desarrollando y poniendo en práctica activamente membranas artificiales y nanomembranas. El desarrollo de las ciencias y tecnologías afines ha hecho posible la creación de tales modelos también para su aplicación en otras áreas de la vida, y no solo en la investigación científica.
Es decir, el proceso de estudio de las membranas celulares, así como los métodos para la obtención de membranas y nanomembranas artificiales y su mejora, es una rama de la ciencia biológica muy prometedora en la actualidad.
membranas celulares
La membrana celular (también citolema, plasmalema o membrana plasmática) es una estructura molecular elástica que consta de proteínas y lípidos. Separa el contenido de cualquier celda del ambiente externo, asegurando su integridad; regula el intercambio entre la célula y el medio ambiente; Las membranas intracelulares dividen la célula en compartimentos cerrados especializados: compartimentos u orgánulos en los que se mantienen ciertas condiciones ambientales. La pared celular, si la célula tiene una (generalmente se encuentra en las células vegetales), cubre la membrana celular.
Arroz. 1. La estructura de la membrana celular.
La membrana celular es una doble capa (bicapa) de moléculas de clase lipídica, la mayoría de las cuales son los llamados lípidos complejos: fosfolípidos. Las moléculas de lípidos tienen una parte hidrófila ("cabeza") y otra hidrófoba ("cola"). Durante la formación de membranas, las porciones hidrofóbicas de las moléculas se vuelven hacia adentro, mientras que las porciones hidrofílicas se vuelven hacia afuera.
La membrana biológica también incluye varias proteínas: integrales (que penetran a través de la membrana), semiintegrales (inmersas en un extremo en la capa lipídica externa o interna), de superficie (ubicadas en el exterior o adyacentes a los lados internos de la membrana). Algunas proteínas son los puntos de contacto de la membrana celular con el citoesqueleto en el interior de la célula y la pared celular (si la hay) en el exterior. Algunas de las proteínas integrales funcionan como canales iónicos, varios transportadores y receptores.
Propiedades de la membrana
Todas las membranas celulares son estructuras fluidas móviles, ya que las moléculas de lípidos y proteínas no están unidas por enlaces covalentes y pueden moverse con bastante rapidez en el plano de la membrana. Debido a esto, las membranas pueden cambiar su configuración, es decir, tienen fluidez.
Las membranas son estructuras muy dinámicas. Se recuperan rápidamente del daño y también se estiran y contraen con los movimientos celulares.
Las membranas de diferentes tipos de células difieren significativamente tanto en la composición química como en el contenido relativo de proteínas, glicoproteínas y lípidos en ellas y, en consecuencia, en la naturaleza de los receptores presentes en ellas. Por lo tanto, cada tipo de célula se caracteriza por una individualidad que está determinada principalmente por glicoproteínas. Las cadenas ramificadas de glicoproteínas que sobresalen de la membrana celular están involucradas en el reconocimiento de factores ambientales, así como en el reconocimiento mutuo de células relacionadas.
Un fenómeno similar se observa en el proceso de diferenciación de tejidos. En este caso, las células de estructura similar con la ayuda de reconocer secciones del plasmalema se orientan correctamente entre sí, asegurando así su adhesión y formación de tejido. La regulación del transporte de moléculas e iones a través de la membrana también está asociada al reconocimiento, así como a la respuesta inmunológica, en la que las glicoproteínas desempeñan el papel de antígenos. Por lo tanto, los azúcares pueden funcionar como moléculas informativas (similares a las proteínas y los ácidos nucleicos). Las membranas también contienen receptores específicos, transportadores de electrones, convertidores de energía, proteínas enzimáticas. Las proteínas están involucradas en asegurar el transporte de ciertas moléculas dentro o fuera de la célula, llevan a cabo la conexión estructural del citoesqueleto con las membranas celulares o sirven como receptores para recibir y convertir señales químicas del medio ambiente.
La propiedad más importante de la membrana es también la permeabilidad selectiva. Esto significa que las moléculas y los iones la atraviesan a diferentes velocidades, y cuanto mayor sea el tamaño de las moléculas, más lento será su paso a través de la membrana. Esta propiedad define a la membrana plasmática como una barrera osmótica. El agua y los gases disueltos en ella tienen el máximo poder de penetración; los iones pasan a través de la membrana mucho más lentamente. La difusión de agua a través de una membrana se llama ósmosis.
Hay varios mecanismos para el transporte de sustancias a través de la membrana.
Difusión: la penetración de sustancias a través de la membrana a lo largo del gradiente de concentración (desde el área donde su concentración es más alta hasta el área donde su concentración es más baja). El transporte difuso de sustancias (agua, iones) se lleva a cabo con la participación de proteínas de membrana, que tienen poros moleculares, o con la participación de la fase lipídica (para sustancias liposolubles).
Con la difusión facilitada, las proteínas transportadoras de membrana especiales se unen selectivamente a uno u otro ion o molécula y los transportan a través de la membrana a lo largo de un gradiente de concentración.
El transporte activo está asociado a los costes energéticos y sirve para transportar sustancias en contra de su gradiente de concentración. Se lleva a cabo mediante proteínas transportadoras especiales que forman las llamadas bombas de iones. La más estudiada es la bomba Na-/K- en células animales, que bombea activamente iones Na+ al exterior, mientras absorbe iones K-. Debido a esto, se mantiene una gran concentración de K- y una menor concentración de Na+ en la célula en comparación con el medio ambiente. Este proceso consume la energía del ATP.
Como resultado del transporte activo con la ayuda de una bomba de membrana, también se regula la concentración de Mg2- y Ca2+ en la célula.
En el proceso de transporte activo de iones al interior de la célula, varios azúcares, nucleótidos y aminoácidos penetran a través de la membrana citoplasmática.
Las macromoléculas de proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos, complejos de lipoproteínas, etc. no atraviesan las membranas celulares, a diferencia de los iones y los monómeros. El transporte de macromoléculas, sus complejos y partículas hacia la célula ocurre de una manera completamente diferente: a través de la endocitosis. Durante la endocitosis (endo ... - adentro), una cierta sección de la membrana plasmática captura y, por así decirlo, envuelve el material extracelular, encerrándolo en una vacuola de membrana que ha surgido como resultado de la invaginación de la membrana. Posteriormente, dicha vacuola se conecta a un lisosoma, cuyas enzimas descomponen las macromoléculas en monómeros.
El proceso inverso de la endocitosis es la exocitosis (exo... - fuera). Gracias a él, la célula elimina productos intracelulares o residuos no digeridos encerrados en vacuolas o vesículas. La vesícula se acerca a la membrana citoplasmática, se fusiona con ella y su contenido se libera al medio ambiente. Cómo se excretan las enzimas digestivas, hormonas, hemicelulosa, etc.
Por lo tanto, las membranas biológicas, como los principales elementos estructurales de la célula, sirven no solo como límites físicos, sino también como superficies funcionales dinámicas. Sobre las membranas de los orgánulos se llevan a cabo numerosos procesos bioquímicos, como la absorción activa de sustancias, la conversión de energía, la síntesis de ATP, etc.
Funciones bioquímicas
Barrera - proporciona un metabolismo regulado, selectivo, pasivo y activo con el medio ambiente. Por ejemplo, la membrana del peroxisoma protege el citoplasma de los peróxidos que son peligrosos para la célula. La permeabilidad selectiva significa que la permeabilidad de una membrana a varios átomos o moléculas depende de su tamaño, carga eléctrica y propiedades químicas. La permeabilidad selectiva asegura la separación de la célula y los compartimentos celulares del medio ambiente y les proporciona las sustancias necesarias.
Transporte - a través de la membrana es el transporte de sustancias dentro y fuera de la célula. El transporte a través de membranas proporciona: el suministro de nutrientes, la eliminación de productos finales del metabolismo, la secreción de varias sustancias, la creación de gradientes iónicos, el mantenimiento de un pH óptimo en la célula y la concentración de iones que son necesarios para el funcionamiento de enzimas celulares.
Partículas que por alguna razón son incapaces de atravesar la bicapa de fosfolípidos (por ejemplo, por propiedades hidrofílicas, ya que la membrana es hidrofóbica por dentro y no deja pasar sustancias hidrofílicas, o por su gran tamaño), pero necesarias para la célula , puede penetrar la membrana a través de proteínas portadoras especiales (transportadores) y proteínas de canal o por endocitosis.
Con el transporte pasivo, las sustancias cruzan la bicapa lipídica sin gasto de energía a lo largo del gradiente de concentración (el gradiente de concentración indica la dirección de concentración creciente) por difusión. Una variante de este mecanismo es la difusión facilitada, en la que una molécula específica ayuda a una sustancia a atravesar la membrana. Esta molécula puede tener un canal que permita el paso de un solo tipo de sustancia.
El transporte activo requiere energía, ya que ocurre contra un gradiente de concentración. Hay proteínas de bombeo especiales en la membrana, incluida la ATPasa, que bombea activamente iones de potasio (K+) hacia la célula y bombea iones de sodio (Na+) fuera de ella.
Matriz: proporciona una cierta posición relativa y orientación de las proteínas de membrana, su interacción óptima.
Mecánico: asegura la autonomía de la célula, sus estructuras intracelulares, así como la conexión con otras células (en tejidos). Las paredes celulares juegan un papel importante para garantizar la función mecánica y, en los animales, la sustancia intercelular.
Energía: durante la fotosíntesis en los cloroplastos y la respiración celular en las mitocondrias, en sus membranas operan sistemas de transferencia de energía, en los que también participan las proteínas.
Receptor: algunas proteínas ubicadas en la membrana son receptores (moléculas con las que la célula percibe ciertas señales).
Por ejemplo, las hormonas que circulan en la sangre solo actúan sobre células diana que tienen receptores correspondientes a esas hormonas. Los neurotransmisores (sustancias químicas que conducen los impulsos nerviosos) también se unen a proteínas receptoras específicas en las células diana.
Enzimático: las proteínas de membrana suelen ser enzimas. Por ejemplo, las membranas plasmáticas de las células epiteliales intestinales contienen enzimas digestivas.
Implementación de la generación y conducción de biopotenciales.
Con la ayuda de la membrana, se mantiene una concentración constante de iones en la célula: la concentración del ion K + dentro de la célula es mucho mayor que en el exterior, y la concentración de Na + es mucho menor, lo cual es muy importante, ya que esto mantiene la diferencia de potencial a través de la membrana y genera un impulso nervioso.
Etiquetado celular: hay antígenos en la membrana que actúan como marcadores, "etiquetas" que le permiten identificar la célula. Estas son glicoproteínas (es decir, proteínas con cadenas laterales de oligosacáridos ramificados unidas a ellas) que desempeñan el papel de "antenas". Debido a la miríada de configuraciones de cadenas laterales, es posible crear un marcador específico para cada tipo de célula. Con la ayuda de marcadores, las células pueden reconocer a otras células y actuar en conjunto con ellas, por ejemplo, al formar órganos y tejidos. También permite que el sistema inmunitario reconozca antígenos extraños.
membranas artificiales
Las membranas artificiales se obtienen poniendo en contacto con agua una mezcla de fosfolípidos y lípidos neutros disueltos en compuestos orgánicos. El espesor de tales membranas es inferior a 100 A. ?
Estas membranas artificiales, como las membranas celulares reales, son hidrofóbicas. Por lo tanto, las partículas cargadas como el HCO3 no pueden difundirse a través de ellas, mientras que las moléculas sin carga pasan libremente a través de la capa hidrofóbica. ?
Actualmente, la práctica de laboratorio utiliza casi exclusivamente membranas artificiales hechas de polímeros orgánicos naturales o sintéticos (celulosa y su éter, proteínas, poliestireno) y otros materiales. Tienen la gran ventaja sobre las membranas vegetales y animales usadas anteriormente de que pueden prepararse con una gradación de permeabilidad altamente reproducible. Para trabajar con soluciones no acuosas, a menudo se utilizan membranas de celulosa.
Las vías de síntesis de las membranas modernas a menudo siguen esquemas bastante complejos, porque la arquitectura macromolecular de estos compuestos debe representar un marco de polímero fuerte que contiene grupos cargados fuertemente reticulados. No es fácil producir un material que cumpla con todos los requisitos de las aplicaciones tecnológicas, y se puede decir que no solo es una tarea científica, sino un gran arte. El diseño molecular de las membranas modernas se caracteriza por una gran diversidad, que depende no solo del tipo y la naturaleza de los fragmentos cargados, sino también de la estructura química de la matriz portadora. Las primeras membranas estaban hechas de intercambiadores de iones granulares, las llamadas resinas de intercambio de iones.
Además de las membranas porosas de intercambio iónico, existen muchos otros tipos de membranas artificiales, entre las que se pueden distinguir las membranas sólidas gruesas y las membranas lipídicas bicapa muy delgadas que consisten en dos capas monomoleculares. ?
Las dificultades asociadas con la obtención de membranas biológicas de tamaño y reproducibilidad satisfactorios han llevado a los biólogos a explorar la posibilidad de utilizar membranas preparadas artificialmente como modelos. En membranas artificiales, es relativamente fácil medir la fuerza electromotriz, los números de transferencia, la conductividad eléctrica, etc.
nanomembranas
Las nanomembranas son membranas que contienen poros con un diámetro de fracciones de una micra o menos. En particular, los materiales en los que el tamaño de los poros está estrictamente controlado y oscila entre 2 y 50 nm se denominan tamices moleculares mesoporosos. Los poros finos son capaces de retener partículas sólidas muy pequeñas, así como microbios, virus, células individuales e incluso moléculas. Las nanomembranas son de particular uso en medicina. Con la ayuda de ellos, puede aislar virus y proteínas, realizar hemodiálisis: separar los componentes de la sangre, esterilizar soluciones (filtrando microorganismos), realizar un análisis microbiológico del agua. Una aplicación potencial interesante está relacionada con los bioimplantes. La estructura celular del implante puede aislarse del resto del organismo mediante una nanomembrana cerrada. Luego, el intercambio entre el implante y el cuerpo de las sustancias necesarias se realizará a través de nanoporos, y los anticuerpos que destruyen las células extrañas no podrán penetrar la barrera de la membrana.
Un método moderno para obtener nanomembranas altamente eficientes es la irradiación de películas poliméricas continuas con iones pesados acelerados o productos de descomposición de elementos radiactivos. Las partículas de alta energía que vuelan a través de la capa de polímero dejan huellas, a través de canales con un diámetro de aproximadamente 10 nm, llenos de productos de destrucción (despolimerización) del material. Como resultado del tratamiento posterior con un solvente, se forman poros en lugar de los canales, cuyo diámetro puede controlarse en un amplio rango de 30 a 1000 nm.
Existen muchos otros métodos para la obtención de nanomembranas. Las membranas basadas en óxido de aluminio con nanoporos ordenados se crean por oxidación anódica de la superficie de una placa de aluminio. Los nanoporos en una película de silicio se forman como resultado del tratamiento térmico a corto plazo de una capa continua de silicio amorfo. Las nanomembranas también se forman polimerizando un compuesto orgánico en solución o en presencia de un tensioactivo. Como resultado de la asociación de moléculas de este último, se forman canales cilíndricos con un diámetro de varios nanómetros, que penetran a través de la película resultante. Las membranas de intercambio iónico se obtienen a partir de polímeros de intercambio iónico (resinas), así como de algunos compuestos inorgánicos con conductividad iónica (dióxido de circonio estabilizado con itria, óxido de bismuto, etc.).
Como conclusión de este trabajo, se puede señalar que la producción de membranas artificiales y nanomembranas es una rama de la biotecnología que se desarrollará de manera constante en un futuro próximo y que se introducirá activamente en muchas áreas de producción, pero las membranas artificiales recibirán un uso especial. en medicina, que mejorará los desarrollos existentes y hará muchos descubrimientos nuevos.
Literatura
Membranas de vía de nueva generación. En el mundo de la ciencia. 2005. Nº 12. Pág. 35.
Mulder M. Introducción a la tecnología de membranas. M.: Mir, 1999. 514 p.
N. P. Berezina. Membranas de intercambio iónico sintéticas. Revista educativa de Soros, Vol. 6, No. 9, 2000
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Membranas lipídicas artificiales, que tienen una estructura de dos capas, resultó ser similar en muchos aspectos a las membranas biológicas. Las membranas artificiales se obtienen por contacto. mezclas de fosfolípidos y lípidos neutros disuelto en disolventes orgánicos con agua. Membranas lipídicas bimoleculares (BLM), también llamadas bicapa o negro Las membranas lipídicas son ampliamente utilizadas modelo experimental, que hace posible reproducir muchas propiedades y características de las membranas biológicas en condiciones artificiales. Al igual que las membranas biológicas, son sistemas cerrados, lo que las hace adecuadas para estudiar el transporte pasivo de iones y pequeñas moléculas a través de la bicapa lipídica.
liposomas- vesículas esféricas que tienen una o más bicapas lipídicas. Formada en mezclas de fosfolípidos con agua. Los liposomas contienen agua o una solución en la que se realizó un tratamiento ultrasónico. A diferencia de BLM, liposomas son bastante estables y no contienen disolventes orgánicos. La composición de lípidos en los liposomas se puede variar arbitrariamente y, por lo tanto, cambiar direccionalmente las propiedades de la membrana. Debido a la posibilidad de reconstrucción de la membrana a partir de sus componentes principales, es posible simular el transporte enzimático y las funciones receptoras de las membranas celulares. Los antígenos se pueden introducir en los liposomas, así como los anticuerpos se pueden unir covalentemente y usarse en estudios inmunológicos. Son un modelo conveniente para estudiar la acción de muchas drogas, vitaminas, hormonas, antibióticos, etc.
Actualmente, los métodos para incorporar proteínas de membrana funcionalmente activas en liposomas están bien desarrollados. Estas estructuras artificiales de proteínas y lípidos suelen denominarse proteoliposomas.
La eficacia de la incorporación de la mayoría de las proteínas componentes en los sistemas de membranas artificiales depende en gran medida de la composición lipídica de las membranas, el pH, la composición salina, la temperatura, etc. El sistema de proteoliposomas: película de colodión, desarrollado originalmente para el estudio de la bacteriorrodopsina, se utilizó luego en el estudio de otros convertidores de energía de membrana.
Hay dos tipos principales de membranas artificiales:
- piso clásico,
- Membranas esféricas de varios tamaños.
Para obtención de membranas artificiales usar:
- varios fosfátidos,
- glicéridos neutros,
- mezclas de lípidos de origen biológico, añadiéndoles colesterol, a-tocoferol y otros aditivos menores.
El valor potencial de las membranas artificiales para la investigación depende de la posibilidad de incorporar proteínas naturales, especialmente aquellas con propiedades de transporte. Los liposomas, compuestos por proteínas y lípidos, comenzaron a obtenerse en los años 60. El término proteoliposoma fue introducido por V.P. Skulachev. Actualmente se han desarrollado una serie de métodos para la preparación de varios tipos de liposomas y proteoliposomas, así como su estandarización en términos de tamaño, estructura, homogeneidad, estabilidad y otras características. Los liposomas se utilizan para administrar compuestos químicos y medicinales en la célula, estabilizar enzimas en enzimología de ingeniería, introducir moléculas de sonda en las membranas celulares que modifican y modelan su superficie. De gran interés para la ingeniería genética y la medicina son los estudios sobre la introducción de ácidos nucleicos y virus en las células mediante liposomas.
DE agua se relacionan muchas propiedades estructurales y funcionales de las membranas, así como los procesos de estabilización y formación de membranas. El agua forma parte de las membranas y se divide en:
- libre
- conectado,
- capturado.
Agua ligada y libre difiere en la movilidad de las moléculas de agua y el poder de disolución. Tiene la menor movilidad y poder de disolución. agua ligada interna. Está presente en la zona lipídica de las membranas en forma de moléculas individuales. La mayor parte del agua ligada es agua. conchas de hidrato. Esta agua envuelve los grupos polares de proteínas y lípidos, tiene una movilidad mínima y prácticamente no tiene propiedades de disolvente. Agua libre en poros y canales. Los iones libres pueden moverse a través de él. Es un buen disolvente, móvil y tiene todas las propiedades del agua líquida.
agua capturada Posee movimiento isotópico característico del agua líquida, es un buen solvente. Se encuentra en la zona central de las membranas, entre sus capas lipídicas, pero esta agua se encuentra espacialmente dividida líquido extracelular y citoplasma. Ella no tiene la oportunidad de intercambiar libremente con ellos.
