Антонов В.Ф. Практикум по биофизике

Подождите немного. Документ загружается.

ПРАКТИКУМ

ДЛЯ

ВУЗОВ

ПРАКТИКУМ

ПО

БИОФИЗИКЕ

Учебное

пособие для

студентов

высших

учебных

заведений

Москва

ГУМА

НИ

ТАРНЫЙ

ИЗДА

ТЕЛЬСКИЙ

В ПАП О

2001

ББК

28.071я73

П69

Авторы:

В.Ф.

Антонов,

A.M.

Черныш,

В.И.

Пасечник,

С.А.

Вознесенский,

Е.К.

Козлова

Практикум

по

биофизике:

Учеб.

пособие

для

студ.

высш.

П69

учеб.

заведений.

— М.:

Гуманит.

изд.

центр

ВЛАДОС,

2001.

— 352 с.

ISBN

5-691-00698-3.

Пособие является составной частью учебного комплекта «Био-

физика» и

служит

практическим дополнением одноименного

учеб-

ника.

Основная

особенность книги

—

единый блок лабораторных

практических занятий, направленных на изучение физических ме-

тодов исследования свойств и характеристик биологических объек-

тов для дальнейшего использования полученных результатов

ме-

дицине.

В практикум включены 33 работы, которые выполняются

или

на измерительных и медицинских приборах, или на персональ-

ных компьютерах.

Книга

адресована студентам и преподавателям высших

учебных

заведений.

ББК

28.071я73

центр

ВЛАДОС»,

2001

«Гуманитарный издательский

ISBN

5-691-00698-3

центр

ВЛАДОС»,

2001

ПРАКТИКУМ

ДЛЯ

ВУЗОВ

ПРАКТИКУМ

ПО

БИОФИШЕ

Учебное пособие для

студентов

высших учебных заведений

Москва

ГУМАНИТАРНЫЙ

Г\

ИЗ

ДАТЕЛЬСКИЙI

ЦЕНТР/

ВПАПОС

2001

позволяют представить изучаемые явления в динамике, при

различных заданиях параметров и изменении режимов проте-

кания

процессов. К сожалению, эту сторону отразить на стра-

ницах книги не представляется возможным. Поэтому в описа-

нии

ряда компьютерных работ, приведенных в пособии, ис-

пользуются лишь опорные иллюстрации отдельных фрагмен-

тов изучаемой темы. Компьютерные программы каждой рабо-

ты

могут

быть предоставлены заинтересованным ВУЗам, а

также отдельным специалистам и студентам.

В целом, практикум создавался и проходил апробацию на

кафедре медицинской и биологической физики Московской

медицинской

академии им. И.М. Сеченова в течение

двух

по-

следний десятилетих. Отдельные работы настоящего пособия

написаны

в соавторстве с сотрудниками кафедры, указанными

ниже:

Аносов А.А. (работы 2.1; 2.3; 2.5; 4.5; 5.1; 5.2),

Архаро-

ва Г.В. (6.1, 6.2), Блинов Е.Б. (5.3), Богатырева Н.Э. (4.7),

Герасимов А.Н. и Греков Е.В. (4.4), Иванов С.А. и Коржу-

ев А.В. (5.4), Любимова Т.Ф. (1.3; 3.2), Смирнова Е.Ю.

(4.5), Федорова М.С. (3.1; 3.4; 5.1; 5.2; 6,3), Челебаев А.К.

(7.3;

7.4), Куриленко И.Н. (6.3), Маттейс Т.Н. (4.8).

Авторы

приносят искреннюю благодарность всем сотрудни-

кам

кафедры за их многолетний

труд

по созданию, обсужде-

нию

и внедрению лабораторных и практических работ в

учеб-

ный

процесс.

Процессы

переноса

в биологических объектах

1.1.

Исследование

проницаемости

модельных

мембран

- липосом

Изучение проницаемости биологических мембран важно

для медицины и фармации. Перенос веществ через клеточные

мембраны — важнейшее условие жизнедеятельности клетки.

Многие болезни связаны с нарушением нормального переноса

веществ через мембраны. Эффективность фармацевтических

средств

существенно зависит от их способности проникнуть в

клетки, от проницаемости биологических мембран для лекар-

ственных веществ.

Фосфолипидный бислой — структурная основа биологичес-

ких мембран. Большое значение для жизнедеятельности клет-

ки

имеет селективная (избирательная) проницаемость липид-

ного бислоя.

Ценную информацию о проницаемости липидной фазы био-

логических мембран

дают

исследования модельных мемб-

ран — липосом. Липосомы широко применяются не только

как

модельные объекты в различных исследованиях, но и на-

ходят

непосредственное практическое применение, например,

практикуется введение в организм лекарственных веществ,

помещенных внутрь липосом.

Цель

работы:

1. Научиться объяснять строение биологических мембран, а

также формирование и применение в медицине и фармации

модельных мембран — липосом.

2. Научиться объяснять физические основы турбидиметри-

ческого

метода

исследования суспензии липосом.

3. Приобрести начальные навыки исследования проницае-

мости липосом для различных веществ осмотическим мето-

дом.

Литература:

Антонов

В.Ф. и др.

Биофизика.

— М.: Владос, 2000.

Марголис

Л.Б.,

Бергельсон

Л Д. Липосомы и их взаимодействие с

клетками.

— М.: Наука, 1986.

Подготовка

работе

При

подготовке к лабораторному занятию изучить по реко-

мендованной

литературе

уметь

объяснить

следующие

вопросы:

1. Жидкостно-мозаичная модель строения биологических

мембран. Нарисовать и объяснить

схему

строения, объяснить

роль фосфолипидного бислоя.

2. Основные функции биологических мембран. Объяснить

основные функции и раскрыть значение селективной проница-

емости биологической мембраны для жизнедеятельности,

привести примеры.

3. Строение и применение модельных мембран — липосом.

Нарисовать и объяснить

схему

строения, объяснить, как фор-

мируются липосомы, привести примеры их применения.

4. Осмотический

метод

исследования проницаемости биоло-

гических мембран для различных веществ. Объяснить, как

происходит водный обмен

между

клеткой и межклеточной

жидкостью в гипотоническом, гипертоническом и изотоничес-

ком

водных растворах веществ, непроникающих через мемб-

рану, как меняются при этом размеры клеток.

5. Метод турбидиметрии. В чем состоит явление рассеяния

света?

Уметь

написать закон и начертить график ослабления

интенсивности света при прохождении через рассеивающую

среду

в зависимости от толщины слоя. Объяснить, что такое

коэффициент

рассеяния, как он связан с оптической плотнос-

тью, от каких параметров он зависит? Как изменяется

коэф-

фициент

рассеяния и оптическая плотность суспензии клеток

при

изменении размеров клеток и при изменении концентра-

ции

суспензии?

6. Порядок выполнения работы. Объяснить порядок изме-

рений

оптической плотности на фотоэлектроколориметре. Ка-

кой

вывод о проницаемости липидного бислоя для КС1, NaCl и

Н2О можно

сделать

на основе исследований суспензии липо-

сом, проведенных в лабораторной

работе?

Теоретические

сведения

1. Согласно жидкостно-мозаичной модели строения биоло-

гических мембран (Сингер и Никольсон — 1972 год)

структур-

ную основу биологической мембраны составляет двойной слой

фосфолипидов,

инкрустированный белками (рис. 1).

Вода

Рис.

1. Жидкостно-мозаичная модель мембраны

Различают интегральные белки (1) и поверхностные или пе-

риферические (2).

воде

происходит самосборка двойного молекулярного фо-

сфолипидного слоя вследствие того, что энергетически более

выгодным является расположение полярной гидрофильной

"головы" фосфолипидной молекулы

наружу

в сторону воды, а

ее гидрофобного неполярного

хвоста

— внутрь слоя.

2. Различают три основные функции биологических мемб-

ран:

1) Механическая — обеспечивает прочность и автономность

клеток

и внутриклеточных

структур.

2) Матричная — обеспечивает определенное взаимное рас-

положение и ориентацию мембранных белков, обеспечивает

их оптимальное взаимодействие (например, взаимодействие

мембранных ферментов).

3) Барьерная — обеспечивает селективный, регулируемый,

пассивный

и активный обмен веществ клетки с окружающей

средой (селективный — значит избирательный: одни вещества

переносятся

через биологическую мембрану, а

другие

— нет;

регулируемый

— проницаемость мембраны для определенных

веществ меняется, в зависимости от функционального состоя-

ния

клетки; активный — перенос от мест с меньшей к местам с

большей концентрацией).

Вода

Вследствие

активного переноса веществ и селективной про-

ницаемости

мембраны создаются и поддерживаются градиен-

ты концентраций — разные концентрации веществ внутри

клетки

и во внеклеточной среде, играющие огромную роль в

жизнедеятельности. Например, градиенты концентраций ио-

нов

калия и натрия на клеточных мембранах — необходимое

условий генерации нервного импульса.

3. Липосомы — модельные везикулярные мембраны (вези-

кула

— пузырёк). Липосомы образуются из суспензии фосфо-

липидов в воде. В

воде

происхо-

дит самосборка бимолекуляр-

ной

фосфолипидной мембраны.

При

этом мембрана стремится

принять

сферическую форму с

наименьшей

поверхностной

энергией

(рис. 2).

При

самосборке получаются

основном крупные много-

слойные липосомы (рис. 3), их

форма

отличается от сферичес-

кой.

Однослойные липосомы

можно получить воздействием

на

суспензию многослойных

липосом ультразвуком. В на-

стоящее время разработано

множество

других

методов по-

лучения однослойных липосом

диаметром от 20 нм до микро-

метров и

даже

миллиметров. В

настоящей

работе

предлагают-

ся

для исследования однослой-

ные

липосомы, полученные ме-

тодом обращения фаз, со сред-

ним

диаметром 350 нм. Липосомы широко применяются не

только как модельные объекты в научных исследованиях, но и

находят непосредственное практическое применение, напри-

мер,

практикуется введение в организм лекарственных ве-

ществ, помещенных внутрь липосом.

Вода

Рис.

Липосома

(сферическая

форма)

Рис.

Многослойная

липосома

4. Осмотический метод изучения проницаемости биологи-

ческих мембран основан на наблюдении изменения объема

клеток

при помещении их в растворы исследуемых веществ.

Осмос — преимущественное движение молекул раствори-

теля через полупроницаемую мембрану (непроницаемую для

растворенного вещества и проницаемую для растворителя) из

мест с меньшей концентрацией растворенного вещества в ме-

ста с большей концентрацией. Осмос играет большую роль во

многих биологических явлениях. Явление осмоса обусловли-

вает гемолиз эритроцитов в гипотонических растворах. Ос-

мос используется в терапии, например, действие некоторых

сильных слабительных основано на создании в желудочном

тракте повышенной концентрации растворенного вещества и

осмоса в него воды.

Клетки

животных и растений содержат растворы солей и

других

осмотически активных веществ (для которых проница-

емость биологической мембраны меньше, чем для воды).

Если

клетку поместить в гипотонический раствор (рис. 4а),

то объем клетки увеличивается за счет осмоса воды в клетку.

Рис.

Изменения

размеров

клеток

при

осмосе

(Стрелки

показывают

направле-

ние

осмоса)

В гипертоническом растворе объем клетки уменьшается

вследствие осмоса воды из клетки (рис. 46).

В изотоническом растворе объем клетки не меняется, так

как

не происходит осмоса (рис. 4в).

Помещая

клетки в растворы различных веществ (гиперто-

нические

или гипотонические по отношению к внутриклеточ-

ной

жидкости), по наличию или отсутствию осмотического эф-

фекта, приводящего к изменению размеров клеток, можно сде-

лать вывод о непроницаемости или проницаемости мембраны

для растворенного вещества и для воды. Если наблюдается ос-

мотический эффект, мембрана непроницаема (или плохо про-

ницаема)

для растворенного вещества и хорошо проницаема

для растворителя.

5. Турбидиметрия и нефелометрия — методы, основанные

на

изучении рассеяния света при прохождении его через иссле-

дуемую

дисперсную

среду

(рис. 5).

о о

~ о

о о о а

Рис.

5. Изменение

интенсивности

света при

рассеянии

Изучение рассеивающей среды, основанное на исследова-

нии

рассеянного света: его интенсивности 1

, спектра, поляри-

зации

и т.д. называется нефелометрией (от греческого нефе-

лос — облако). Нефелометрия

дает

возможность определять

концентрацию,

размер, форму диспергированных частиц в

дисперсных системах.

Турбидиметрия (turbidis — мутный) основана на измерении

интенсивности

прошедшего света I = 1

— 1„, ослабленного

вследствие рассеяния. Характеристикой светорассеяния в

этом методе служит коэффициент рассеяния с (рис. 5) или оп-

тическая плотность суспензии:

= lg — = 0,43 о/.

Коэффициент

рассеяния, а следовательно, и оптическая

плотность зависят от размера частиц и их формы, от длины

волны света, от концентрации частиц.

Коэффициент

рассеяния и оптическая плотность прямо

пропорциональны

концентрации суспензии п:

= A • п,

где А — коэффициент, не зависящий от концентрации.

Установлено, что с увеличением длины волны X коэффици-

ент рассеяния и оптическая плотность среды уменьшаются.