Артюхов В.Г., Ковалева Т.А., Шмелев В.П. Биофизика

Подождите немного. Документ загружается.

Кинетика

активного транспорта ионов зависит от соотношения

констант

ке и к|, т.е. диссоциации комплекса иона - фермента на на-

ружной и внутренней стороне мембраны клетки. Поток ионов на-

правлен

туда,

где диссоциация комплекса выше и ниже константы

связывания.

Электрический градиент замедляет работу насоса, если

движение ионов идет против градиента, и ускоряет, если положи-

тельный ион движется в отрицательно заряженную область.

В оптимальных условиях максимальная проводимость помпы ог-

раничена

коэффициентом проницаемости мембраны для комплекса

ион

- фермент. Поток ионов

будет

прямо пропорционален концент-

рации

молекул-переносчиков в мембране (транспортной АТФазы).

Транслокация

комплекса и транспортной АТФазы зависит от ли-

пидного состава мембраны, который регулируется изменением со-

отношения

ненасыщенных жирных кислот к насыщенным и содер-

жанием холестерина.

Механизмы

сопряженного

мембранного

транспорта

Перенос

через мембрану ионов и молекул может определяться

предварительным или одновременным переносом ионов, создающих

градиент концентрации ионов или электрический градиент, под

влиянием

которых и осуществляется транспорт агентов.

Для переноса ионов Са

и фосфорной кислоты внутрь митохонд-

рий

достаточно создания электрического градиента за счет активно-

го транспорта протонов из митохондрии в цитоплазму. Проницае-

мость фосфорной кислоты внутрь митохондрий в конечном счете

определяется транспортом протонов

наружу,

созданием градиента

концентрации

ионов водорода, который сопрягает перенос протонов

из

митохондрии с переносом фосфорной кислоты внутрь ее.

Сопряженный

перенос Сахаров и аминокислот с транспортом

ионов

детально изучен в клетках эпителия кишечника теплокров-

ных животных. В кишечнике, почках, легких, в капиллярах транс-

портируемые вещества проходят через слой клеток, систему мемб-

ран,

поэтому такой транспорт называют трансцеллюлярным или

трансэпителиальным. С

учетом

того, что транспорт через ряд мемб-

ран

принципиально не отличается от транспорта веществ через еди-

ничную мембрану, рассмотрим трансмембраиный перенос молекул

Сахаров и аминокислот через одну из них. Всасывание Сахаров и

аминокислот

из просвета тонкого кишечника в серозную часть, а в

конечном

счете в просвет венозной части капилляра имеет ряд осо-

бенностей,

позволяющих говорить об облегченной диффузии с уча-

стием подвижного переносчика и о сопряжении транспорта органи-

221

ческого соединения с одновременным переносом иона натрия, а

именно:

1. Эффект насыщения: при определенной концентрации

субстра-

та скорость переноса остается постоянной, несмотря на увеличение

концентрации

переносимых веществ.

2. Эффект взаимного конкурирования: ряд Сахаров тормозит

транспорт

друг

друга.

3. Стереоспецифичность: различная скорость транспорта при од-

них и тех же условиях через мембрану для лево- (L) и правовраща-

шшж

Рис.

4.30.

Схема

процессов эндоцитоза (Л), экзоцитоза <Б) и отпочковывания ( В)

222

ющих (D) форм. Скорость переноса L-аминокислот выше, чем их

D-формы, а

L-сахаров

ниже, чем D-сахаров.

4. Эффект специфического ингибирования транспорта ряда сое-

динений.

Перенос Сахаров подавляет флоридзин, а транспорт ами-

нокислот остается при этом без изменений.

Сопряжение транспорта Сахаров и аминокислот с переносом

ионов

натрия происходит на молекуле-переносчике. Об этом свиде-

тельствуют

следующие

факты: транспорт этих органических соеди-

нений

идет

только в присутствии ионов натрия. При достаточно вы-

соком значении электрохимического градиента ионов натрия транс-

порт Сахаров и аминокислот может происходить против их концент-

рационного градиента.

Внутрь

клеток эпителия ионы натрия поступают по концентра-

ционному и электрическому градиентам, а

выход

в межклеточную

жидкость, в плазму крови капилляра

идет

против концентрацион-

ного градиента и против электрического поля за

счет

активного

транспорта (Na

, К

-АТФазы).

Движущей силой переноса Сахаров и аминокислот является элек-

трохимический градиент ионов натрия. Такой вид трансмембранно-

го переноса называется вторичным активным транспортом.

Из

цитоплазмы эпителия кишечника в серозную часть, в меж-

клеточную жидкость, в плазму крови

сахара

и аминокислоты про-

никают пассивно по градиенту концентрации без сопряжения с пе-

реносом неорганических ионов.

Ряд высокомолекулярных веществ может транспортироваться че-

рез мембраны за

счет

их

структурных

перестроек, получивших на-

звание эндоцитоза, экзоцитоза и отпочковывания (рис.

4.30).

8. Электропроводность биологических систем

Электропроводность

биологических

систем

- это количествен-

ная

характеристика способности биомембран, клеток, тканей про-

водить электрический ток. Электропроводность обратно пропорцио-

нальна величине электрического сопротивления системы.

Величины электропроводности

несут

информацию о функцио-

нальном состоянии тканей и органов, об изменениях в них, насту-

пающих под действием физических, химических и ряда

других

факторов. В медицине величины электропроводности

могут

харак-

теризовать воспалительные процессы, изменения проницаемости

мембран клеток, тканей, изменения кровенаполнения органов (ме-

тоды реографии).

Если на объект подать разность потенциалов (U), то, согласно за-

223

кону

Ома, через объект потечет электрический ток силой (I), про-

порциональный

электропроводности (G): I = UG.

Так

как. живой организм, его клетки, ткани являются проводни-

ком

второго рода, то перенос электрического тока зависит от вели-

чины

направленного движения ионов в электрическом поле. Чем

больше свободных подвижных ионов, тем выше электропроводность

объекта. В клетках животных основные катионы - это ионы калия и

основные

анионы, в

первую

очередь - ионы органических кислот

(угольной, лимонной, уксусной, молочной и др.). В межклеточной,

межтканевой жидкостях животных основными ионами являются

натрий

и хлор.

Ионы

биополимеров (белков, нуклеиновых кислот,

их комплексов) не оказывает заметного влияния на величины элек-

тропроводности.

Измерение

электропроводности биологических объектов прово-

дят на постоянном и переменном токах прямоугольной или синусо-

идальной формы с частотами от долей герца до 10

Гц.

При

пропускании постоянного тока через биологический объект

наблюдается падение величины тока за

счет

развития поляризаци-

онных

явлений на границах раздела в объекте.

Различные

виды поляризации обусловлены наличием в биологи-

ческих объектах свободных и связанных зарядов, гетерогенностью

строения

клеток, наличием мембран и поверхностей раздела. Сво-

бодные заряды (ионы, электроны) перемещаются под действием

электрического поля,

создают

ток проводимости. В клетках по-

движность ионов офаничена наличием многочисленных мембран

компартментов, на которых создается ЭДС обратного направления

по

отношению к приложенному. Связанные заряды крупных орга-

нических ионов, мембран, органелл перемещаются в узких преде-

лах, формируя токи смещения.

Выделяют

несколько видов поляризации.

Электронная

поляризация

- смещение электронных орбит ато-

мов относительно положительно заряженных ядер под действием

приложенного электрического поля. Возникающий дипольный мо-

мент молекул имеет небольшую величину. Время образования и ус-

транения

электронной поляризации (время релаксации) находится

пределах

10'

1б

-10"

с.

Ионная

поляризация

- смещение иона в кристаллической решет-

ке

с возникновением ЭДС обратного приложенному направления.

Время релаксации ионной поляризации

10-10"

с.

Электронная

и ионная поляризации не играют существенной ро-

ли

в биологических

объектах.

224

Дипольная

(ориентационная)

поляризация

свойственна поляр-

ным

молекулам.

Вода,

спирты, белки обладают значительными

ди-

польными

моментами.

Время релаксации

(т)

дипольнсй поляризации колеблется

от

до 10" си

определяется по формуле:

г -4^j/r

/kT,

где

п -

вязкость среды;

г -

радиус молекулы;

Т -

абсолютная темпе-

ратура.

Макроструктурная

поляризация

зависит

от

неоднородности

электрических свойств проводящей среды

связана

чередованием

слоев высокой

низкой проводимости

накоплением свободных

за-

рядов

на

границе слоев

низкой проводимостью,

что

свойственно

биологическим объектам

с их

гетерогенностью

развитой сетью

мембран

мембранных структур, имеющих сопротивление порядка

1000 Ом/см

Время релаксации макроструктурной поляризации

10"

-10"

с.

Поверхностная

поляризация

свойственна поверхности

двой-

ным

электрическим слоем.

электрическом поле происходит

сме-

щение

ионов диффузной части

одну,

частиц

- в

противополож-

ную стороны. Время релаксации

- 10 - 1 с.

Электролитическая

поляризация

означает изменение концент-

рации

зарядов

приэлектродном слое. Время релаксации этой

по-

ляризации-10"

-Юс.

Для устранения различных видов поляризации измерение элект-

ропроводности проводят

на

переменном токе различной частоты.

На

высоких частотах

(10

- 10 Гц)

поляризация практически

ис-

ключается.

Свойства границ раздела можно описать, вводя понятия реактив-

ного (емкостного)

Хс и

активного (омического) сопротивлений.

Ре-

активное сопротивление

зависит

от

частоты,

на

которой прово-

дится

его

определение:

~ 1/

сое,

где с -

емкость системы, со

- кру-

говая частота, которую рассчитывают

по

формуле: со

- In f, где f -

частота

герцах.

Общее сопротивление

(импеданс) при последовательном соеди-

нении

Z- R

, где R -

омическое сопротивление. При параллель-

ном

соединении реактивного

активного сопротивлений импеданс

равен:

Z-R/VI+C^RV.

Для измерения импеданса биологических объектов используют

мосты постоянного

переменного токов; применяют металлические

угольные электроды.

Для

измерения импеданса цитоплазматиче-

ских мембран используют неполяризующиеся электроды (хлорсе-

225

ребряные). Микроэлектрод вводят в клетку, а второй (макроэлект-

род) находится снаружи.

Величина поляризации зависит от многих факторов: приложен-

ной

к системе разности потенциалов, площади электродов, сопро-

тивления системы, частоты измерения. Для уменьшения плотности

тока используют платиновые электроды, покрытые

губчатым

слоем

платиновой черни, что увеличивает эффективную поверхность

электродов в 1000 раз.

Из-за

высокой степени поляризации на постоянном токе элект-

родов и мембран биообъектов измерение электропроводности про-

водят на переменном токе низкой и высокой частот.

Для однозначной интерпретации

результатов

по измерению

электропроводности биологических систем используют эквивалент-

ные схемы, состоящие из комбинации емкостей и активных сопро-

тивлений, которые

служат

эквивалентами

структур

клеток и тка-

ней.

Поляризационные

явления уменьшаются с увеличением частот,

на

которых проводят измерения. Следовательно, емкостное (реак-

тивное) сопротивление при этом падает. Зависимость импеданса

или емкостного сопротивления от частоты называют

дисперсией

электропроводност

и.

На

частотах

10 Гц и выше импеданс зависит только от величи-

ны

активного сопротивления (R) цитоплазмы и межклеточной жид-

кости.

Выделяют

a—,fi—

у-виды

дисперсии, а- дисперсию наблюда-

ют в диапазоне

частот

10 - 10 Гц. Она зависит от устранения по-

ляризации

границ раздела (в

первую

очередь мембранной поляри-

зации) и неоднородностей

структуры.

При

гибели, медленном отмирании тканей происходит возраста-

ние

электропроводности на низких

частотах,

что объясняют повы-

шением проницаемости биомембран для ионов. Б.Н.Тарусов пред-

ложил определять коэффициент дисперсии К -

RH/RB,

где R

и R

соответственно сопротивления, измеренные на низкой и высокой

частотах.

Выбор

частот

определяется диапазоном а-дисперсии. Для

мышечной ткани R

- 10 Гц,

- 10 Гц, для клеток крови и жиро-

вой ткани R

= 10

Гц, R

- ю'Гц, для кожи R

- 10 , R

- 10* и

т.д.

Можно вычислить ионную проводимость и объем межклеточных

промежутков и цитоплазмы, проницаемость мембран для ионов, ве-

личины емкости биомембран.

Физические (ионизирующее и ультрафиолетовое излучения, по-

226

вышение температуры)

химические факторы (кислоты, щелочи,

спирты, органические растворители) обычно увеличивают прони-

цаемость мембран

для

ионов,

что

приводит

уменьшению импе-

данса

емкостного сопротивления.

Измерение активного сопротивления, емкости

дисперсии элек-

трического сопротивления позволили вычислить статическую

ем-

кость мембраны клетки.

Ее

величина оказалась около

мкФ/см

, а

это,

свою очередь, обосновало предположение

том,

что

толщина

липидного биослоя составляет

5,0-6,0 нм.

Сопротивление миоплазмы, аксоплазмы

цитоплазмы всего

в 2 -

3 раза выше сопротивления межклеточной жидкости

сыворотки

крови,

сопротивление цитоплазматической мембраны оказалось

выше

десятки тысяч

раз. Эти

характеристики нервного волокна

легли

основу формирования "кабельной" теории проведения нерв-

ного импульса.

КОНТРОЛЬНЫЕ

ВОПРОСЫ

Дать определение биологическим мембранам.

Какие виды мембран описаны?

Выделите основные функции биологических мембран.

Какие существуют

группы

методов изучения биологических мембран, относя-

щиеся

к биологическим наукам и дисциплинам?

Какие выделяют биофизические методы исследования структуры, параметров,

свойств,

функций биомембран? Что их объединяет, каковы их особенности и отличия

от

методов других биологических наук?

Какими методами изучают динамику изменений параметров и функций мемб-

ран?

Какую информацию можно получить о биологических мембранах, их свойст-

вах

при применении методов

ЭПР, ЯМР

и флуоресцентной спектроскопии?

Какими методами изучают фазовое состояние липидов в мембране и фазовые

переходы?

Охарактеризуйте наиболее информативный метод, позволяющий изучать ди-

намику изменения параметров мембраны при протекании различных биологических

процессов

и реакций.

10.

Охарактеризуйте подвижность липидов и белков в мембране.

11.

Что представляют

собой

силы, стабилизирующие структуру мембран?

12.

Что такое фазовое состояние и фазовые переходы в мембранах?

13.

Почему нормально функционировать могут только асимметричные мембра-

ны?

14.

Как

создается

и поддерживается асимметрия мембран?

15.

Какие надмолекулярные липидные структуры образуются в воде и неполяр-

ных растворителях?

16.

Как получают искусственные мембраны?

17.

Назовите основные модели биомембран.

18.

Какие вещества транспортируются через биологические мембраны?

227

19.

По каким признакам транспорт веществ подразделяют на пассивный и актив-

ный?

20.

Назовите основные пути проникновения молекул и ионов через мембрану.

21.

Какие силы обеспечивают траисмембранный транспорт веществ?

22.

Каковы основные механизмы пассивного транспорта?

23.

Как осуществляется облегченная диффузия?

24.

Как функционируют подвижные переносчики и каналообразователи?

25.

Выделите

принципы

и основные этапы работы Са - насоса и Na - К -

насо-

са.

26.

Как клетки и ткани проводят постоянный и переменный электрический ток?

27.

Назовите виды поляризации в веществе и биологической ткани.

28.

Что такое импеданс биологической ткани и клеток?

29.

Охарзктеризуйтеа-,/?- и у-дисперсии электропроводности..

СПИСОК

РЕКОМЕНДУЕМОЙ

ЛИТЕРАТУРЫ

Бергельсон Л.Д. Мембраны, молекулы, клетки. М., 1982. 183с.

Биологические мембраны.

Методы

/Пер. с англ./ Под ред. Дж.Б.Финдлея,

У.Г.Эванза.М.,

1990. 424 с.

Биофизика:

Учебник/ Под ред. П.Г.Косткжа. Киев,

1988.504

с.

Биофизика:

Учебник/ Под ред. 1О.А. Владимирова. М., 1983. 272 с.

Волькен штейн М. В. Биофизика. М.,

1981.

575 с.

Введение

в мембранологию: Учебное пособие/ Под ред. А.А.Болдырева. М.,

1990.208

с.

Волотовский

И.Д., X о в р а то в и ч В.И., Баранова Л.А. Транспорт

ионов в фоторецепторной клетке. Минск, 1990. 222 с.

Губанов НИ., У те п бе р ге п о в А.А. Медицинская биофизика. М., 1978.

336

с.

а га в а Я. Биомембраны. М., 1985. 303 с.

Конев

СВ., Аксенцев С.Л., Волотовский И.Д. Откровения двухмер-

ного мира. Минск, 1981. 175 с.

о т ы к А., Я н а ч е к К. Мембранный транспорт. Междисциплинарный под-

ход/

Пер. с англ. М., 1980. 341 с.

Молекулярная биология/ Б. Альберте, Д. Брей, Дж. Льюис и др. - М.,

1986.

Т.2. 312 с.

Овчинников Ю.А. Биоорганичсская химия. М., 1987. 815 с.

Рубин

А.Б. Биофизика: Учебник. М., 1987. Кн.2. 303 с.

Рыбин И.А. Лекции по биофизике: Учебное пособие. Свердловск, 1990. 235 с.

Ходжкин А. Нервный импульс/ Пер. с англ. М., 1965. 125 с.

Фрайфельдер

Д. Физическая биохимии. Применение физико-химических

методов

в биохимии и молекулярной биологии/ Пер. с англ. М.,

1980.

582 с.

228

ГЛАВА

КВАНТОВАЯ

БИОФИЗИКА

§>

1. Физико-химические основы фотобиологических процессов

Квантовая

биофизика

изучает электронную

структуру

биологи-

чески важных молекул (преимущественно макромолекул), элект-

ронные

переходы в этих молекулах и пути превращения энергии

возбужденного состояния молекул в энергию их продуктов.

Биофизика

фотобиологических

процессов

изучает закономерно-

сти и механизмы действия оптического излучения на биологиче-

ские

системы различной сложности организации. Под оптическим

понимают ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучения.

Квантовая

биофизика рассматривает:

структуру

электронных

энергетических уровней биомолекул; их донорно-акцепторные

свойства; электронные переходы при поглощении и испускании све-

та веществом; свойства свободных радикалов и механизмы свобод-

норадикальных процессов; механизм хемилюминесценции, обус-

ловленной

процессами превращения энергии, выделяющейся в

ходе

биохимических реакций, в энергию электронно-возбужденных со-

стояний.

В принципе многими из этих вопросов занимается и биофизика

фотобиологических процессов, однако основной задачей ее являет-

ся

выяснение химических превращений электронно-возбужденных

молекул, определение природы первичных лабильных и последую-

щих стабильных фотопродуктов и их реакционной способности.

Другими словами, биофизика фотобиологических процессов рас-

сматривает вопросы, связанные с изучением физико-химических

основ

действия света (в широком смысле этого слова) на биосисте-

мы.

Решение обсуждаемых вопросов представляет значительный

теоретический и практический интерес, в частности для медицины.

Например,

знание отдельных стадий, особенно первичных, воздей-

ствия ультрафиолетовой радиации и видимого света на живые орга-

низмы

- теоретическая и практическая основа фото- и фотохемоте-

рапии.

Эти же знания необходимы при использовании оптического

излучения для регуляции нормальной жизнедеятельности организ-

мов,

а также для регулирования свободнорадикальных реакций при

лечении многих патологических процессов. Фотобиологические ис-

следования способствовали раскрытию механизмов электронно-

конформационных

взаимодействий в биосистемах.

229

Фотобиологические процессы весьма разнообразны: фотосинтез,

зрение,

фоторецепторные реакции, деструктивно-модифицирую-

щее действие оптического излучения и др. Во

всех

фотобиологиче-

ских процессах свет индуцирует фотохимические реакции: энергия

света необходима для преодоления активационных барьеров хими-

ческих превращений биомолекул.

Отдельный фотобиологический процесс представляет собой

сложную последовательность различных стадий: поглощение

энер-

гии

фотона хромофорной группой биомолекулы и образование

электронно-возбужденных состояний системы-* миграция энергии

электронного

возбуждения -» первичный фотофизический акт и по-

явление первичных фотопродуктов •* промежуточные стадии,

включающие перенос заряда -* образование стабильных химиче-

ских продуктов -• физиолого-биохимические процессы -* конечный

фотобиологический эффект. Следовательно, фотобиологическая ре-

акция

имеет в начале чисто физический, а в конце - чисто биологи-

ческий

характер. Последние стадии фотобиологического процесса

относятся

к области физиологии и биохимии, поэтому мы сосредо-

точим свое внимание на анализе первичных и начальных стадий

фотобиологических процессов ввиду их принципиальной общности

для

всех

фотобиологических реакций.

2. Взаимодействие квантов света

с биологически важными соединениями

Для того чтобы данный раствор или вещество поглощали энергию

падающего пучка света, необходимо выполнение ряда условий.

1. Соблюдение энергетических условий. Частота поглощаемого

излучения (v) должна соответствовать выражению Бора: v - (Е2 -

-Ei)/h,

где h - постоянная Планка, равная

6,6256-

10'

Эрг • с; Ei-

энергия

основного состояния молекулы; Ег - энергия возбужденного

ее состояния. Смысл этого уравнения заключается в том, что

энер-

гия

кванта (фотона) поглощается веществом целиком, а не по час-

тям.

Следовательно, Ег-Ei - hv - hc/Д , так как v - с/Д (с - скорость

распространения

света в вакууме, А - длина волны света). Величина

hc/A представляет собой энергию света с длиной волны

, поглоща-

емую

одной молекулой. Умножив ее на число

Авогадро

(6,022-

10 ), получают количество поглощенной энергии на 1 моль веще-

ства, получившей название Эйнштейн.

2. Содержание в падающем пучке света таких фотонов, которые

имели бы возможность взаимодействовать с осциллятором или ро-

татором молекулы. Ротатор - компонент молекулы, связанный с

230