Звідси було зроблено висновок, що мембрана еритроцитів складається з ліпідних молекул, які розташовані у два шари. Модельні ліпідні мембрани Загальна характеристика спеціалізованих мембран нейрони еритроцити

1. Звідси було зроблено висновок, що мембрана еритроцитів складається з ліпідних молекул, які розташовані у два шари.

Очевидно, цей висновок Гортера і Грендела виявився правильним лише завдяки взаємної компенсації помилок, однак у історичному плані ця робота мала велике значення, оскільки з того часу концепція ліпідного бислоя як структурної основи біологічних мембран стала домінуючою і виявилася вірною.

Концепція бімолекулярної ліпідної мембрани отримала подальший розвитоку запропонованій у 1935 р. моделі Девсона-Даніеллі, або моделі "сендвіча", в якій передбачалося, що білки покривають поверхню ліпідного бісла. Це була надзвичайно вдала модель, і протягом наступних 30 років численні експериментальні дані, особливо отримані дифракцією рентгенівських променівта електронної мікроскопії, повністю підтвердили її адекватність. Однак тоді ж виявилося, що мембрани виконують безліч функцій, і щоб пояснити цей феномен, вихідна модель Девсона-Даніеллі неодноразово піддавалася модифікаціям.

Швидкий прогрес у мембранології, внаслідок якого сформувалися сучасні уявлення, було досягнуто значною мірою завдяки успіхам у вивченні властивостей мембранних білків. Електронно-мікроскопічні дослідження із застосуванням методу заморожування-сколювання показали, що в мембрани вбудовані глобулярні частинки. Тим часом біохімікам за допомогою детергентів вдалося дисоціювати мембрани до функціонально активних "частин". Дані спектральних досліджень вказували на те, що для мембранних білків характерний високий вміст а-спіралей і що вони, ймовірно, утворюють глобули, а не розподілені у вигляді моношару на поверхні ліпідного бішару. Неполярні властивості мембранних білків наводили на думку про наявність гідрофобних контактів між білками та внутрішньою неполярною областю ліпідного бислоя. Тоді ж було розроблено методи, що дозволили виявити плинність ліпідного бислоя. Сінгер і Ніколсон звели докупи всі ці ідеї, створивши рідинно-мозаїчну модель. В рамках цієї моделі мембрана представляється як текучий фосфоліпідний бислой, в який занурені білки, що вільно дифузують. Колишня модель Девсона-Даніеллі була статичною і успішно пояснювала структурні дані, що були на той час, отримані з досить низьким дозволом. У той же час, починаючи з 1970 р. велика увагастало приділятися вивченню динамічних властивостей та його взаємозв'язку з мембранними функціями. У Останніми рокамирідинно-мозаїчна модель теж зазнала модифікації, і цей процес триватиме. Зокрема, тепер стало зрозуміло, що не всі мембранні білки вільно дифундують рідкому ліпідному бислое. Є дані про існування латеральних до-j мін у самій мембрані. Ретельно вивчається також роль цитоскелету. Стає все очевидніше, деякі ділянки мембран, мабуть, відрізняються за своєю структурою від класичного ліпідного бислоя. Проте в найближчому майбутньому рідинно-мозаїчна модель в її різних модифікаціях буде служити концептуальною основою для багатьох мембранних досліджень.

3. Морфологія мембран

Важливу роль у з'ясуванні морфології мембран відіграли два методи: дифракція рентгенівських променів та електронна мікроскопія. Саме з їх допомогою було підтверджено правильність бішарової моделі. Однак слід мати на увазі, що при з'ясуванні детальної картини молекулярної організації мембран обидва методи стикаються з рядом обмежень.

3.1 Дифракція рентгенівських променів

При дослідженні високовпорядкованих кристалічних зразків за допомогою методу дифракції рентгенівських променів вдається отримати інформацію про структуру з високою роздільною здатністю. У разі малоупорядкованих препаратів можливості цього методу обмежені. Деякі спеціалізовані мембранні системи вже мають регулярну структуру, тому їх можна вивчати рентгено-структурними методами. Прикладом такого роду є мієлінова оболонка периферичних нервових волокон; вона є мембраною, яка, багаторазово обертаючись навколо аксона, формує регулярну систему з концентричних мембранних структур. Дослідження дифракції рентгенівських променів на мієліну, проведені ще 30-х рр., підтверджують адекватність бішарової моделі мембран. До такого ж висновку призводить і вивчення зовнішнього сегмента паличок сітківки хребетних, які є природними впорядкованими мембранними системами, а також штучно впорядкованими системами, які утворюються при колапсуванні в умовах центрифугування мембранних везикул, отриманих з мітохондрій та еритроцитів. У всіх цих випадках спостерігався подібний розподіл електронної густини в мембрані, показаний на рис.1.4

Для інтерпретації рентгеноструктурних даних необхідно визначити як інтенсивності рефлексів, а й їх фази. У разі регулярно упакованих мембранних систем завдання значно спрощується, оскільки ці системи складаються з елементів, що повторюються з центральною симетрією.

Отримані дані показують, що структура всіх мембран подібна: вони мають внутрішню гідрофобну область з низькою електронною щільністю і два шари полярних угруповань з високою електронною щільністю. Рентгеноструктурні дані, отримані для різних мембран, розрізняються лише незначно, незважаючи на великі відмінності у вмісті білка. Хоча рентгеноструктурні дані дозволяють отримати деяку інформацію про те, як розташована в мембрані основна маса мембранних білків, метод рентгеноструктурного аналізу не дає детальної молекулярної картини.

Вілкінс та ін. зазначили у 1971 р., що метод дифракції рентгенівських променів можна використовувати і для вивчення водних дисперсій мембран та фосфоліпідів. При цьому рефлекси, що породжуються полярними областямина обох сторонах бислоя, дозволяють знайти його товщину, рівну відстані між полярними головками, а по рефлексах, що породжуються впорядкованими вуглеводневими ланцюгами, можна визначити відстань між цими ланцюгами. І в цьому випадку мембранні препарати, одержані з різних джерел, дали подібну дифракційну картину, що підтверджує універсальність бішарової моделі.

Неможливість отримання з допомогою методу дифракції детальної молекулярної картини обмежує застосування цього вивчення вивчення біологічних мембран. Однак він може бути дуже корисним при дослідженні впорядкованих ліпідно-водних систем.

3.2 Електронна мікроскопія

Просвічуюча електронна мікроскопія тонких зрізів мієліну, а фактично і всіх інших мембран, виявляє характерну тришарову структуру, що складається з двох електроноплотних смуг, розділених проміжком близько 80 А. Така картина виходить значною мірою в результаті обробки препаратів чотихокісь осмію, зазвичай застосовується в цьому методі. Робертсон назвав структуру, що спостерігається, "унітарною", щоб підкреслити її універсальність, і хоча молекулярні механізми фарбування мембран осмієм невідомі, ця структура розглядалася як підтвердження справедливості біблійної моделі мембрани. Зрозуміло, однак, що при підготовці препаратів для електронної мікроскопії мембрани, що просвічує, можуть піддаватися несприятливим впливам. Зокрема, відомо, що обробка четирехокисом осмію призводить до значної втрати білка з еритроцитарної мембрани. І хоча тришарова структура, що спостерігається при цьому, в деякій мірі відображає організацію бислойных мембран, більш детальні відомості щодо локалізації білків цим методом отримати не вдається.

Деяку інформацію про розташування мембранних білків дали нові методи, які стали вже "класичними", - методи заморожування-сколювання і заморожування-травлення. У цих випадках препарати швидко заморожують, не піддаючи їх при цьому будь-яким шкідливим впливам, як при отриманні тонких зрізів. Процес підготовки препарату включає такі операції.

Після заморожування зразок, що є суспензією клітин або мембран, сколюють за допомогою ножа при низькій температурі в глибокому вакуумі. Зусилля, що виникають при сколюванні, призводять до утворення зрізу, що проходить через зразок. Виявилося, що коли площина зрізу проходить через мембрану, остання розколюється переважно по своїй серединній області і розщеплюється на дві половинки. В результаті на площинах, що утворилися, скола оголюється внутрішня область мембрани.

При необхідності зразок піддають травленню - проводять звичайну сублімацію льоду у вакуумі. Це дозволяє краще візуалізувати поверхневі структури клітинних мембран.

Після цього одержують так звану репліку з оголеної поверхні. Саме цю репліку вивчають під електронним мікроскопом. Для отримання репліки спочатку напилюють на зразок платину під кутом близько 45 °, щоб виявити топологічні характеристики препарату. Потім платинової репліки надають механічної міцності, нанісши на неї шар вуглецю. Після цього препарат розморожують, репліка спливає, і її виловлюють за допомогою спеціальної сіточки.

Найбільш характерні структури, що спостерігаються при вивченні мембран методом заморожування-сколювання, - це численні внутрішньомембранні частинки діаметром від 80 до 100 А, що лежать у площині мембранних відколів. Зазвичай вони розташовані хаотично, але іноді утворюють групи. Численні дослідження показали, що ці частинки, ймовірно, є мембранними білками. Цікаво, що з електронної мікроскопії тонких зрізів подібні структури не виявляються. Репліки, отримані від двох половинок розщепленої мембрани, який завжди бувають топологічно комплементарними. Це означає, що деякі частинки пов'язані тільки з половиною мембрани. Дані, отримані методом заморожування-сколювання, широко використовували Сінгер і Ніколсон при створенні рідинно-мозаїчної моделі мембран, оскільки вони переконливо показували, що глобулярні білки знаходяться не тільки на поверхні мембрани, але і всередині бислоя.

На рис.1.6 наведено електронну мікрофотографія препарату протеоліпосом, реконструйованих з яєчного фосфатидилхоліну та нефракціонованого препарату білка смуги 3 з мембрани еритроцитів людини; препарат отриманий методом заморожування – сколювання.

Білок смуги 3 є основним білковим компонентом еритроцитів мембрани і, як відомо, здійснює перенесення аніонів. Якщо фосфоліпідні везикули не містять цього білка, отримані препарати заморожених відколів мають гладку поверхню.

При вбудовуванні білка смуги 3 фосфоліпідні везикули на сколах з'являються внутрішньомембранні частинки, практично не відрізняються від частинок, що спостерігаються в мембранах еритроцитів. Більше того, при рН 5,5 частинки, що спостерігаються в мембрані еритроцитів, агрегують, причому ця агрегація здійснюється в результаті взаємодії білка смуги 3 з іншими білками, спектрином і актином.

Останні є компонентами цитоскелета, що знаходяться на внутрішній поверхні еритроцитарної мембрани. Аналогічним чином поводиться і реконструйована система, що складається з білка смуги 3 і фосфатидилхоліну, при цьому агрегація частинок спостерігається в присутності спектрину та актину при рН 5,5 але не при рН 7,6.

Ці дані ще більше зміцнили уявлення про мембранні білки як про глобулярні частинки, що вільно переміщаються в площині мембрани. Цікаво, що статичні мікрофотографії препаратів, отриманих методом заморожування-сколювання, допомогли дослідникам у вивченні динамічних властивостей мембран. Як ми побачимо, у мембранах є багато білків, які не можуть вільно плавати у "ліпідному морі".

4. Виділення мембран

Протягом останніх трьох десятиліть ставало все більш очевидним, що величезна більшість клітинних функційздійснюється за безпосередньою участю мембран.

І рослинні, і тваринні клітини розділені на відсіки, причому багато цитоплазматичних органел, як було показано в разд.1.1, мають мембранну природу.

Крім органел, характерних для більшості клітин, є спеціалізовані мембранні системи, такі, як саркоплазматичний ретикулум м'язових клітин, мієлінова оболонка периферичних нервових волокон, тилакоїдні мембрани хлоропластів і мембрани дисків у паличках сітківки. У прокаріотичних організмів також є мембрани, хоча й настільки розвинені, як в еукаріотичних.

Грампозитивні бактерії, наприклад Bacillus subtilis, мають лише цитоплазматичну мембрану, а грамнегативні, такі як Escherichia coli, - ще й зовнішню, розташовану поверх тонкої пептидогліканової клітинної стінки.

У клітинах прокаріотів виявлено також деякі спеціалізовані органели. Деякі віруси, патогенні для тварин, наприклад віруси з оболонкою, мають справжнісіньку мембрану, причому такі мембрани виявилися надзвичайно цікавими для вивчення.

Дослідження мембран, як правило, пов'язане з їх очищенням, при цьому для кожного типу мембран характерні умови препаративного виділення.

Так, якщо має бути досліджено плазматичну мембрану будь-яких клітин, то спочатку необхідно виділити ці клітини з тканини. Потім потрібно підібрати оптимальні умови руйнування клітин та відділення мембран, що становлять інтерес, від інших клітинних компонентів. Особливої увагизаслуговують на критерії чистоти виділених мембран.

4.1 Руйнування клітин

Бажано вибирати таку методику, яка дозволяє ефективно зруйнувати самі клітини за збереження структури мембран, що підлягають виділенню. Для багатьох тварин клітин можна використовувати таку відносно м'яку процедуру, як гомогенізація в гомогенізаторах Даунса або Поттера-Елвехейма зі скляними стінками та тефлоновим маточкою. При цьому клітини руйнуються за рахунок зсувних зусиль, що виникають при продавлюванні суспензії через вузький проміжок між тефлоновим товкачем і скляною стінкою гомогенізатора. При такій обробці "зривається" плазматична мембрана і руйнуються зв'язки між різними органелами за збереження цілісності самих органел. За допомогою такої процедури можна також відокремити один від одного спеціалізовані ділянки плазматичної мембрани, наприклад, ба-золатеральну або апікальну області мембрани епітеліальних клітин. Бажано працювати в умовах, коли цілісність органел зберігається, щоб звести до мінімуму можливість вивільнення гідролітичних ферментів та полегшити подальші операції з поділу мембран.

Для руйнування клітин, що мають стінку, потрібні жорсткіші методи. Іноді перед руйнуванням клітин їх спочатку обробляють ферментами, що розщеплюють компоненти клітинної стінки, щоб полегшити подальше її руйнування. Так, наприклад, для руйнування клітин Е. coli використовують обробку буфером трис-ЕДТА та лізоцимом. Більш жорсткі прийоми передбачають розтирання клітин, обробку їх ультразвуком та екструзію. Розтирання зазвичай проводять у присутності різних абразивних матеріалів – піску, окису алюмінію або скляних кульок. Малі обсяги матеріалу можна розтирати у ступці за допомогою маточка, але для великих обсягів слід використовувати спеціальні механічні пристрої. Бактеріальні клітини часто руйнують ультразвуком. Вважають, що в цьому випадку руйнація відбувається під дією зсувних зусиль, що виникають внаслідок кавітації. Такі ж зусилля виникають при продавлюванні суспензії клітин через невеликий отвір, наприклад, при руйнуванні клітин за допомогою преса Френча. Існує багато різновидів перерахованих методів, та його вибір залежить від особливостей тієї мембранної системи, яка підлягає вивченню.

Слід зазначити, що мембранні фрагменти, що отримуються при руйнуванні клітин, зазвичай спонтанно утворюють везикули. Як приклад можна навести:

1) мікросоми, одержувані з плазматичної мембрани, ендоплазматичного ретикулуму або спеціалізованих систем, таких як саркоплазматична мембрана;

2) субмітохондріальні частинки із внутрішньої мітохондріальної мембрани;

3) синаптосоми, що утворюються при відриві нервових закінчень у ділянці синаптичних контактів;

4) бактеріальні мембранні везикули, що утворюються із плазматичної мембрани Е. coli. Везикули утворюються і з інших мембранних систем, наприклад, з мембран апарату Гольджі. Їх розмір здебільшого сильно залежить від методу руйнування клітин. Це особливо важливо, оскільки розміри везикул значною мірою визначають швидкість їх седиментації при центрифугуванні та їх поведінку на наступних стадіях очищення мембран. Деякі мембрани не утворюють везикул, зокрема мембрани бічних поверхонь тварин клітин, що стикаються одна з одною. При руйнуванні таких клітин відбувається відрив пари суміжних мембранних фрагментів, які утримуються разом областю контакту. Наявність таких контактів запобігає замиканню фрагментів у везикули, тому мембрани виділяються у вигляді пластин або стрічкоподібних структур.

Велике значенняпри руйнуванні клітин має також правильний вибірсередовища. Наприклад, щоб зберегти замкнутість мембранних органел, слід використовувати таке середовище, яке ізоосмотично їх внутрішньому вмісту. Найчастіше для цього використовують розчин сахарози в концентрації 0,25-0,30 М. У ряді випадків краще використовувати сорбітол та манітол. Слід зазначити, що збереження ізотонічності відіграє важливу роль і наступних стадіях препаративного виділення інтактних органел.

4.2 Поділ мембран

В даний час для поділу мембран найчастіше застосовують центрифугування. Мембранні частинки можна розділити за швидкістю їх седиментації або плавучою щільністю. Перший метод називається зональним центрифугуванням, і поділ відбувається відповідно до значення S, а другий - ізопікнічним центрифугуванням, і поділ відбувається в умовах рівноважної щільності. Насправді зазвичай застосовують якийсь гібрид цих двох методів. На рис.1.7 показано становище деяких субклітинних одиниць на координантній площині "S-g".

По осі абсцис відкладено коефіцієнти седиментації частинок, а по осі ординат - щільність.

Принцип поділу швидкості седиментації можна легко усвідомити, порівнявши значення S для різних фракцій. Наприклад, ядра мають щодо високі значення S, тобто. швидкість їхньої седиментації значно вища, ніж у більшості інших субклітинних органел. Ядра можна вибірково осадити центрифугуванням клітинного гомогенату, причому всі інші органели залишаться в надосадовій рідині. У той же час гладкий і шорсткий ендоплазматичний ретикулум не вдається поділити за допомогою зонального центрифугування.

Для виділення різних мембранних фракцій із клітинного гомогенату часто використовують відмінності у їх щільності. З цією метою проводять центрифугування у градієнті щільності. Найчастіше для створення градієнта густини використовують сахарозу, проте цей метод має серйозні недоліки. Щоб отримати щільність, необхідну для поділу різних мембранних фракцій, необхідно готувати розчини з високою концентрацією сахарози, які мають високу в'язкість і до того ж є гіпертонічними. Внесення субклітинних органел у гіпертонічний розчин сахарози призводить до їх дегідратації, а подальше доведення розчину до ізотонічних умов часто супроводжується лізисом та пошкодженням органел. Інша проблема полягає в тому, що багато мембранних органел проникні для сахарози. Це також може призвести до осмотичного руйнування органел. Проникнення сахарози в мембранні органели, що розділяються, може змінити їх ефективну щільність.

Таблиця 1.1. Фізичні часи все частіше використовують інші середовища для створення градієнта щільності. Деякі з цих середовищ перераховані у табл.1.1

Щоб вирішити ці проблеми, останні властивості градієнтних середовищ.

1. Фікол. Високомолекулярний гідрофільний полімер сахарози, який можна використовувати для отримання розчинів "Щільністю аж до 1,2 г/мл. Основна його перевага полягає в низькому осмотичному тиску розчинів у порівнянні з розчинами з еквівалентною концентрацією сахарози. Завдяки цьому можна створювати розчини, ізотонічні в усьому діапазоні концентрацій завдяки додатковому включенню в середовище сахарози або прийнятних з фізіологічної точки зору солей.

2. Метризамід. Трііодзаміщений бензамід глюкози Розчини метризаміду мають більшу щільність, ніж растори фіколу при тих же концентраціях. Основною перевагою розчинів метризаміду є їх дуже низька в'язкість, що дозволяє прискорити поділ. Метризоат натрію - споріднене метризаміду з'єднання з близькими властивостями, з тією лише відмінністю, що його розчин ізотонічний при концентрації близько 20%. Метризоат натрію використовують насамперед для виділення інтактних клітин. Найкоденз також є похідним триіодбензойної кислоти, але має три гідрофільні бічні ланцюги. При центрифугуванні він швидко утворює власний градієнт щільності; використовується виділення субклітинних органел.

Перколл. Колоїдна суспензія силікагелю, частинки якого покриті полівінілпіролідоном. Це покриття послаблює токсичний вплив силікагелю. Основною перевагою перколу є те, що він не проникає через біологічні мембрани, а його розчини мають низьку в'язкість та низьку осмолярність. Внаслідок великого розміру частинок центрифугування розчину перколу при помірних швидкостях призводить до формування щільності градієнта. Тому поділ зазвичай відбувається дуже швидко. Середовище, що використовується для центрифугування, може бути ізотонічною по всьому об'єму завдяки включенню до неї солей або сахарози. Нескладно створити пологий градієнт, що дозволяє проводити дуже ефективне поділ мембранних фракцій за їхньою плавучою щільністю.

Сорбітол та манітол. Ці речовини іноді використовують замість сахарози, оскільки вони, судячи з опублікованих даних, проникають через деякі біологічні мембрани гірше, ніж сахароза.

Зауважимо, що гліцерол не використовується для створення градієнта густини, оскільки з його допомогою не вдається досягти досить високих значень густини. Солі лужних металів, наприклад CsCl, використовують лише тоді, коли необхідні розчини з високою густиною. Але при цьому слід мати на увазі, що в концентраціях, необхідних для створення рівноважної щільності, ці солі часто надають шкідливу дію на мембранні органели.

Для виділення мембран із клітинних гомогенатів використовуються й інші методи, хоч і не так часто, як центрифугування.

1. Фазовий розподіл. У цьому випадку поділ мембранних частинок відбувається відповідно до їх поверхневих властивостей. З цією метою формують два шари, що не змішуються. водних розчиніврізних водорозчинних полімерів. Як приклад можна навести суміші поліетиленглікольдекстран та декстранфікол. Мембранні частинки поділяються відповідно до їх спорідненості до цих фаз. Останні можна підбирати так, щоб розділяти мембрани за поверхневим зарядом або гідрофобністю.

Безперервний електрофорез у вільному потоці. У цьому випадку поділ частинок відбувається відповідно до їх електричного заряду. Препарат, що розділяється, безперервно вводять у тонкий шар буфера, що стікає по вертикальній стінці. При цьому перпендикулярно до напрямку потоку прикладають електричне поле. Таким чином, електрофоретичний поділ частинок відбувається поперек буфера, що стікає, який збирається на дні камери у вигляді окремих фракцій.

Афінна адсорбція. Поділ заснований на біоспецифічній взаємодії між мембранними компонентами та твердою фазою. З відкриттям моноклональних антитіл з'явилася можливість створення препаративних методик, що ґрунтуються на використанні специфічних антигенних компонентів для виділення мембран. Отримані антитіла можна ковалентно приєднувати до твердого носія та з їх допомогою здійснювати специфічне зв'язування відповідних мембран. Найчастіше цей метод використовується виділення мембранних білків. Одна з проблем, що тут виникають, пов'язана з підбором таких умов елюювання мембран, які не викликали б денатурації білків.

Метод, що ґрунтується на використанні мікрогранул силікагелю. Зазвичай частку плазматичних мембран доводиться трохи більше 1°7о загальної маси всіх мембран еукаріотичних клітин. Тому виділення абсолютно чистих плазматичних мембран пов'язані з великими труднощами. Один з підходів, розроблений спеціально для виділення плазматичних мембран, заснований на використанні катіонізованих мікрогранул селікагелю. Ці гранули міцно адсорбуються на зовнішній поверхні плазматичної мембрани інтактних клітин, і фракція плазматичних мембран, пов'язаних з гранулами, легко відокремлюється в градієнті густини сахарози від інших мембран за рахунок більш високої густини гранул. Особливістю цього методу є те, що в препараті, що одержується, плазматична мембрана своєю внутрішньою поверхнею звернена в розчин.

4.3 Критерії чистоти мембранних фракцій

Мабуть, найбільш об'єктивним критерієм чистоти виділеної мембранної фракції є присутність у ній будь-якого унікального компонента, що міститься лише у цій мембрані чи є у ній переважним. Зазвичай такими компонентами є ферменти, які в даному випадку називають маркерами. Список маркерних ферментів, які використовуються для контролю чистоти мембранних фракцій, наведено в табл.1.2 При визначенні активності ферменту слід брати до уваги, що він може перебувати в латентній формі, наприклад, завдяки тому, що локалізується на внутрішній поверхні мембранних везикул. Інші проблеми, пов'язані з оцінкою чистоти виділених мембран, розглянуті у огляді. Слід зазначити, що рекомендовані методи здебільшого досить добре відпрацьовані та стандартизовані.

У ряді випадків зручнішими мембранними маркерами є не ферменти, а специфічні рецептори лектинів, гормонів, токсинів або антитіл. Якщо системи, що вивчаються, добре охарактеризовані, то про чистоту мембранної фракції можна судити з її білкового складу, Який визначається за допомогою електрофорезу в полиак-риламідному гелі в присутності додецилсульфату натрію Наприклад, зовнішня мембрана грамнегативних бактерій має характерний набір поліпептидів, яких немає у цитоплазматичній мембрані.

Таблиця 1.2 Маркери, що використовуються для контролю чистоти мембранних фракцій, що виділяються з клітин ссавців

Мембранна фракція	Маркерний фермент
Плазматичні мембрани	5"-Нуклеотидаза
	Лужна фосфодіестераза
	Na */К + -АТРаза (базолатераль-
	ня мембрана епітеліальних
	клітин)
	Аденілатциклаза (базальна
	мембрана гепатоцитів)
	Амінопептидаза (мембрана)
	щіткової облямівки епітелію)
Мітохондрії (внутрішня	Цитохром с-оксидаза
мембрана)	Сукцинат-цитохром с-оксидо-
	редуктаза
Мітохондрії (зовнішня	Моноамінооксидаза
мембрана)
Лізосоми	Кисла фосфатаза
	0-Галактозндаза
Пероксисоми	Каталаза
	Уратоксидаза
	Оксидаза D-амінокислот
Мембрани аппрата	Галактозилтрансфераза
Гольджі
Ендоплазматичний	Глюкозо-6-фосфатаза
ретикулум	Холінфосфотрансфераза
	NADPH-цитохром з-оксидо-
	редуктаза
Цитозоль	Лактатдегідрогеназа

До інших критеріїв, за якими можна судити про чистоту мембран, відносяться їх морфологія, що виявляється за допомогою електронної мікроскопії, та особливості хімічного складу. Наприклад, фракції, що представляють плазматичну мембрану, апарат Гольджі або мітохондрії, можна ідентифікувати за їх морфологією. У деяких випадках препарат характеризують вмістом у ньому холестеролу. Наприклад, у мембранах мітохондрії міститься набагато менше холестеролу, ніж у мембранах апарату Гольджі та плазматичних мембранах.

Молекул детергенту посідає одну міцеллу. У мембранних дослідженнях використовують досить обмежене коло детергентів. У табл. 1 представлені ті з них, які найчастіше застосовуються для солюбилізації та реконструкції мембран. Для цих детергентів характерні досить високі значення ККМ (10-4-10-2 М) і те, що вони відносяться до розряду так званих м'яких детергентів.

Формування бислоя є особливою властивістю молекул ліпідів і реалізується навіть поза клітиною. Найважливіші властивості бислоя: - здатність до самоскладання - плинність - асиметричність. 1.2. Хоча основні властивості біологічних мембран визначаються властивостями ліпідного бісла, але більшість специфічних функцій забезпечується мембранними білками. Більшість із них пронизують бислой у вигляді одиночної...

Ліпосоми являють собою до певної міри прообраа клітини. Вони служать моделлю для досліджень раальних властивостей клітинних мембран.

Ліпосоми знайшли безпосереднє застосування у медицині. Наприклад, можна ааключити всередину ліпосом лікарський препарат і використовувати як фосфоліпндну мікрокапсулу для доставки ліків у певні органи і тканини. Ліпосоми не токсичні (при правильному доборі ліпідів), що повністю засвоюються органіамом, здатні долати деякі біологічні бар'єри. Так, інсулін, включений у ліпосому, захищається від дії травних ферментів. В даний час з'ясовується можливість вводити цей препарат у ліпосомах перорально, що може набавити хворих на діабет від необхідності систематичних уколів. Проводяться роботи з розробки методів лнпосомальної терапії пухлин, ферментативної недостатності, атеросклероаа. Навчається можливість прицільної доставки лікарського препарату, включеного в ліпосомах, до хворого органу або навіть до хворої ділянки (зокрема, до ураженої ділянки серця).

Для цього до ліпосоми приєднується білкова молекулаантитіло до відповідного мембранного антигену органу-мішені. Ліпосоми зі струмом крові рааносятся по всьому органіаму і аатримуються, опинившись біля органу-мішені.

Незважаючи на оманливі перспективи ліпосомальної терапії, ще є чимало невирішених питань. Ы ~Уре

з Ряс. 1. 12. Вирощування плоскої бислойной ліліаної мембрани

Плоскі биелойиие ліпіді мембрани (БЛМ) - інший тип модельних мембран. Такі мембрани отримують на маленьких отворах діаметром близько 1 мм в пластинці і в пластику (наприклад, фторопласту), зануреної в водне середовище. На отвір наносять краплю розчину ліпіду (у спирті, хлороформі, гептаїї або інших розчинниках). Розчинник дифундує верб розчину у воду, і на отворі залишається плівка ліпіду. Ця плювка спонтанно витончується до тих пір, поки не утворюється бимолекулярний шар товщиною близько 6 нм. Зайва лінія збирається у вигляді обідка-торуса біля країв отвору (рис. 1.12).

Плоскі ліпідні мембрани, поряд з ліпосомами, широко використовуються як моделі для навчання електричних властивостей мембрани, їх проникності та інших. наукових досліджень. За допомогою модельних мембран навчають ряд функцій біологічних мембран, у тому числі бар'єрну (наприклад, селективність проникності - хорошу проникність для води і погану для іонів). Можна моделювати біологічний транспорт, вводячи в модельну мембрану молекули-переносники.

КОНТРОЛЬНИЙ ПИТАННЯ, ЗАВДАННЯ, ЗАВДАННЯ

1. Питома електрична ємність мембрани аксона, неміряна внутрішньоклітинним мікроелектродом, виявлялася рівною 0,5 мікрофарад/см". За формулою плоского конденсатора оцінити товщину гідрофобого шару мембрани з діелектричною проникністю 2.

2. Яку відстань на поверхні мембрани еритроцита проходить молекула фосфолнпіду еа 1 секунду в рееультаті латеральної дифузії Коефіцієнт латеральної дифузії прийняти рівним 10 1е м" / с. Порівняйте з колом еритроцита діаметром 8 мкм.

3. При фаеовому переході мембранних фосфоліпідів иэ рідкокристалічного стану в гель товщина бислоя і еменяется. Як при цьому пепелиться електрична ємність мембрани.

4. За допомогою спін-мічених молекул фосфоліпідів встановлений градієнт в'якощі по товщині мембрани. Опишіть експеримент. Де в'якість вище: у поверхні мембрани або в її центрі.

Кров та еритроцити. Продовжуємо публікацію матеріалів про кров.

Який вигляд має еритроцит? За нормальних фізіологічних умов у кров'яному руслі еритроцити мають двояковогнуту форму з рівномірними потовщеннями по краях і з більш світлою частиною – пелором.

При світлооптичному дослідженні рутинно забарвлений кислими барвниками нормальний еритроцит має форму диска діаметром 69-77 і до 90 мкм. Залежно від розмірів еритроцити поділяються на мікро- і макроцити, але переважна більшість їх представлена нормоцитами/дискоцитами.

Морфофункційні властивості еритроциту

Еритроцит - без'ядерна двояковогнута клітина середнім об'ємом 90,0 мкм 3 і площею 142 мкм 2 . Найбільша його товщина 2,4 мкм, мінімальна – 1 мкм.

У висушеному препараті середній розмір еритроциту дорівнює 755 мкм; 95% його сухої речовини посідає залізовмісний білок гемоглобін і лише 5 % – інших речовин (інші білки і ліпіди). Такі клітини становлять абсолютну більшість – понад 85% – еритроцитів здорової людини.

Ядерні форми еритроцитарного паростка легко відрізняються від більшості клітин лейкоцитарного ряду відсутністю в їх цитоплазмі гранул (помилки можливі лише за ідентифікації бластних клітин). Еритробласти відрізняються більш гранульованим та щільним ядерним хроматином.

На центральну западину (пелор) диска еритроцита припадає від 35 до 55 % його поверхні, і на поперечному зрізі еритроцит має форму бублика, що з одного боку забезпечує їм збереження гемоглобіну і, з іншого – дозволяє еритроциту проходити навіть через найтонші капіляри. Наявні до теперішнього часу моделі будови еритроциту відповідають уявленню про специфічні властивості цієї клітини, особливо його оболонки, що забезпечує, при всій її чутливості до деформуючого тиску, протистояння згину та зростання сумарної поверхні.

Дані літератури свідчать, що розміри та деформованість мембрани еритроцитів є їх найважливішими характеристиками, з якими пов'язують нормальне функціонування цих клітин, зокрема високу міграційну можливість, участь в обмінних процесах (насамперед – обміні кисню).

Зміна мікроеластометричних властивостей еритроцитів та «перетворення» дискоцитів на інші морфологічні форми можуть викликати різні агенти. Так, поява поверхневих виростів призводить до зменшення еластичності мембрани, що, можливо, обумовлено протилежними силами, що виникають у процесі деформації еритроциту; деформація посилюється при зменшенні концентрації у клітинах АТФ.

Якщо цілісність мембрани клітини порушується, то еритроцит втрачає характерну йому форму і перетворюється на сферопласт, який, своєю чергою, гемолізується. Структура мембрани еритроциту (дискоциту) однакова протягом усього; і незважаючи на те, що западини та опуклості можуть виникати в її різних ділянках, зміни внутрішньо- або позаклітинного тиску з розкидом ±15 % не викликає зморщування всієї клітини, оскільки вона має значний запас антидеформабельності. Мембрана еритроциту має достатню еластичність, щоб протистояти впливу різноманітних факторів, що виникають під час циркуляції еритроциту кров'яним руслом.

До складу мембрани еритроциту входять: фосфоліпіди (36,3%), сфінгомієліни (29,6%), холестерин (22,2%) та гліколіпіди (11,9%). Перші два елементи є амфіфільні молекули у водному середовищі, що формують характерний ліпідний бислой, який до того ж пронизується інтегральними молекулами білків, пов'язаних усередині еритроциту з його цитоскелетом.

Мембранні ліпіди перебувають у рідкому стані, мають незначну в'язкість (всього в 10-100 разів перевищує в'язкість води). На зовнішній поверхні мембрани розташовані ліпіди, сіалова кислота, антигенні олігосахариди, адсорбовані білки; внутрішня поверхня мембрани представлена гліколітичними ферментами, натрієм та кальцієм, АТФазою, глікопротеїнами та гемоглобіном.

Подвійний ліпідний шар мембрани виконує три функції: функцію бар'єру для іонів та молекул, структурну основу для функціонування рецепторів та ферментів (білків, глікопротеїнів, гліколіпідів) та механічну. У здійсненні спеціалізованої, дихальної функції – переносі кисню або двоокису вуглецю – основну роль відіграють білки мембрани, «вбудовані» в ліпідний бішар. Зрілі еритроцити не здатні до синтезу нуклеїнових кислот та гемоглобіну; їм характерний низький рівень обміну, що забезпечує досить тривалий період життя цих клітин (120 діб).

У міру старіння еритроциту площа його поверхні зменшується, тоді як вміст гемоглобіну залишається без зміни. Встановлено, що в «зрілому» віці еритроцити довго зберігають сталість хімічного складу, але в міру старіння клітин вміст у них хімічних речовинпоступово знижується. Цитоскелет еритроциту утворюється і контролюється мультигенними та асоційованими з мембраною «родинами» білків, що організують спеціалізовані мембранні домени, що підтримують функцію та форму цієї строго спеціалізованої клітини.

Електричний потенціал еритроциту

Мембрана еритроциту містить 50% протеїну, до 45% ліпідів та до 10% вуглеводів. На поверхні інтактних клітин «мережевий» розподіл зарядів визначається глікопротеїдом, що містить сіалову (нейтрамінову) кислоту, яка зумовлює до 62% поверхневого негативного заряду клітини.

Вважають, що кожен електричний зарядвідповідає 1 молекулі цієї кислоти. Втрата поверхнею еритроциту сіалової кислоти призводить до зниження його електрофоретичної рухливості (ЕФП) та придушення транспорту катіонів. Отже, на поверхні клітин існує мозаїка зарядів, що визначається катіонними та аніонними групами, співвідношення яких і визначає загальний електричний заряд еритроцитів.

Для підтримки оптимального стану гомеостазу формені елементи крові повинні мати стабільний заряд. Висока стабільність ЕФП забезпечується тонким механізмом її регуляції – збалансованості процесів перекисного окислення ліпідів (ПОЛ) у мембранах еритроцитів та захисної дії антиоксидантної системи.

Емпірично встановлено, що на мембрані еритроцитів розташовуються рецептори антитіл, і наявність на поверхні навіть невеликої їх кількості може порушити нормальні фізіологічні функції в організмі і змінити ЕФП еритроцитів. Це може впливати на рівень вмісту гемоглобіну в останніх, оскільки вміст гемоглобіну та ЕФП строго скоординований.

Необхідно також враховувати, що за екстремальних впливів на організм негативних чинників продукти перикисного окислення ліпідів впливають на електрокінетичні властивості еритроцитів. У свою чергу, це відбивається на швидкості перебігу перикисних процесів у їх мембранах.

Завдяки електростатичному відштовхуванню («розпору» по Чижевському) однойменно заряджених клітин еритроцитів останні безперешкодно рухаються кровоносними судинами, виконуючи свою киснево-транспортну функцію. Тому порушення стабільності заряду вважатимуться інтегральним показником патологічних зрушень в організмі.

Ліпосоми, або фосфоліпідні везикули (бульбашки), отримують зазвичай при набуханні сухих фосфоліпідів у воді або при впорскуванні розчину ліпідів у воду. При цьому відбувається самоскладання бімолекулярної ліпідної мембрани. Мінімуму енергії Гіббса відповідає замкнута сферична одноламелярна форма мембрани. При цьому всі неполярні гідрофобні хвости знаходяться всередині мембрани і жоден з них не торкається полярних молекул води (рис. 1.11). Однак частіше виходять несферичні багатоламелярні ліпосоми, що складаються з декількох бімолекулярних шарів, - багатошарові ліпосоми.

Мал. 1.11.Схема будови одношарової ліпосоми

Окремі бімолекулярні шари багатошарової ліпосоми відокремлені водним середовищем. Товщина ліпідних шарів становить, залежно від природи ліпідів, 6,5 – 7,5 нм, а відстань між ними – 1,5 – 2 нм. Діаметр багатошарових ліпосом коливається від 60 нм до 400 нм і більше.

Одношарові ліпосоми можна отримати різними методами, наприклад, із суспензії багатошарових ліпосом, якщо обробити їх ультразвуком. Діаметр одношарових ліпосом, одержаних цим методом, становить 25-30 нм. Розроблено та інші методи отримання одношарових ліпосом, у тому числі діаметром до 400 нм та більше.

Ліпосоми є певною мірою прообраз клітини. Вони є моделлю для досліджень різних властивостей клітинних мембран.

Ліпосоми знайшли безпосереднє застосування у медицині. Наприклад, можна укласти внутрішньо ліпосом лікарський препарат і використовувати як фосфоліпідну мікрокапсулу для доставки ліків у певні органи та тканини. Ліпосоми не токсичні (при правильному доборі ліпідів), що повністю засвоюються організмом, здатні долати деякі біологічні бар'єри. Так, інсулін, укладений у ліпосому, захищений від дії травних ферментів. В даний час з'ясовується можливість вводити цей препарат у ліпосомах перорально, що може позбавити хворих на діабет необхідності систематичних уколів. Проводяться роботи з розробки методів ліпосомальної терапії пухлин, ферментативної недостатності, атеросклерозу. Вивчається можливість прицільної доставки лікарського препарату, укладеного в ліпосомах, до хворого органу або навіть до хворої ділянки (зокрема до ураженої ділянки серця).

Для цього до ліпосоми приєднується білкова молекула-антитіло до відповідного мембранного антигену органу-мішені. Ліпосоми зі струмом крові розносяться по всьому організму і затримуються, опинившись біля органу-мішені.

Незважаючи на привабливі перспективи ліпосомальної терапії, ще є чимало невирішених питань.

Мал. 1.12.Утворення плоскої бішарової ліпідної мембрани

Плоскі бішарові ліпідні мембрани (БЛМ)інший тип модельних мембран. Такі мембрани отримують на маленьких отворах діаметром близько 1 мм у пластинці із пластику (наприклад, фторопласту), зануреної у водне середовище. На отвір наносять краплю розчину ліпіду (у спирті), хлороформі, гептані або інших розчинниках). Розчинник дифундує із розчину у воду, і на отворі залишається плівка ліпіду. Ця плівка спонтанно витончується доти, доки не утворюється бимолекулярний шар завтовшки близько 6 нм. Зайвий ліпід збирається у вигляді обідка-торуса біля країв отвору (рис. 1.12).

Плоскі ліпідні мембрани, поряд з ліпосомами, широко використовуються як моделі для вивчення електричних властивостей мембрани, їх проникності та інших наукових досліджень. За допомогою модельних мембран вивчають ряд функцій біологічних мембран, у тому числі бар'єрну (наприклад, селективність проникності - хорошу проникність для води і погану для іонів). Можна моделювати біологічний транспорт, вводячи в модельну мембрану молекули-переносники.

Контрольні питання, завдання, завдання

1. Питома електрична ємність мембрани аксона, виміряна внутрішньоклітинним мікроелектродом, дорівнювала 0,5 мікрофарад/см 2 . За формулою плоского конденсатора оцінити товщину гідрофобного шару мембрани з діелектричною проникністю 2.

2. Яка відстань на поверхні мембрани еритроциту проходить молекула фосфоліпіду за 1 секунду внаслідок латеральної дифузії? Коефіцієнт латеральної дифузії прийняти рівним 10-12 м 2 /с. Порівняйте з колом еритроцита діаметром 8 мкм.

3. При фазовому переході мембранних фосфоліпідів із рідкокристалічного стану в гель товщина бислоя змінюється. Як зміниться електрична ємність мембрани? Як зміниться напруженість електричного поля у мембрані?

4. За допомогою спін-мічених молекул фосфоліпідів встановлено градієнт в'язкості по товщині мембрани. Опишіть експеримент. Де в'язкість вища: біля поверхні мембрани чи в її центрі?

типові тести поточного контролю

1.1. Товщина біологічної мембрани:

1. 10 А 3.0,1 мкм

2. 10 нм 4. 10 мкм

1.2. Рідинно-мозаїчна модель біологічної мембрани включає:

1. білковий шар, полісахариди та поверхневі ліпіди!

2. ліпідний моношар та холестерин

3. ліпідний бішар, білки, мікрофіламенти

4. ліпідний бішар

1.3. Ліпідна частина біологічної мембрани знаходиться в наступному фізичному стані:

1. рідкому аморфному

2. твердому кристалічному

3. твердому аморфному

4. рідкокристалічним

1.4. Питома електрична ємність мембрани аксону:

1. 0,5 10 -4 Ф/м 2 3. 0,5 10 -2 Ф/см 2

2. 0,5 Ю -2 Ф/м 2 4. 0,5 10 -12 Ф/м 2

1.5. Характерний час перенесення молекули фосфоліпідоф з одного положення рівноваги до іншого при їх дифузії:

латеральна фліп-флоп

1. 10 -7 – 10 -8 ~1 год

2. 10 -10 - 10 -12 10 -7 - 10 -8 с

3. 1 – 2 години 10 – 50 с

1.6. Фазовий перехід ліпідного бішару мембран з рідкокристалічного стану в гель супроводжується:

1. утонипінням мембрани

2. товщина мембрани не змінюється

3. потовщенням мембрани

РОЗДІЛ 2. ТРАНСПОРТ РЕЧОВИН ЧЕРЕЗ БІОЛОГІЧНІ МЕМБРАНИ

Живі системи всіх рівнях організації - відкриті системи. Тому транспорт речовин через біологічні мембрани - необхідна умоважиття. З перенесенням речовин через мембрани пов'язані процеси метаболізму клітини, біоенергетичні процеси, утворення біопотенціалів, генерація нервового імпульсу та ін. Порушення транспорту речовин через біомембрани призводить до різних патологій. Лікування часто пов'язане із проникненням ліків через клітинні мембрани. Ефективність лікарського засобу значною мірою залежить від проникності йому мембрани.

p align="justify"> Велике значення для опису транспорту речовин має поняття електрохімічного потенціалу.

Хімічним потенціалом даної речовини μ до називається величина, чисельно рівна енергії Гіббса, що припадає на один моль цієї речовини. Математично хімічний потенціал визначається як приватна похідна від енергії Гіббса G за кількістю k-ro речовини, при сталості температури Т, тиску Р та кількостей інших речовин m 1 (l≠k):

Для розведеного розчину концентрації речовини:

де μ Q - стандартний хімічний потенціал, чисельно рівний хімічному потенціалу даної речовини при його концентрації 1 моль/л у розчині.

p align="justify"> Електрохімічний потенціал μ - величина, чисельно рівна енергії Гіббса G на один моль даної речовини, поміщеної в електричному полі.

Для розбавлених розчинів

де F = 96500 Кл/моль - число Фарадея, Z - заряд іона електроліту (в елементарних одиницях заряду), - потенціал електричного поля, Т [К] - температура.

Транспорт речовин через біологічні мембрани можна поділити на два основні типи: пасивний та активний.

2. Яка відстань на поверхні мембрани еритроциту проходить молекула фосфоліпіду за 1 секунду внаслідок латеральної дифузії? Коефіцієнт латеральної дифузії прийняти рівним 10 -12 м2/с. Порівняйте з колом еритроцита діаметром 8 мкм.

4. Як зміниться електрична ємність мембрани (питома) при її переході з рідкокристалічного стану в гель, якщо відомо

5. Розрахуйте час осілого життяі частоту перескоків з одного мембранного шару в інший ліпідів мембран саркоплазматичного ретикулума, якщо коефіцієнт латеріальної дифузії D=12 мкм 2 /c, площа, що займає одна молекула фосфоліпіду А=0,7 нм 2 .

6. Розрахуйте коефіцієнт проникності речовини, потік якого через мембрану моль/м . Концентрація речовини всередині клітини, а зовні – моль/л.

7. У скільки разів внутрішньоклітинна концентрація іонів калію повинна перевищувати зовнішню, щоб потенціал спокою становив 91мВ. Обчисліть температуру клітини.

8. Розрахуйте коефіцієнт розподілу До речовини, якщо за товщині мембрани 10нм коефіцієнт дифузії 7,2*10 див , а коефіцієнт проникності 14см/с.

9. Різниця концентрацій молекул речовини на мембрані деякої клітини дорівнює 48ммоль/л, коефіцієнт розподілу між мембраною та навколишнім середовищем 30, коефіцієнт дифузії 1,5*10, щільність потоку 25моль/м . Розрахуйте товщину цієї мембрани.

10. Знайдіть коефіцієнт проникності плазматичної мембрани Mycoplasma, для формаміду, якщо при різниці концетрацій цієї речовини всередині та зовні мембрани, що дорівнює 0,5*10 , щільність потоку його через мембрану дорівнює 8*10 см/с.

17. Критичний радіус ліпідної пори в мембрані залежить від крайового натягу пори , поверхневого натягу мембрани  та мембранного потенціалу. Виведіть формулу для критичного радіусу пори. Розрахуйте критичний радіус пори за відсутності мембранного потенціалу. Прийняти крайовий натяг пори 10 – 11 Н, поверхневий натяг ліпідного бісла 0,3 мН/м.

18. При фазовому переході мембранних фосфоліпідів з рідкокристалічного стану гель товщина бислоя змінюється. Як зміниться електрична ємність мембрани? Як зміниться напруженість електричного поля у мембрані?
19. При фазовому переході мембранних фосфоліпідів з рідкокристалічного стану в гель товщина бислоя змінюється. Як зміниться електрична ємність мембрани? Як зміниться напруженість електричного поля у мембрані?

20. Як зміниться електрична ємність мембрани (питома) при її переході з рідкокристалічного стану в гель, якщо відомо, що в рідкокристалічному стані товщина гідрофобного шару становить 3,9 нм, а в стані гелю - 4,7 нм. Діелектрична проникність ліпідів  2.

21. Осмотичний тиск крові людини становить 0,77 МПа. Скільки молей солі NaCl повинен містити ізотонічний фізіологічний розчин 200 мл води при температурі 37 0 С?

22. При повторній реєстрації спектра ЯМР одного і того ж зразка змінилася температура, лінії спектра при цьому стали вужчими. В який бік змінилася температура: знизилася чи підвищилася?

23. Знайти довжину електромагнітної хвилі, коли він виникає ЕПР в магнітному полі з магнітною індукцією 0,3Тл. Прийняти фактор Ланді рівним двом.

24. По контуру радіусом 0,5 м протікає струм. Знайдіть силу цього струму, якщо відомо, що магнітний момент контуру Б.

26. Визначте потужність теплового випромінюванняроздягненої людини з S = 1 м 2 поверхні тіла, якщо температура шкіри t 1 =30 0 C, довкілля- t 2 = 20 0 C. Коефіцієнт поглинання шкіри k = 0,9

27. Інтенсивність випромінювання тіла людини збільшилась на 2,62 %. Наскільки відсотків зросла температура.

28. Визначте довжину хвилі , що відповідає максимуму спектральної щільностіенергетичної світності тіла людини, вважаючи її сірим тілом. Температура шкіри t=30°C.

29. Визначте натуральний молярний показник поглинання речовин, якщо за його концентрації в розчині з=0,03 моль/л оптична щільністьрозчину складає D=1. Довжина кювети l = 2 див.

30. Спостерігаючи під мікроскопом рух еритроцитів у капілярі, можна виміряти швидкість перебігу крові (). Середня швидкістьструму крові в аорті становить. На підставі цих даних визначити, у скільки разів сума всіх функціонуючих капілярів більша за переріз аорти.

31. Розрахуйте межу роздільної здатності z електронного мікроскопа, якщо прискорювальна напруга в ньому U=100 кВ, апертурний кут u=10 -2 рад.

32. Обчислити в'язкість крові при нормальному гематокриті (з=45%), якщо в'язкість плазми становить

33. Обчисліть максимальний хвилинний об'єм Q max крові, при якому перебіг крові в аорті залишається ламінарним. Діаметр аорти d=2 cм, в'язкість крові, щільність, критичне значення числа Рейнольдса Re кр =2000.

34. Швидкість поширення пульсової хвилі артерією становить v=10 м/c. Визначте модуль пружності артерії Е, якщо товщина її стінки h=0,7 мм, внутрішній діаметр d=8 мм, щільність крові

35. Радіус аорти дорівнює 1,0см; швидкість перебігу крові в аорті становить 30 см/с. Чому дорівнює швидкість перебігу крові в капілярах, якщо сумарна площа перерізу капіллчрів дорівнює 2000 см 2 . (Діаметр кожного капіляра прийняти як , а число капілярів більше мільйона).

36. У медицині визначення швидкості руху окремих біологічних структур (наприклад, крові, клапанів серця) використовується ефект Доплера. Як пов'язана зміна частоти ультразвукового сигналу при відображенні від предмета, що рухається, з його швидкістю?

37. До поршня горизонтально розташованого шприца прикладена сила F=10 Н. Визначте швидкість v закінчення ліки з голки шприца, якщо щільність ліки , діаметр поршня d=7 мм, причому його площа набагато більша за площу поперечного перерізу голки.

38. З якою швидкістю v спливає бульбашка повітря діаметром d=4 мм у посудині, наповненій гліцерином? Кінематична в'язкістьгліцерину, його щільність набагато більша за щільність повітря.

39. При деяких захворюваннях критичне число Рейнольдса в судинах дорівнюватиме 1160. Знайдіть швидкість руху крові, при якій можливий перехід ламінарної течії в турбулентну в посудині діаметром 2мм.

40. Рівень гучності звуку дорівнює 120 фон, а тихого розмови – тому ж відстані – 41. фон. Визначити ставлення інтенсивностей.

42. Інтенсивність звуку 10-2 Вт/м2. Знайти звуковий тиск, якщо акустичне опір середовища (повітря) 420 кг/м2с.

43. Визначити амплітудне значення звукового тиску для чистого тону частотою 1000 Гц, коли може наступити розрив барабанної перетинки, якщо розрив настає за рівня гучності L E = 160 фон. (Відповідь висловити в паскалях та в атм.)

44. Електронагрівач в установці для термічної обробки лікарської сировини за 10 хв випаровує 1 л води, в'язкої при температурі 20 0 С. Визначте довжину ніхромового дроту перетином 0,5 мм 2 , враховуючи, що установка живиться напругою 120 В та її ККД ?

45. Інтенсивність світла, що пройшло через розчин аспірину в розчиннику, що не поглинає, зменшується за рахунок поглинання в три рази. Концентрація молекул аспірин n 0 =10 20 м-3. Шлях світла у розчині =150 мм. Визначте ефективний переріз поглинання аспірину.

46. Визначте різницю фаз у пульсової хвилі між двома точками артерії, розташованими з відривом друг від друга , вважаючи швидкість пульсової хвилі дорівнює v=10 м/c, коливання серця – гармонійними з частотою =1,2 Гц.

49. Для нагрівання м'язової тканини на плоске електроди подається напруга з амплітудою U 0 =250 і частотою =10 6 Гц. Активний опір цієї ділянки ланцюга R=10 3 Ом; ємність С= Ф. Визначте кількість тепла, що виділилося в об'ємі тканини між електродами за період коливань Т та за час процедури t=10 хв.

50. Іонофорез застосовується для введення лікарських речовин у тіло людини. Визначте кількість одноразово іонізованих іонів лікарської речовини, Введений хворому за час t = 10 хв при щільності струму 0,05 мА/см 2 з електрода площею S = 5 см 2

ПИТАННЯ ІСПИТУ

Біологічні мембрани Види біологічних мембран та їх функції.
Види мембранних ліпідів та їх властивості. Бислойные ліпідні структури.
холестерин. Динаміка ліпідів у мембрані. Фазові переходиу мембрані.
Мембранні білки. Види та функції мембранних білків.
Структура біологічних мембран.
Штучні мембрани. Ліпосоми.
Методи дослідження структури мембран.
Капілярні явища, їх значення у біології та медицині. Газова емболія.
Транспорт речовин через біологічні мембрани. Способи проникнення речовин у клітину.
Види транспорту. Проста дифузія.
Транспорт неелектроліт через біологічні мембрани.
Основні механізми пасивного транспорту.
Транспорт іонів. Іонний транспорт речовин у каналах.
Механізми проникності біологічних мембран. Будова та функції іонних каналів та переносників. Механізми електрогенезу.
Активний транспорт крізь біологічні мембрани.
Молекулярні механізми електрохімічних потенціалів мембран та поширення нервового імпульсу вздовж збудливого волокна.
Поняття електрозбудливості . Потенціали спокою .
Методи виміру мембранного потенціалу. Мікроелектродна техніка.
Потенціал дії . Механізм генерації та поширення потенціалу дії.
Методи вивчення молекулярних механізмів електромеханічних потенціалів мембран.
Поширення нервового імпульсу вздовж збуджуваного волокна.
Датчик медико-біологічної інформації. Типи датчиків.
Призначення та класифікація датчиків, характеристики.
Термоелектричні явища в металах та напівпровідниках.
Градуювання термодатчиків та визначення температури речовини.
Електроди для знімання біоелектричного сигналу.
Іонні струми у моделі Ходжкіна – Хакслі.
Іонні канали в клітинних мембран. Структура іонного каналу.
Механізм генерації потенціалу дії кардіоміоцитів.
Мембранні потенціали. Потенціал дії серцевої клітки.
Фізичні засади електрокардіографії. Пристрій, принцип роботи електрокардіографа. Основні підходи до реєстрації ЕКГ.
Реєстрація ЕКГ та принципи аналізу.
Електроенцефалографія. Основні ритми ЕЕГ. Їхнє функціональне значення.
Реєстрація ЕЕГ та принципи аналізу. Функціональні проби.
Основні типи електричної активності пірамідних нейронів.

36. Закономірності поглинання світла біологічними системами.

37. Енергетичні рівні молекул (електронна, коливальна та обертальна енергіямолекул).

38. Електронні переходи при поглинанні світла.

39. Спектри поглинання молекул деяких біологічно важливих сполук.

40. Методи дослідження фотобіологічних процесів з допомогою спектрів.

41. Пристрій та принцип роботи спектрофотометрів .

42. Вивчення спектрофотометричних методів дослідження визначення концентрації речовин у біологічних рідинах.

43. Люмінесценція біологічних систем.

44. Люмінесценція. Різні видилюмінесценції.

45.Фотолюмінесценція. Правило Стокс.

46. Квантовий вихід флуоресценції. Триплетний рівень та фосфоресценція.

47. Фотолюмінесцентний якісний та кількісний аналіз біологічних об'єктів.

48. Люмінесцентна мікроскопія. Хемілюмінесценція, механізм генерації хемілюмінесценції

49. Первинні стадії фотобіологічних процесів.

50. Спектри фотобіологічної дії.

51. Вивчення продуктів первинних фотобіохімічних реакцій.
52. Вільнорадикальне окислення. Первинні фотохімічні реакції білків.

53.Фотохімічні перетворення ДНК.

54. Особливості дії високоінтенсивного лазерного випромінювання на ДНК.

55. Фотореактивація та фотозахист.

56. Дія ультрафіолетового світла на біологічні мембрани.

57. Фотосенсибілізовані фотобіологічні процеси.

58. Дослідження біологічних об'єктів у мікроскопії.

59. Спеціальні прийоми мікроскопії біологічних об'єктів

60. Оптична система мікроскопа, побудова зображення об'єкта.

61. Формула збільшення оптичного мікроскопа.

62. Біофізика м'язового скорочення . Модель ковзних ниток.

63. Біомеханіка м'яза. Рівняння Хілла.

64. Потужність одиночного скорочення. Моделювання м'язового скорочення.

65. Електромеханічне сполучення

66. Кровоносна система (артерії, вени). Механізм кровообігу

67.Рух крові у великих судинах.

68. Організація потоку крові в мікросудинах.

69. Рух формених елементів крові у капілярах.

70. Чинники, що визначають реологічні властивості крові.

71. Форми орієнтації еритроцитів у капілярах.

72. Гемодинамічні закономірності руху крові судинами.

73. Загальні фізико-математичні закономірності руху крові за кровоносним руслом.

74. Реографія різних органів та тканин . Методи дослідження кровообігу.

75. Методи реєстрації та принципи аналізу реографічної кривої. Інтегральна та регіонарна реографія.

76. Способи непрямої реєстрації ударного та хвилинного викиду. Комп'ютерна інтегральна реографія.

77. Фізичні основи взаємодії звуку та біологічних тканин.

78. Класифікація медичних приладів та апаратів.

79. Форми енергії, які перетворюються на вимірювальному перетворювачі.

80. Медичні прилади терапевтичного призначення.

81. Терапевтична електронно-медична апаратура.

82. Методи високочастотної терапії (ВЧ, УВЧ, НВЧ та ін.) та їх біофізичний вплив.

83. Влаштування апарату УВЧ-терапії та його принцип роботи.

84. Терапевтична техніка, заснована на застосуванні постійного струму

85. Влаштування апарату гальванізації та його принцип роботи. Фізичні основи гальванізації

86. Фотоелектричні перетворювачі.

87. Основні технічні засоби медичної інтроскопії.

88. Конструкції датчиків та його основні характеристики.

89.Прилади для вимірювання функції зовнішнього дихання

90. Реєстрація рухів грудної клітки при дихальних рухах. Пневмографія, спірометрія, спірографія.

Перелік практичних навичок

проводити реєстрацію ЕЕГ., РГ
проводити реєстрацію ЕКГ у стандартних відведеннях;

вміти пояснити генез ЕКГ феноменів та методи їх виявлення.
навчитися формувати електрокардіографічний діагноз.
проводити реєстрацію фізичних параметрів ,
обробляти результати вимірів з використанням обчислювальних засобів;
вимірювати концентрацію речовин із використанням фотометричних приладів.
вирішувати завдання оптимального поєднання біооб'єкта та технічних засобів у медико-біологічних дослідженнях;
правильно підбирати технічні засоби при вирішенні медичних завдань