Введение в биофизику. Биологические мембраны

Содержание

Слайд 2

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА ПРЕДМЕТ: СТРОЕНИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАКРОМОЛЕКУЛ – БЕЛКОВ, НК.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА

ПРЕДМЕТ:
СТРОЕНИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАКРОМОЛЕКУЛ – БЕЛКОВ, НК.

Слайд 3

БИОФИЗИКА КЛЕТКИ ПРЕДМЕТ: СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ КЛЕТОК И ИХ СОВОКУПНОСТЕЙ.

БИОФИЗИКА КЛЕТКИ

ПРЕДМЕТ:
СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ КЛЕТОК И ИХ
СОВОКУПНОСТЕЙ.

Слайд 4

БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ ПРЕДМЕТ: ПРОЦЕССЫ НА ВЫСШИХ УРОВНЯХ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ ПРИРОДЫ

БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

ПРЕДМЕТ:
ПРОЦЕССЫ НА ВЫСШИХ УРОВНЯХ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ ПРИРОДЫ (в популяциях,

биоценозах, биосфере в целом)
И НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ ДЛЯ ВСЕХ УРОВНЕЙ ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ:
биологические колебательные процессы;
биоэнергетические явления;
процессы биологической эволюции.
Слайд 5

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ Часть 1. СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ РОЛЬ БИОМЕМБРАН ФУНКЦИИ БИОМЕМБРАН

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ

Часть 1.
СТРУКТУРА
И
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ
РОЛЬ
БИОМЕМБРАН
ФУНКЦИИ БИОМЕМБРАН (БМ).
РАЗМЕРЫ, ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И

СТРОЕНИЕ.
СИЛЫ, СТАБИЛИЗИРУЮЩИЕ МЕМБРАННУЮ СТРУКТУРУ.
ФИЗИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ БИОМЕМБРАН.
Слайд 6

1. ФУНКЦИИ БИОМЕМБРАН ДВОЯКАЯ ФУНКЦИЯ БМ: ПОДДЕРЖАНИЕ ЦЕЛОСТНОСТИ КЛЕТКИ, ЕЕ ОБОСОБЛЕННОСТИ

1. ФУНКЦИИ БИОМЕМБРАН

ДВОЯКАЯ ФУНКЦИЯ БМ:
ПОДДЕРЖАНИЕ
ЦЕЛОСТНОСТИ КЛЕТКИ,
ЕЕ ОБОСОБЛЕННОСТИ
ОТ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ,
АВТОНОМНОСТИ ЕЕ
ВНУТРЕННЕГО УСТРОЙСТВА
ПОСТОЯННЫЙ ОБМЕН
С ВНЕШНЕЙ СРЕДОЙ
ВЕЩЕСТВАМИ, ЭНЕРГИЕЙ,
ИНФОРМАЦИЕЙ
ИЗУЧЕНИЕ ВАЖНО
ДЛЯ ПОНИМАНИЯ
ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
ОРГАНИЗМА В НОРМЕ
ДЛЯ ВЫЯСНЕНИЯ
МЕХАНИЗМА ПАТОЛОГИИ
И ПРИНЯТИЯ КОМПЛЕКСА
ЛЕЧЕБНЫХ МЕР
Слайд 7

МЕМБРАНЫ ПЛАЗМАТИЧЕСКИЕ ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЕ ОБЩИЙ ПЛАН СТРОЕНИЯ ОДИНАКОВ.

МЕМБРАНЫ

ПЛАЗМАТИЧЕСКИЕ

ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЕ

ОБЩИЙ ПЛАН СТРОЕНИЯ ОДИНАКОВ.

Слайд 8

2. РАЗМЕРЫ, ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И СТРОЕНИЕ БИОМЕМБРАНЫ - НАДМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СИСТЕМЫ. ОНИ

2. РАЗМЕРЫ, ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И СТРОЕНИЕ

БИОМЕМБРАНЫ - НАДМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СИСТЕМЫ.
ОНИ ПРИБЛИЖЕННО

ДВУМЕРНЫЕ:
ИХ ТОЛЩИНА ОЧЕНЬ МАЛА,
ПОРЯДКА 10 НМ.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ
В ОСНОВНОМ - ЛИПИДЫ И БЕЛКИ.
СООТНОШЕНИЕ ВАРЬИРУЕТ, НО ЧАЩЕ ВСЕГО
(ПО ВЕСОВОМУ СОДЕРЖАНИЮ):
ЛИПИДЫ – 40%,
БЕЛКИ – 60%.

Слайд 9

КАЧЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ ЛИПИДНОЙ И БЕЛКОВОЙ ФРАКЦИЙ БИОМЕМБРАНЫ ОБЫЧНО ВЕСЬМА ГЕТЕРОГЕННЫ –

КАЧЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ ЛИПИДНОЙ И БЕЛКОВОЙ ФРАКЦИЙ

БИОМЕМБРАНЫ ОБЫЧНО
ВЕСЬМА ГЕТЕРОГЕННЫ –
содержат различные белки

и липиды.
НО, НАПРИМЕР,
БЕЛКОВАЯ ЧАСТЬ
ВНУТРЕННИХ МЕМБРАН ПАЛОЧЕК СЕТЧАТКИ
СОДЕРЖИТ ТОЛЬКО ОДИН
БЕЛОК – РОДОПСИН.
СТРУКТУРНОЙ
ОСНОВОЙ
БИОМЕМБРАН
ЯВЛЯЮТСЯ ЛИПИДЫ.

МЕМБРАННЫЕ ЛИПИДЫ
ОСНОВНУЮ ЧАСТЬ МЕМБРАННЫХ ЛИПИДОВ СОСТАВЛЯЮТ
ФОСФОЛИПИДЫ.
ПОЧТИ ВСЕ ФОСФОЛИПИДЫ (ФЛ) КЛЕТКИ СОСРЕДОТОЧЕНЫ
В ЕЕ МЕМБРАНАХ.
ИМЕННО ОСОБЕННОСТЯМИ ИХ СТРОЕНИЯ ОБУСЛОВЛИВАЕТСЯ СТРОЕНИЕ БМ В ЦЕЛОМ.

Слайд 10

ФОСФОЛИПИДЫ СОСТАВ МОЛЕКУЛ ФЛ: ТРЕХАТОМНЫЙ СПИРТ ГЛИЦЕРИН CH2OH-CHOH-CH2OH ОСТАТКИ 2-х ВЫСШИХ

ФОСФОЛИПИДЫ

СОСТАВ МОЛЕКУЛ ФЛ:
ТРЕХАТОМНЫЙ СПИРТ ГЛИЦЕРИН
CH2OH-CHOH-CH2OH
ОСТАТКИ 2-х ВЫСШИХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ
R– COOH
ОСТАТОК

ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ H3PO4
ОСТАТОК СПИРТА «Х»

ВСЕ ФЛ СОДЕРЖАТ
ПОЛЯРНУЮ, ГИДРОФИЛЬНУЮ ГОЛОВУ
И ДВА НЕПОЛЯРНЫХ, ГИДРОФОБНЫХ ХВОСТА.

Слайд 11

ОБЩАЯ СТРУКТУРНАЯ ФОРМУЛА ФЛ O ││ HO – P – O

ОБЩАЯ СТРУКТУРНАЯ ФОРМУЛА ФЛ

O
││
HO – P – O

– X

O

CH2 – CH – CH2
│ │
O O
│ │
C=O C=O
│ │
R1 R2
Слайд 12

СТРОЕНИЕ МОДЕЛИ БИОМЕМБРАН: выдвигались разные. СОВРЕМЕННАЯ – МОЗАИЧНАЯ МОДЕЛЬ 1972 г.,

СТРОЕНИЕ

МОДЕЛИ БИОМЕМБРАН:
выдвигались разные.
СОВРЕМЕННАЯ –
МОЗАИЧНАЯ МОДЕЛЬ 1972 г.,
ЗИНГЕР И

НИКОЛЬСОН.

МОЗАИЧНАЯ
МОДЕЛЬ БМ
СТРУКТУРНАЯ ОСНОВА БМ –
ДВОЙНОЙ (БИМОЛЕКУЛЯРНЫЙ)
ЛИПИДНЫЙ СЛОЙ.

Слайд 13

МОЗАИЧНАЯ МОДЕЛЬ БМ В НЕМ ГИДРОФОБНЫЕ «ХВОСТЫ» ЛИПИДОВ ОБРАЩЕНЫ ВНУТРЬ МЕМБРАНЫ,

МОЗАИЧНАЯ МОДЕЛЬ БМ

В НЕМ ГИДРОФОБНЫЕ
«ХВОСТЫ» ЛИПИДОВ
ОБРАЩЕНЫ
ВНУТРЬ МЕМБРАНЫ, ОБРАЗУЯ НЕПРЕРЫВНУЮ ФАЗУ,
А

ПОЛЯРНЫЕ «ГОЛОВЫ»
ВЫХОДЯТ
НА ПОВЕРХНОСТЬ
С ДВУХ СТОРОН ЛИПИДНОГО БИСЛОЯ.

ЭТОТ БИСЛОЙ «ИНКРУСТИРОВАН» МОЛЕКУЛАМИ БЕЛКА.
БЕЛКИ МЕМБРАН ДЕЛЯТСЯ НА ДВА КЛАССА:
ПЕРИФЕРИЧЕСКИЕ ( I ) И
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ( II ).
( I ) ИМЕЮТ ЦЕЛИКОМ ГИДРОФИЛЬНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ И СВЯЗЫВАЮТСЯ ТОЛЬКО ПОВЕРХНОСТЯМИ МЕМБРАНЫ.

Слайд 14

Мембранные белки ( II ) ИМЕЮТ УЧАСТКИ ГИДРОФОБНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ПОГРУЖЕНЫ

Мембранные белки
( II ) ИМЕЮТ УЧАСТКИ ГИДРОФОБНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
И ПОГРУЖЕНЫ НА

РАЗНУЮ ГЛУБИНУ ВНУТРЬ БИЛИПИДНОГО СЛОЯ.
НЕКОТОРЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ БЕЛКИ ПРОНИЗЫВАЮТ МЕМБРАНУ НАСКВОЗЬ;
ОНИ НАЗЫВАЮТСЯ ПРОШИВАЮЩИМИ.
Строение БМ
согласно
МОЗАИЧНОЙ МОДЕЛИ
Слайд 15

АСИММЕТРИЯ БИОМЕМБРАН КАК БЕЛКОВЫЙ, ТАК И ЛИПИДНЫЙ СОСТАВ ДВУХ ПОЛОВИНОК МЕМБРАНЫ

АСИММЕТРИЯ БИОМЕМБРАН


КАК БЕЛКОВЫЙ,
ТАК И ЛИПИДНЫЙ СОСТАВ
ДВУХ ПОЛОВИНОК
МЕМБРАНЫ НЕОДИНАКОВ.
В БОЛЬШЕЙ СТЕПЕНИ

АСИММЕТРИЯ СВОЙСТВЕННА
БЕЛКОВЫМ ФРАКЦИЯМ,
ИХ СОСТАВ КАЧЕСТВЕННО РАЗЛИЧЕН.

ТАК, В ПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ МЕМБРАНЕ
К ВНУТРЕННЕЙ СТОРОНЕ ПРИМЫКАЕТ БОЛЬШИНСТВО ФЕРМЕНТОВ,
К НАРУЖНОЙ – БЕЛКИ, УЧАСТВУЮЩИЕ В РЕАКЦИЯХ УЗНАВАНИЯ И ОБОРОНИТЕЛЬНЫХ ДЕЙСТВИЯХ КЛЕТКИ.

БИОМЕМБРАНЫ
ХАРАКТЕРИЗУЮТСЯ
СТРУКТУРНОЙ
АСИММЕТРИЕЙ.

Слайд 16

3. СИЛЫ, СТАБИЛИЗИРУЮЩИЕ МЕМБРАННУЮ СТРУКТУРУ ВИДЫ СВЯЗЕЙ: ЭНЕРГИЯ ОДНОЙ СИЛЬНОЙ (КОВАЛЕНТНОЙ)

3. СИЛЫ, СТАБИЛИЗИРУЮЩИЕ МЕМБРАННУЮ СТРУКТУРУ
ВИДЫ СВЯЗЕЙ:

ЭНЕРГИЯ ОДНОЙ
СИЛЬНОЙ (КОВАЛЕНТНОЙ) СВЯЗИ

приблизительно
НА ПОРЯДОК БОЛЬШЕ,
чем у СЛАБОЙ.
Однако суммарный,
КООПЕРАТИВНЫЙ вклад различных видов слабых
связей
МОЖЕТ БЫТЬ ВЕЛИК.

СИЛЬНЫЕ

СЛАБЫЕ

Слайд 17

СЛАБЫЕ СВЯЗИ В БИОМЕМБРАНАХ ЦЕЛОСТНОСТЬ БМ ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ СЛАБЫМИ СВЯЗЯМИ. В БИОМЕМБРАНАХ

СЛАБЫЕ СВЯЗИ В БИОМЕМБРАНАХ

ЦЕЛОСТНОСТЬ БМ ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ СЛАБЫМИ СВЯЗЯМИ.
В БИОМЕМБРАНАХ ЭТО
СВЯЗИ:
ОПРЕДЕЛЯЮЩУЮ РОЛЬ

ИГРАЮТ
ГИДРОФОБНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ.
ВОЗНИКАЮТ МЕЖДУ НЕПОЛЯРНЫМИ ГРУППИРОВКАМИ В РЕЗУЛЬТАТЕ ОТТАЛ-КИВАНИЯ МОЛЕКУЛ ВОДЫ.

ГИДРОФОБНЫЕ

ЭЛЕКТРО-
СТАТИЧЕСКИЕ

Слайд 18

СЛАБЫЕ СВЯЗИ МЕЖДУ КОМПОНЕНТАМИ БИОМЕМБРАН ГИДРОФОБНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В МЕМБРАНЕ: МЕЖДУ ХВОСТАМИ

СЛАБЫЕ СВЯЗИ МЕЖДУ КОМПОНЕНТАМИ БИОМЕМБРАН
ГИДРОФОБНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В МЕМБРАНЕ:
МЕЖДУ ХВОСТАМИ ЛИПИДОВ;
МЕЖДУ

ХВОСТАМИ И ИНТЕГРАЛЬНЫМИ БЕЛКАМИ.
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ СИЛЫ СВЯЗЫВАЮТ
ПОЛЯРНЫЕ ГОЛОВКИ ЛИПИДОВ С ПЕРИФЕРИЧЕСКИМИ БЕЛКАМИ.
Слайд 19

4. ФИЗИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ БИОМЕМБРАН ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ прежде всего СОСТОЯНИЕМ БИЛИПИДНОГО СЛОЯ. А

4. ФИЗИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ БИОМЕМБРАН

ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ
прежде всего
СОСТОЯНИЕМ
БИЛИПИДНОГО
СЛОЯ.
А ЭТОТ СЛОЙ ОБЛАДАЕТ
ЖИДКОСТНЫМИ


СВОЙСТВАМИ.

Имеются
многочисленные
доказательства
жидкостных свойств
билипидного слоя.
В частности, это
ПЕРЕМЕЩЕНИЕ
ЕГО СОБСТВЕННЫХ
МОЛЕКУЛ
И МОЛЕКУЛ МЕМБРАННЫХ БЕЛКОВ В НЕМ.

Слайд 20

Пояснения МЕМБРАННЫЕ ЛИПИДЫ МОГУТ ПЕРЕМЕЩАТЬСЯ ДВУМЯ СПОСОБАМИ: ЛАТЕРАЛЬНОЙ ДИФФУЗИЕЙ И ФЛИП-ФЛОПОМ. ЛД Ф/Ф

Пояснения
МЕМБРАННЫЕ ЛИПИДЫ МОГУТ ПЕРЕМЕЩАТЬСЯ ДВУМЯ СПОСОБАМИ:
ЛАТЕРАЛЬНОЙ
ДИФФУЗИЕЙ
И
ФЛИП-ФЛОПОМ.
ЛД Ф/Ф

Слайд 21

Пояснения ЛАТЕРАЛЬНАЯ ДИФФУЗИЯ – ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ЛИПИДНЫХ МОЛЕКУЛ В ПРЕДЕЛАХ СВОЕГО МОНОСЛОЯ

Пояснения
ЛАТЕРАЛЬНАЯ ДИФФУЗИЯ –
ПЕРЕМЕЩЕНИЕ
ЛИПИДНЫХ МОЛЕКУЛ
В ПРЕДЕЛАХ СВОЕГО МОНОСЛОЯ
(В ПЛОСКОСТИ

МЕМБРАНЫ)
ФЛИП-ФЛОП –
ПЕРЕМЕНА МЕСТАМИ
ДВУХ ПРОТИВОСТОЯЩИХ
ЛИПИДНЫХ МОЛЕКУЛ
(ПЕРЕСКОК ИЗ ОДНОГО
МОНОСЛОЯ В ДРУГОЙ)
СКОРОСТЬ ЛАТЕРАЛЬНОЙ ДИФФУЗИИ
ВО МНОГО РАЗ БОЛЬШЕ СКОРОСТИ
ФЛИП-ФЛОПА.
Слайд 22

Пояснения МЕМБРАННЫЕ БЕЛКИ ТАКЖЕ МОГУТ СОВЕРШАТЬ ЛАТЕРАЛЬНУЮ ДИФФУЗИЮ В БИЛИПИДНОМ СЛОЕ.

Пояснения

МЕМБРАННЫЕ БЕЛКИ
ТАКЖЕ МОГУТ СОВЕРШАТЬ
ЛАТЕРАЛЬНУЮ ДИФФУЗИЮ
В БИЛИПИДНОМ СЛОЕ.
ПО СКОРОСТИ
ЛАТЕРАЛЬНОЙ

ДИФФУЗИИ
ПЕРИФЕРИЧЕСКИХ БЕЛКОВ
МОЖНО СУДИТЬ О
ВЯЗКОСТИ ЭТОГО СЛОЯ.
Оказывается,
ЭТА ВЯЗКОСТЬ
ПРИБЛИЗИТЕЛЬНО
РАВНА
ВЯЗКОСТИ ОЛИВКОВОГО МАСЛА.
А ОНО ЖИДКОЕ
УЖЕ ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ.
Слайд 23

ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ БИОМЕМБРАН Итак, благодаря билипидному слою биомембраны имеют жидкостные свойства.

ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ БИОМЕМБРАН

Итак,
благодаря билипидному слою биомембраны имеют жидкостные свойства.
С ДРУГОЙ СТОРОНЫ,
МЕМБРАНЫ

НЕ РАСТЕКАЮТСЯ, А, НАОБОРОТ, ПОДДЕРЖИВАЮТ ПОСТОЯННЫЕ ФОРМУ И ОБЪЕМ КЛЕТКИ.
ОНИ ИМЕЮТ СЛОЖНУЮ СТРУКТУРУ, СОХРАНЯЮЩУЮСЯ ВО ВРЕМЕНИ.

ТАКИМ ОБРАЗОМ, В МЕМБРАНАХ РЕАЛИЗУЕТСЯ СОЧЕТАНИЕ УПОРЯДОЧЕННОСТИ И ПОДВИЖНОСТИ, ЛАБИЛЬНОСТИ.

БИОМЕМБРАНЫ НАХОДЯТСЯ
В ЖИДКОКРИСТАЛЛИ-ЧЕСКОМ СОСТОЯНИИ.