Биофизика мембран
1. Транспорт веществ через биологические мембраны
1.1. Введение
Структурной единицей живого организма является клетка, которой присущи все основные жизненные функции. Клетка - открытая термодинамическая система, которая обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией. "Жизнь есть способ существования белковых тел". Это определение, данное
Ф. Энгельсом в 19 веке, не утратило своего значения и сегодня. Основу живой материи составляют высокомолекулярные органические вещества: белки, нуклеиновые кислоты и другие биополимеры. Их иногда называют живыми молекулами, но биополимеры не обладают свойствами живого вне клетки.
Биофизика клетки является разделом науки, который связывает воедино биофизические исследования, проводимые на атомном и молекулярном уровне с исследованиями, проводимыми на уровне органов и биологических систем в целом. Всем хорошо знакома современная схема строения клетки, основанная на наблюдениях сделанных с помощью электронного микроскопа.
В середине 19 века великий французский физиолог Клод Бернар высказал гипотезу существования плазматической мембраны, до него биологи-морфологи представляли клетку в виде комочков живого вещества, не имеющих оболочки. Выживание организма в условиях непрерывно меняющейся среды обусловлено способностью живых систем сохранять свое стационарное состояние. Для обеспечения такого состояния у всех организмов - от простых до самых сложных - существуют различные анатомические, физиологические и поведенческие приспособления. Все они направлены на поддержание постоянства внутренней среды.
Положение о том, что именно постоянство внутренней среды определяет оптимальное условие для жизни и размножения организма было высказано К. Бернаром в 1857 году. Действительно, внутренняя среда высших животных обладает относительным постоянством физико-химических параметров. Для неё характерно постоянство температуры, рH, артериального давления, содержание кислорода, углекислого газа, различных ионов, сахаров и других физиологических констант, величины которых находятся в постоянной зависимости от структур биологической мембраны.
В 1929 году крупнейший американский физиолог Уолтер Б. Кэннон, расширив концепцию К. Бернара, создал учение о гомеостазе. Гомеостаз - это универсальное свойство живых организмов активно сохранять стабильность работы всех систем организма в ответ на воздействия, нарушающие эту стабильность, и поддерживать динамическое постоянство внутренней среды, а также устойчивость основных физиологических функций организма. Это динамическое постоянство возможно только за счет непрерывного обмена веществом и энергией между внеклеточной и внутриклеточной средой - с одной стороны; и между внеклеточной средой и внешней средой, окружающей органы и организм в целом - с другой стороны. Такой обмен возможен лишь при наличии градиентов на границах перечисленных сред.
1.2.Градиенты биологических систем
Под градиентом того или иного параметра системы для линейных функций подразумевают разность величин этого параметра X в двух точках пространства (A, B), отнесенную к расстоянию AB между этими точками:
 |
Заметим, что градиент - это вектор. Обилие градиентов является одним из отличий организма от неживых систем. Наиболее выражены градиенты на границе между цитоплазмой и внеклеточной средой. На первый взгляд это не столь уж большая разница в содержании тех или иных веществ в клетке и вне её. Например, в цитоплазме нервного волокна млекопитающих содержится 150 мМ/л, а в межклеточной жидкости - 5,0 мМ/л ионов калия. Разница - 145 мМ/л. Различие становится особенно ощутимым, если учесть, что эта разница поддерживается на ничтожно малом расстоянии - порядка 10-8 м (толщина клеточной мембраны).
Рассчитаем концентрационный градиент между клеточной мембраной
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.