Блок информации. Существование всего живого началось с обособления внутренней среды от внешней с помощью специальных структур- биомембран (БМ) (membrana- перепонка

Существование всего живого началось с обособления внутренней среды от внешней с помощью специальных структур- биомембран (БМ) (membrana- перепонка, кожица, оболочка). Существуют клеточные (плазматические) мембраны, мембраны ограничивающие органоиды (мембраны хлоропластов, митохондрий, лизосом, эндоплазматического ретикулума и т.д.). Мембраны отличаются плотной упаковкой составных компонент (белков, липидов, углеводов, макромолекул (гликолипиды, гликопротеиды), минорных компонент (нуклеиновые кислоты, коферменты, антиоксиданты, ионы Na⁺, K⁺, Ca²⁺ и др.) и составляют более 50% веса сухого вещества клеток. 110 лет назад (1890 г.) В.Пфеффер предложил название клеточной мембраны, однако только в 40-х годах 20-го века мы начали исследовать ультратонкую (размеры не более 10 нм) структуру БМ на электронных микроскопах. В настоящее время существуют различные методы исследования БМ (последовательно):

1. Путем разрушения (осмотическим шоком- эритроциты; гомогенизатором- печень, мозг; растирание с кварцевым песком- мышцы) и последующим центрифугированием. При этом: 600g- осаждаются митохондрии, 20000-100000g- микросомы (смесь везикул размером 0, 3-3 мкм). Иногда эту операцию делают в градиенте сахарозы.

2. Рентгеноструктурный анализ БМ по изучению дифракционных картин.

3. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР). При этом часто используют изотопы С¹³, Н¹, Р³¹. В методе оценивается мера " подвижности" отдельных атомов и молекул. Например, используя Р³¹ изучают поведение фосфолипидов в модельных и природных мембранах.

4. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) для изучения свободных радикалов и ионов, триплетных состояний в фотобиологических реакциях, т.е. резонансные поглощения ЭМВ веществом во внешнем магнитном поле. При этом наблюдается всплеск поглощения энергии, который свидетельствует о наличии молекул парамагнетина в мембранах.

5. Электронная микроскопия.

6. Флуоресцентная микроскопия (зонды- красители, например, связывающиеся с БМ).

7. Инфракрасная спектроскопия (ИКС) и комбинационного рассеяния (КРС) для получения информации о конформации молекул.

8.Моделирование (физическое, математическое и т.д.) липидных БМ. При этом остаток молекулы мембраны гидрофобный неполярной находится в гептановом растворе фосфолипида, а гидрофильный- в водном белковом растворе.

По химическому составу БМ весьма разнообразны. Они содержат фосфолипиды, белки, углеводы, минорные комплексы (нуклеиновые кислоты, полиамины, Н₂О, ионы. Причем белки- 60-65%, фосфолипиды- 35-40%. Липиды в мембранах бывают 3-х классов: фосфолипиды, гликолипиды и стероиды. Производные фосфорной кислоты (фосфолипиды и глицерофосфолипиды) основные в процентном отношении. К примеру, молекула фосфатидилхолина (ФДХ) содержит следующие фрагменты:

Часто встречаются: ФДХ, фосфатидилэтаноламин (ФЭА), фосфатидилсерин (ФС), фосфатидилинозит (ФИ), сфинголипид, сфингомиелин, а в хлоропластах- моно- и дигалактодиглицериды. Белки в БМ - гидрофобные глобулярные структуры, связанные с мембранами (например, гликофорин в эритроцитах). Часто эти белки обладают ферментными свойствами, антигенными (ответственны за иммунную реакцию) и рецепторными (холинорецептор).

Разделение зарядов в пространстве и возникновение вследствие этого электрических полей наблюдается на всех уровнях организации живой природы. В простейшем случае это имеет место уже на уровне отдельных молекул, обладающих жестким дипольным моментом (вода, аминокислоты, фосфолипиды и т.д.). Объединение таких молекул в агрегаты (например, фосфолипиды) приводит к возникновению плоских или пространственных биоструктур, которые выполняют различные функции в организмах животных и растений. Например, полярные мембраны выполняют барьерные функции, а полярный актин-миозиновый комплекс обеспечивает движение организма или его частей. Любая мембрана, отделяя внешнюю среду от внутренней, обязательно обеспечивает и разделение зарядов (ионов), что неизбежно приводит к возникновению ёмкостных свойств таких структур. Что же такое электроёмкость и как она определяется экспериментально? На этот вопрос и дается ответ в данной работе.

Для понимания сущности предлагаемых методов необходимо напомнить основные понятия из электростатики. Известно, что электрическое поле (ЭП)- особый вид материи. Его силовой характеристикой является вектор напряженности ЭП- , который численно равен силе F, действующей на единичный положительный пробный заряд q, внесенный в данную точку поля, а по направлению совпадает с вектором силы F, т.е. (Е измеряется в Н/Кл). Далее, энергетической характеристикой ЭП является потенциал j, который равен работе (или энергии) по перемещению единичного положительного заряда из бесконечности в данную точку ЭП, т.е. j=A/q (или j=W/q), где j измеряется в вольтах (В=Дж/Кл). На практике чаще используют Dj=U, где U- напряжение. Величины U и Е связаны уравнением , где вектор- градиент потенциала направлен в сторону увеличения потенциала. Градиент чаще обозначают буквой " набла" (Ñ), т.е.

.

В представленной записи Ñ - оператор, т.е. некоторое действие, которое надо совершить со скалярной величиной, что бы получить вектор. Вообще градиент это очень широкое понятие, которое используется в изучении процессов живой природы. Можно утверждать, что жизнь это наличие устойчивых градиентов (концентрации, температуры, давления и т.д.). Градиент потенциала на мембранах клеток обуславливает жизнедеятельность растительных и животных организмов.

Любое сферическое тело (растительная или животная клетка) радиусом r имеет свой потенциал

j=q/ee₀R,

где R- расстояние от поверхности клетки до данной точки пространства. Распределенными зарядами в пространстве обладают и большие организмы. Например, человек имеет различные заряды ладоней и головы (это статическая картина). Кроме того, в организме постоянно генерируются ЭП (например, из-за работы сердца, мозга) и эти потенциалы также можно зарегистрировать. Таким образом, электрические поля играют большую роль в деятельности не только отдельных клеток (их мембран), но и в деятельности целостного организма. Взаимодействием слабых ЭП организмов (людей) можно объяснить различные экстрасенсорные явления. При этом надо учитывать, что у человека (у животных) существует огромное количество датчиков (рецепторных клеток), синхронизация работы которых может привести к гиперчувствительности, т.е. восприятию слабых сигналов на фоне сильных шумов. В этой связи уместно напомнить 2-ю теорему Шеннона, которая гласит, что с увеличением числа сенсоров возможен приём сигналов значительно меньших по уровню существующих шумов. Таким образом потенциально любой человек может воспринимать сверхслабые ЭП (другого человека) на уровне значительно меньшем уровня шумов. Это одно из объяснений феномена электромагнитной теории запахов, когда насекомое воспринимает запах самки (феромонов) при концентрации последних несколько молекул в 1 м³ воздуха.

Третьей базовой величиной в электростатике является электроёмкость- физическая величина численно равная заряду, который надо сообщить телу для увеличения его потенциала на 1 Вольт, т.е. C=q/U. Измеряется С в фарадах (Ф=Кл/В). Для сферического тела его электроёмкость равна

С=4pee₀r

где r- радиус тела. Сферическое тело в вакууме (e=1) при ёмкости 1Ф должно было бы иметь радиус r=C/4pee₀=1/4× 3, 14× 8, 85× 10^-12м»9× 10⁹м, что значительно больше радиуса Земли и соизмеримо с размерами Солнца. Существуют среды, у которых диэлектрическая проницаемость очень велика (у сегнетоэлектриков, в биосредах e~10⁴-10⁵) и тогда можно получать большие С при сравнительно небольших размерах. Это имеет место в электролитических конденсаторах или биомембранах. Поэтому электроёмкость биомембран может быть значительной. В технике и живой природе мы имеем дело с системой типа конденсатор, когда два заряженных тела (пространства) разделены диэлектриком. Для плоского конденсатора

C=ee₀S/d

где S- площадь пластин, d-толщина диэлектрика между пластинами. Заряженный конденсатор обладает энергией

W=CU²/2=q²/2C (измеряется в джоулях (Дж))

Любая мембрана клетки – это конденсатор с указанной энергией и напряженностью ЭП на мембране E=U/d, где U разность потенциалов между внешней и внутренней средой (в среднем 10-60 мВ для животных клеток и до 100 мВ для растительных).

В растительном и животном мире мы часто имеем дело с многоклеточными организмами, когда клетки (и их мембраны) располагаются последовательно (друг за другом) или параллельно. В этом случае мы имеем дело с последовательным или параллельным соединением биоконденсаторов. Что при этом происходит с электроёмкостью? Можно показать, что при параллельно соединении С заряды на обкладках конденсаторов складываются (q_об=Sq_i), но q=CU, значит q_об=q₁+q₂ или C_обU_об=C₁U₁+C₂U₂. Поскольку при параллельном соединении U_об=U₁=U₂, то имеем С_об=С₁+С₂. При последовательном соединении напряжения складываются, т.е. U_об=U₁+U₂ или . Тогда , т.к. при последовательном соединении q_об=q₁=q₂.

Последовательное соединение и эффект увеличения напряжения мы имеем в электрических органах отдельных рыб (электрический скат, сом, угорь), когда U может достигать 800-1000 В. Такое напряжение способно при разрядке создать ток, который парализует жертву.

Таким образом, определяя С₁ и С₂ можно рассчитать С_об, что и предлагается выполнить экспериментально в данной работе. Для этого необходимо собрать цепь, состоящую из источника напряжения U, конденсатора C, нагрузочного сопротивления R и миллиамперметра mA (см. рис.2.2.1). Если с помощью переключателя П сначала подсоединить С к источнику U и зарядить обкладки конденсатора до напряжения U, а затем переключить на правую половину цепи, в правой цепи при разрядке конденсатора С пойдет убывающий ток I=I(t), график изменения которого представлен на рис.2.1.2. Легко видеть, что при разрядке С убывает экспоненциально. Рассчитать этот закон легко с использованием закона Ома для правой цепи. Сумма падений напряжений (U_C+U_R) должна равняться ЭДС (Е=0), т.е. U_C+U_R=0 или IR=-q/C. Но I=dq/dt и тогда получаем дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными, т.е.

Рис. 2.1.2.

После его интегрирования получим, что

ln q- ln q₀= -t/RC

где q₀- произвольная константа.

После потенцирования имеем

q=q₀exp(-t/RC)

где q₀ имеет смысл первоначального заряда на пластинах С. Если взять два произвольных времени t₁ и t₂ и учесть, что мгновенный ток

,

то для t₁ и t₂ можно получить из графика соответствующие значения I₁ и I₂. Тогда I₁=I₀exp(-t₁/RC) и I₂=I₀exp(-t₂/RC)

Разделив 1-е уравнение на 2-е получим

I₁/I₂=exp[(t₁-t₂)/RC]

После логарифмирования имеем

ln(I₁/I₂)=(t₁-t₂)/RC или C=(t₁-t₂)/(R× ln(I₁/I₂))

Таким образом, зная I₁ и I₂ из показаний mA для фиксированных t₁ и t₂ и величину R (спросить у преподавателя!) можно по графику рассчитать значение электроёмкости С. В нашей установке модели биомембран взяты нарочно с большими значениями С, что бы процесс изменения I(t) длился секундами и Вы могли бы фиксировать I через каждые 5 секунд визуально. При малых С вместо mA используются осциллографы с запоминанием и фиксированной скоростью развертки, тогда t реальное находится по экрану с учетом временного масштаба. Такие методы используются также в полярографии, когда находится концентрация кислорода, например в крови по кривой падения тока на электроде при коротком замыкании цепи. Скорость этого процесса зависит от окислительно- восстановительных реакций, например на медном электроде, что в свою очередь определяется парциальным давлением кислорода в крови при прочих равных условиях. В конечном итоге в таком полярографическом методе мы также имеем дело с явлением поляризации, образованием двойного электрического слоя (Д.Э.С.) и, значит, с системой подобной обыкновенному конденсатору.

Таким образом, изучаемые в данной работе биофизические процессы являются базовыми для многих процессов в природе и их изучение крайне необходимо для познания законов живой природы.

Методические указания по 3-му этапу:

“Получение зачета по лабораторной работе”

После выполнения 1 и 2 этапов обучаемый должен заполнить протокол и подписать его у преподавателя, а затем оформить отчет в тетради, обратив особое внимание на количественное и качественное объяснение наблюдаемых изменений величин (целесообразно использовать ЭВМ для первичной статистической обработки) и отчитаться у преподавателя за всю работу. В этом случае обучаемый получает зачет.

Лабораторная работа № 2.2.