Биофизика клетки и мембранных процессов

Разнообразие живых систем во многом определяется многообразием структуры и функции клеточных мембран. Они не только формируют клетку и внутриклеточные структуры, отделяют клетку от внешней среды, защищают ее от проникновения патогенных и чужеродных соединений, но и играют роль селективного, тонко регулируемого, барьера. Кроме того, мембраны — ключевой элемент в генерации электрических импульсов, осуществлении межклеточных контактов, преобразовании и запасании в форме АТФ энергии света и окислительно-восстановительных реакций, а также в регуляции процессов секреции, повреждения и старения клетки. Мембранные рецепторы обеспечивают восприятие света, химических медиаторов, механических стимулов, температуры, электрического поля и др. Чем меньше размеры клеток, тем больше их удельная поверхность и тем более важную роль играют мембраны в жизнедеятельности клетки. Все эти процессы и явления, механизмы их взаимодействия и регуляции составляют важный раздел современной биофизики клетки.
Первичные физико-химические молекулярные процессы

На кафедре проводятся исследования процессов генерации и проведении возбуждения в нервных клетках (нейрон, глиальная клетка и аксон). Изучается состояние плазматических мембран и основные процессы ионного транспорта. Выявлены изменения ряда параметров, характеризующих состояние плазматической мембраны (мембранный потенциал, содержание мембраносвязанного Са2+, ритмическое возбуждение), субклеточных органелл (потенциал внутренней мембраны митохондрий, содержание восстановленных флавопротеинов, вязкость мембран) и цитоплазмы (изменение показателя преломления) пейсмекерного нейрона при действии нейромедиаторов. Процессы перераспределения Са2+ между плазматической мембраной и внутриклеточными органеллами в пейсмекерном нейроне исследуют при термо-, хемо- и механостимуляции локализованных в коже экстерорецепторов и при воздействии нейромедиаторов и NO на нейрон в составе ганглия. Установлено, что изменения электрической активности нейронов при стимуляции экстерорецепторов и действии нейромедиаторов сопровождаются перераспределением Са2+ в цитоплазме: десорбцией Са2+, связанного на плазматической мембране клетки, увеличением концентрации Са2+ в цитоплазме, входом Са2+ в митохондрии и стимуляцией работы электрон-транспортной цепи, а также связыванием Са2+ субклеточными структурами и регулярными изменениями оптической плотности цитоплазмы.

Развиваемое направление непосредственно связано с нейрофизиологией и физиологией крови, цитологией, а также нейрохимией, молекулярной биологией и моделированием. Эти работы имеют важное практическое применение в рамках медицинской биофизики. Основным подходом данных исследований является работа на нативных (то есть находящихся в природном состоянии) функционирующих объектах — изучение биоэлектрогенеза, переноса кислорода эритроцитами и др.

Применяются микроэлектродные методы («пэтч-клямп»), методы микроскопии (флуоресцентная микроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния, интерференционная микроскопия, конфокальная микроскопия), а также радиоспектроскопия (ЭПР, ЯМР) и изотопные методы.
Мембранные процессы в растительной клетке

Работы нацелены на изучение электрохимических и фотобиологических процессов, протекающих в хлоропластах и на плазмалемме клетки в индукционный период фотосинтеза и на стадии стационарного фотосинтеза. Изучается фотогенерация мембранного потенциала Δφ в хлоропластах. Наиболее быстрые изменения мембранного потенциала (от 10 мкс до 1 с), протекают на тилакоидных мембранах хлоропластов. С использованием уникально крупных хлоропластов печеночного мха Anthoceros установлено, что мембранный потенциал, наряду с градиентом рН (ΔpH), играет важную роль в биоэнергетике в качестве движущей силы для синтеза АТФ. Измерения Δφ позволяют оценивать проводимость тилакоидных мембран и сопрягающего фактора.

Электрический потенциал тилакоидов оказывает существенное влияние на фотосинтетический перенос электронов, что проявляется в изменениях флуоресценции хлорофилла одиночных хлоропластов при сдвигах Δφ за счет пропускания тока через микроэлектрод. В зависимости от редокс-состояния первичного акцептора электронов в фотосистеме II (ФС II), биполярные импульсы тока вызывают симметричные или асимметричные сдвиги флуоресценции. Предложена математическая модель, объясняющая влияние Δφ на флуоресценцию хлоропластов. Явления возбудимости отвечают за быстрое закрывание листьев у сейсмочувствительных (мимоза) и ряда насекомоядных растений. Потенциалы действия (ПД) возникают и в проводящих пучках многих высших растений в ответ на механические и температурные стимулы. Вместе с тем, исследования на Anthoceros показали, что импульсы типа ПД могут возникать в ответ на короткое (3 с) яркое освещение. Генерация импульсов исчезает при подавлении фотосинтеза и активности H+ -АТФазы растительной клетки. Генерация ПД под влиянием импульса света сопровождается длительными (10—15 мин) изменениями в состоянии фотосинтетического аппарата.

Светозависимая пространственная самоорганизация потоков H+ и активности фотосинтеза наблюдается в клетках харовых водорослей, удобных для исследования многих фундаментальных биологических процессов, поскольку они совмещают способность к фотосинтезу с электровозбудимостью и способностью формировать кальциевые отложения. У неосвещенных клеток водоросли Chara (длина одной клетки которых может достигать 10 см) профиль рН среды однороден по длине клетки, однако на свету в профиле pH возникают чередующиеся кислые и щелочные зоны с перепадом рН порядка 3-х единиц. Неоднородный профиль рН отражает гетерогенное распределение активных транспортных систем плазмалеммы, он согласован с профилем фотосинтетической активности в слое хлоропластов. Создана математическая модель происходящих процессов.

Недавно установлено, что однократная генерация ПД сглаживает неоднородный профиль рН на период до 10—40 мин в зависимости от интенсивности света и уровня Ca2+ в среде. Влияние короткого электрического сигнала — ПД — аналогично эффекту длительного (20 мин) помещения клетки в темноту. Сглаживание профиля рН обусловлено остановкой H+ -насоса в кислых зонах и снижением H+ -проводимости в щелочных зонах. Генерация ПД вызывает быстрое подавление фотосинтетического переноса электронов, более сильное в щелочных зонах. Анализ световых зависимостей и действия ионофоров говорит о том, что влияние ПД на флуоресценцию хлорофилла и квантовый выход переноса электронов в фотосистеме II обусловлено возрастанием ΔpH на тилакоидной мембране. Нарушение согласованных функций хлоропластов и плазмалеммы под влиянием ПД, вероятно, вызвано почти 100-кратным повышением в цитоплазме уровня Са2+, являющегося регулятором многих внутриклеточных процессов.
Проницаемость клеточных мембран для малых незаряженных молекул (неэлектролитов) и газов

Хотя давно высказывались предположения о том, что в клеточных мембранах существуют поры для просачивания воды, длительное время преобладало мнение, что она просто диффундирует через клеточную мембрану. В конце 1950-х годов было установлено, что в мембранах эритроцитов есть специальные каналы, через которые вода проходит, а ионы — нет. При этом клеточный «водопровод» обладает потрясающей пропускной способностью: до миллиарда молекул воды в секунду. Логично было предположить, что, как и в случае других веществ, например сахаров и аминокислот, транспорт воды через мембрану происходит с помощью белка. Но какой именно белок выполняет данную функцию? Этот вопрос довольно долго оставался без ответа.

Отсутствие заряда у частиц существенно затрудняет исследование их трансмембранного транспорта, и до последнего времени транспорт неэлектролитов оставался наименее изученным. Недавно было показано, что мембранный белок аквопорин образует в мембране водную пору, непроницаемую для ионов. Пространственная структура аквапорина напоминает цилиндрический канал, по которому движутся молекулы воды. Аминокислоты в белке расположены таким образом, что полярность создаваемого ими электростатического поля «переключается» в центре молекулы на обратную. Поэтому молекулы воды, дойдя до середины канала, переворачиваются так, что их дипольные моменты в верхней и нижней части канала направлены в противоположные стороны. Такое переориентирование предотвращает просачивание через канал ионов. К настоящему времени известно около 200 разновидностей белков водных каналов у растений и животных, в том числе 11 — у человека. Благодаря аквапоринам клетки не только регулируют свой объем и внутреннее давление, но и выполняют такие важные функции, как всасывание воды в почках животных и корешках растений.

Открытие аквапоринов стимулировало интерес к чрезвычайно важной проблеме функционирования клетки — механизмам трансмембранного транспорта молекул простых газов и других малых незаряженных молекул. Прежде всего это касается молекулярного кислорода и его синглетно возбужденной формы, а также СО2, CO, NO, NH3 и др. Постоянный и интенсивный транспорт кислорода через клеточные мембраны — яркая особенность аэробной жизни, обусловленная в первую очередь его необходимостью для процессов дыхания и окислительного фосфорилирования. До последнего времени господствовало мнение, что диффузионное сопротивление липидного бислоя для кислорода практически не отличается от сопротивления слоя воды аналогичной толщины, и его трансмембранный транспорт осуществляется путем простой диффузии.

В последние годы на кафедре биофизики развернуты систематические исследования мембранного транспорта малых незаряженных молекул и, в первую очередь, кислорода. С помощью специально разработанного прямого метода измерения трансмембранного потока кислорода было установлено, что диффузионное сопротивление липидных слоев для кислорода на два — три порядка выше, чем ранее полагали. Это связано с существованием кислородных каналов в клеточных мембранах, осуществляющих интенсивный кислородный транспорт. Прежде всего, это относится к мембранам эритроцитов, содержащих значительное количество аквапорина.

Найдены условия, при которых интенсивность потока кислорода определяется диффузионным сопротивлением мембраны эритроцитов, а диффузионное сопротивление водной фазы, окружающей клетку, минимизируется. Установлено, что диффузионное сопротивление мембраны эритроцитов для кислорода существенно меньше, чем можно было ожидать в условиях простой диффузии через липидный бислой. Ингибирование каналов аквапоринов приближает диффузионное сопротивление мембран для кислорода к сопротивлению липидного бислоя.

Диапазоны действующих концентраций и величины наблюдаемых эффектов торможения потоков кислорода и воды совпадают. Это означают, что канальный транспорт кислорода и воды в мембранах эритроцитов имеет общую природу. Получены доказательства важной роли мембранного транспорта кислорода в физиологии газообмена человека, в частности, при больших физических нагрузках и различных заболеваниях.
Проблемы клеточного анабиоза

Способность к переходу в анабиоз (состояния организма, при котором жизненные процессы настолько замедлены, что отсутствуют видимые проявления жизни) присуща многим живым системам. Это состояние обычно для низших растений (мхи, лишайники), покоящихся спор микроорганизмов и семян высших растений. Семена растений представляются удобным объектом для изучения анабиоза. При анабиозе в клетках семян происходят деструктивные процессы, которые, в конце концов, приводят семена к гибели. Эти процессы протекают достаточно медленно, на что указывает возможность длительного (годы, десятилетия, и даже столетия) сохранения семенами жизнеспособности.

Оказалось, что в семенах медленно развиваются свободно-радикальные процессы деструкции и сшивки макромолекул. Продукты перекисного окисления (перекиси и альдегиды) участвуют в необратимых сшивках белков, липидов и нуклеиновых кислот. При этом наблюдается слабое свечение воздушно-сухих семян, являющееся фосфоресценцией при комнатной температуре.

Проведенные на семенах бобовых культур исследования позволили разработать метод оценки качества индивидуальных семян. Показано, что в каждой партии семян можно выделить три фракции — сильные (I), ослабленные (II) и мертвые (III). Распределение семян по трем фракциям может изменяться в ходе хранения и при различных воздействиях (УФ, ионизирующая радиация, гипертермия и др.). Вещества, тормозящие перекисное окисление липидов (эндогенные антиоксиданты, амидогуанин и др.) продлевают сроки хранения семян. Семена перспективно использовать и в качестве модели при исследовании общей проблемы старения.

Важным фактором жизнедеятельности является вода, на долю которой приходится основная часть содержимого живой клетки; она является прекрасным полярным растворителем, а также стабилизатором биологически важных структур, хотя ее роль этим не ограничивается. Поэтому чрезвычайно важным являются как фундаментальные, так и прикладные проблемы изучения роли воды в биологических процессах. Исследования, выполненные на модельных и биологических системах, привели к выводу, что вода во многом определяет равновесие сил в пределах макромолекул, мембран и других систем. Отражением этого равновесия сил является динамическая структура белков и мембран. Именно с динамикой белков и мембран связана эффективность многих биологических процессов. Оказалось, что макромолекулы ферментов характеризуются более интенсивным внутренним движением по сравнению с неферментными белками. Это, возможно, связано с более жесткими требованиями к процессам регуляции в случае ферментов, где не только сам субстрат, но и продукты его реакции не должны оказаться токсичными для организма.

Особенности динамической структуры биополимеров играют важную роль и на клеточном уровне организации. Здесь изменение динамики в процессах сорбции-десорбции белков приводит к заметному изменению числа степеней свободы и энтропии системы и, соответственно, к малому изменению свободной энергии в подобных процессах. В результате появляется еще один связанный с водой важный механизм управления биологическими процессами с помощью слабых воздействий. Связь между резкой активацией метаболизма и появлением воды в жидкой фазе была четко показана при изучении изменения состояния воды в ходе набухании семян растений.

Решающую роль в жизнеспособности живой клетки играет подвижная вода. Проводимые на кафедре исследования позволили обнаружить неизвестный ранее механизм удержания подвижной воды. Для более чем 100 видов и штаммов грибов, мхов и лишайников с помощью метода ЯМР было показано, что в воздушно-сухих клетках устойчивых к потере воды видов всегда сохраняется некоторое количество подвижной свободной воды. У неустойчивых форм, в том числе у разных штаммов одного вида, такая вода обычно отсутствует. Обычно у устойчивых форм ее количество составляет порядка нескольких процентов, а у криптококков, обитающих в условиях высокогорных пустынь Восточного Памира с резкими колебаниями температуры и влажности в течение суток, количество подвижной воды достигает 30% от веса воздушно-сухой биомассы.


01:49 25.03.2017



Отзывы и комментарии
Ваше имя (псевдоним):
Проверка на спам:

Введите символы с картинки:



Как начать домашний бизнес: своя столярная мастерская

Как начать домашний бизнес: своя...

 С 1996 года занимаюсь столярным бизнесом в масштабах домашней мастерской. Просто удивительно, что мы живём в стране посредников и гос. служащих. Люди будут ходить на чужое производство и зарабатывать...
Чего ждать бизнесу от государства в 2007 году

Чего ждать бизнесу от государств...

Активность государства в сфере регулирования экономических процессов в стране можно оценивать по-разному. Одни, перечисляя главные итоги прошлого года, говорят о крестовом походе на игорный бизнес и с...
Дизельные генераторы: как бороться с отключением электроэнергии

Дизельные генераторы: как бороть...

Эта зима выдалась на редкость трудной – количество выпавшего снега сильно превысило среднегодовые нормы, многие населенные пункты оказались без электричества на длительный период времени. Поваленные...
Курсы английского

Курсы английского

Курсы английского - эффективный способ организовать изучение английского языка. Учить английский можно и самостоятельно, однако, современные курсы английского, проводимые по коммуникативной методике, ...
Тепловая пушка - что это?

Тепловая пушка - что это?

Был маленький и никак не мог понять что это такое - тепловая пушка! у меня папа работал в энергетической компании и очень часто по телефону я слышал его речи о работе... в которых постоянно упоминалос...
Витамины для мозга

Витамины для мозга

Нас в детстве мамы кормили «витаминками» для того, что бы мы «росли умными и здоровыми». Большинство из нас оправдало мамины надежды: мы выросли, закончили институты, стали работать…но вот здоровье ин...
Культура и искусствоЗдоровье и МедицинаСтроительство и ремонтПродукты питания, рецептыЭкономические статьиОбщество и политикаОкружающий мирHi-TechОбучениеСемья, дом, детиИнтимная жизнь
Читаемые:

Новости развития информационнного портала:

Наш портал является ресурсом, который включает в себя полный перечень познавательных и занимательных статей. Каждый посетитель отыщет для себя что-нибудь нужное. Адаптированный дизайн дает возможность вам максимально быстро находить подходящую информацию. Самые разнообразные тематические статьи дают возможность вам совершенствоваться в той или иной сфере. Быть более начитанным и грамотным. Современный дизайн сайта позволяет просматривать статьи на всех существующих планшетах. Теперь отыскать нужную информацию стало просто.

Мы подобрали для вас полезные и увлекательные статьи. У нас сайте вы найдете ответы на необходимые для вас вопросы. Упрощенная система поиска позволяет вам мгновенно отыскать нужную информацию. Адаптированный дизайн позволяет вам просматривать информацию на любых гаджетах. Отныне, поиск нужной информации будет занимать у вас считанные секунды.