Программа элективного курса по биологии "загадки живой клетки". Физиологические свойства клеточной мембраны Лабораторная работа клеточная мембрана
Цель работы: показать, что клеточная мембрана обладает избирательной проницаемостью. Наглядно продемонстрировать роль мембраны в процессе фагоцитоза и пиноцитоза.
Оборудование: микроскопы, покровные и предметные стекла, скальпели, препаровальные иглы, стаканчики для воды и растворов, фильтровальная бумага, пипетки, тушь. Культура инфузорий, амеб, лист элодеи. Растворы NaCl или KCl, растворы CaCl или MgCl, 2%-ный раствор альбумина, 10%-ный раствор NaCl, дистиллированная вода.
Ход работы:
1. В слабый раствор NaCl или KCl поместите инфузории. Приготовьте микропрепарат для микроскопа. Можно увидеть сморщивание клеток, указывающее на проницаемость клеточной оболочки. В данном случае вода из клетки выходит в окружающую среду. Перенесите клетки в каплю дистиллированной воды или оттяните из-под покровного стекла раствор при помощи фильтровальной бумаги и замените его на дистиллированную воду. Пронаблюдайте, как клетки набухают вследствие поступления в них воды.
Поместите инфузорий в раствор CaCl или MgCl небольшой концентрации (такой же, как и предыдущий раствор). Инфузории продолжают жить, каких-либо деформаций не наблюдается. Ионы Ca и Mg понижают проницаемость клеточной оболочки, в противоположность ионам Na и K. Передвижения воды через оболочку не происходит.
2. Поместите амеб в каплю 2%-ного раствора альбумина (белок куриного яйца). Приготовьте микропрепарат для микроскопа. Через некоторое время на поверхности амеб начинают образовываться пузырьки, выпячивания, канальцы. Создается впечатление, что поверхность амеб «кипит». Это сопровождается интенсивным движением жидкости у поверхности мембраны. Пузырьки жидкости окружаются выступами цитоплазмы. Которые затем смыкаются. Пиноцитозные пузырьки иногда появляются внезапно, что говорит о быстром захвате капельки жидкости вместе с растворимым в ней веществом.
Поместите амеб в раствор сахара. Пиноцитоз отсутствует. Пиноцитоз вызывают лишь вещества, понижающие поверхностное натяжение клеточной оболочки, например аминокислоты, некоторые соли. В каплю жидкости, в которой находятся амебы, введите немного мелкорастертой туши. Приготовьте препарат для микроскопа. Через некоторое время амебы начинают медленно передвигаться в сторону крупинок туши, выпуская псевдоподии. Крупинки туши прикрепляются к поверхности псевдоподий, затем медленно окружаются ими и через некоторое время оказываются погруженными в цитоплазму. Под микроскопом наблюдайте явление фагоцитоза у амебы.
3. В цитоплазме клеток элодеи видно множество округло-овальных телец зеленого цвета – это хлоропласты. Рассмотрите клетки вблизи центральной жилки листа. В них можно обнаружить движение цитоплазмы и пластид вдоль стенок. Если движение малозаметно, подогрейте препарат под электролампой.
4. Зарисуйте все, что вы видели на микропрепаратах. Обсудите в группах увиденные процессы, попробуйте дать им объяснение.
Прочитайте:
|
Разные вещества проходят через мембрану с разной скоростью, поэтому мы говорим, что мембраны избирательно проницаемы. При этом скорость прохождения веществ меняется в зависимости от физиологического состояния клетки или органеллы.
Благодаря избирательной проницаемости они регулируют транспорт веществ между наружной средой и клеткой, между органеллами цитоплазмой и т. д.
Регулируя поступление веществ в клетку и их выведение, мембраны тем самым регулируют скорость и направление биохимических реакций, которые составляют основу обмена веществ организма. Сама избирательная проницаемость мембран зависит от обмена веществ в клетке.
Мембраны регулируют обмен веществ и другим способом – изменяя активность ферментов. Некоторые ферменты активны только тогда, когда они прикреплены к мембране, другие, наоборот, в этом состоянии не проявляют активности и начинают действовать только после того, как мембрана выпустит их на «свободу». Изменение проницаемости мембраны может способствовать контакту фермента с субстратом, после чего начинается химическая реакция, которая сначала была невозможна.
Мембранные ферменты работают хорошо только тогда, когда они находятся в контакте с липидами. В присутствии липидов может меняться форма молекул мембранных белков – ферментов, таким образом, что их активные центры становятся доступным для субстрата. Кроме того, локализация фермента на мембране определяет место данной реакции в клетке.
Другой важной стороной ферментативной деятельности мембран является координация химических реакций, проходящих в клетках. Когда несколько ферментов катализируют цепь реакций, в которой продукт первой реакции служит субстратом для другой и т. д., то эти ферменты располагаются на мембране в определенной последовательности, образуя мультиферментную систему. Таких систем в мембране много, например цепь дыхательных ферментов. В этом случае ферменты располагаются в строгой последовательности с минимальным расстоянием между ними.
Компартментализация клетки – необходимое условие для жизнедеятельности и одна из основных функций мембран. Во-первых, мембраны увеличивают внутреннюю поверхность клетки, на которой локализованы ферменты и проходят химические реакции. Во-вторых, разные компартменты отличаются по химическому составу. Далее, поскольку компартменты имеют различный химический состав в них проходят разные биохимические реакции, то с помощью мембран осуществляется физическое разделение метаболических процессов, часто противоположного направления. Например, синтез белков идет в рибосомах, а распад – в лизосомах. Каждый из этих процессов регулируется независимо один от другого. Приведем еще пример: синтез жирных кислот и их окисление. Первый процесс происходит в цитоплазме, второй – в митохондриях.
Однако метаболические системы не полностью изолированы одна от другой. В мембранах, разделяющих клетку на компартменты, имеются специализированные механизмы, которые транспортируют из одного в другой субстраты, продукты реакции, а также кофакторы и соединения, имеющие регуляторное действие. Таким образом, скорость отдельных метаболических процессов, которые происходят внутри компартментов, частично регулируются транспортными системами мембран.
Регуляция скорости метаболических процессов может происходить благодаря перемещению регулируемых веществ с одного компартмента в другой.
В разных компартментах имеются разные концентрации органических веществ, ионов, разный химический состав. Например, в вакуолях всегда находится запас аминокислот, органических кислот, сахаров, ионов. Это приводит к химической геторогенности в клетке. Неодинаковая концентрация ионов по обеим сторонам мембраны приводит к возникновению разности электрических потенциалов. Так плазмалемма несет отрицательный заряд, а тонопласт – положительный. Разные концентрации и химический состав обуславливают разную вязкость в разных частях цитоплазмы.
Обладая избирательной проницаемостью, пропуская в клетку необходимые вещества, мембраны выполняют еще одну функцию – регулируют гомеостаз. Гомеостазом называют свойство клетки (органеллы, органа, организма, экосистемы) поддерживать постоянство своей внутренней среды.
Почему внутренняя среда клетки должна оставаться постоянной? Мембранные белки и белки-ферменты относятся к глобулярным. Глобулярная нативная структура белковых молекул зависит от слабых связей, легко разрушаемым даже при малом изменении внутренней среды клетки. Таким образом, клетка должна поддерживать гомеостаз, чтобы не изменялась нативная структура белков. Если измениться третичная или четвертичная структура белка, то и фермент потеряет или изменит свою активность и нарушится строгое соответствие структуры фермента и субстрата, для того чтобы пошла реакция.
От структуры белковой молекулы зависит ее размещение в мембране, и, таким образом, ее свойства и функции. Изменение конформации белковых молекул может менять количество гидрофобных и гидрофильных радикалов на ее поверхности. Это приводит к изменению расположения белковых глобул в мембране. Последнее окажет влияние на ее избирательную способность и другие свойства, что, в свою очередь, вызовет нарушение геторогенности, исчезновению ферментов и может привести к гибели клетки.
Мембраны принимают участие в адаптации клетки к меняющимся условиям окружающей среде, о чем поговорим ниже.
Большая часть мембран, кроме общих функций, таких как регулирование обмена веществ, компартментизация, выполняют и специальные. Например, мембраны митохондрий и хлоропластов принимают непосредственное участие в синтезе АТФ. Жизнь – это беспрерывная работа, для выполнения которой все время необходимо расходовать энергию.
Таким образом, синтез АТФ необходим постоянно, он связан со строго определенной структурой мембран органелл (хлоропласты, митохондрии). Нарушение этой структуры приводит к снижению синтеза АТФ, а это значит – к смерти.
Лабильная структура мембран позволяет им выполнять разные функции: барьерные, транспортные осмотические, электрические, структурные, энергетические, биосинтетические, секреторные, рецепторно- регуляторные и некоторые другие.
В последнее время накапливается все больше данных, свидетельствующих о том, что некоторые мембраны образуются путем физического переноса мембранного материала от одних клеточных компонентов к другим. Есть данные, позволяющие считать ЭС источником тех строительных блоков, которые в конечном итоге включаются в плазмалемму. Возможно, это происходит в результате отшнуровывания пузырьков от цистерн Гольджи. По всей вероятности, в аппараты Гольджи совершается перестройка мембран двух типов: мембран, характерных для ЭС, в мембраны, свойственные плазмалемме.
В заключение укажем на основные свойства мембран:
1. Мембраны являются сложными структурами. Они состоят из структурных белков и липидов, но могут также включать высокоспецифические молекулы ферментов, пигментов и кофакторов.
2. Благодаря химической вариабильности составляющих мембраны молекул белков и липидов и в зависимости от их функций, различные мембраны могут иметь разную структуру.
3. Структура мембран обеспечивает высокую степень упорядоченности которой специфические молекулы могут образовывать комплексные функциональные единицы.
4. Ферментные реакции и другие процессы в мембранах могут приводить к пространственно направленным, или векторным, реакциям; мембраны асимметричны
Плазмолиз (от греч. plásma - вылепленное, оформленное и lýsis - разложение, распад) , отделение протопласта от оболочки при погружении клетки в гипертонический раствор.
Плазмолиз характерен главным образом для растительных клеток, имеющих прочную целлюлозную оболочку. Животные клетки при перенесении в гипертонический раствор сжимаются. В зависимости от вязкости протоплазмы, от разницы между осмотическим давлением клетки и внешнего раствора, а следовательно от скорости и степени потери воды протоплазмой, различают плазмолиз выпуклый, вогнутый, судорожный и колпачковый. Иногда плазмолизированные клетки остаются живыми; при погружении таких клеток в воду или гипотонический раствор происходит деплазмолиз.
Для сравнительной оценки плазмолиза в тканях существует два метода:
Метод пограничного плазмолиза
- Плазмометрический метод.
Первый метод, разработанный Хуго Де Фризом (1884), заключается в погружении тканей в растворы с различной концентрацией KNO3, сахарозы или другие осмотически активного вещества и установлении той концентрации, при которой плазмолизируется 50 % клеток. При плазмометрическом методе после плазмолиза измеряют относительный объём клетки и протопласта и по концентрации раствора вычисляют осмотическое давление клетки (по соответствующим формулам) .
Деплазмолиз (от де… и плазмолиз) - возвращение протопласта клеток растений из состояния плазмолиза в исходное состояние, характеризующееся нормальным тургором.
Деплазмолиз происходит при перенесении плазмолизированных клеток (то есть клеток, подвергшихся плазмолизу) в воду или гипотонические растворы.
Тургор (позднелат. turgor - вздутие, наполнение, от лат. turgere - быть набухшим, наполненным) , напряжённое состояние клеточной оболочки, зависящее от осмотического давления внутриклеточной жидкости (Р внутреннее) , осмотическое давления внешнего раствора (Р внешнее) и упругости клеточной оболочки (УО) . Обычно УО клеток животных (исключая некоторых кишечнополостных) невелика, они лишены высокого Т. и сохраняют целостность только в изотонических растворах или мало отличающихся от изотонических (разница между Р внутренним и Р внешним меньше 0,5-1,0 ам) . У живых растительных клеток Р внутреннее всегда больше Р внешнего, однако разрыва клеточной оболочки у них не происходит из-за наличия целлюлозной клеточной стенки. Разница между Р внутренним и Р внешним у растений (например, у растений галофитов, грибов) достигает 50-100 ам, но даже при этом запас прочности растительной клетки составляет 60-70%. У большинства растений относительное удлинение клеточной оболочки вследствие Т. не превышает 5- 10%, а тургорное давление лежит в пределах 5-10 ам. Благодаря Т. ткани растений обладают упругостью и конструктивной прочностью. Все процессы автолиза, увядания и старения сопровождаются падением Т.
Вода́ (оксид водорода) - бинарное неорганическое соединение, химическая формула Н 2 O. Молекула воды состоит из двух атомовводорода и одного - кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью. При нормальных условиях представляет собой прозрачную жидкость, не имеет цвета (в малом объёме), запаха и вкуса. В твёрдом состоянии называется льдом (кристаллы льда могут образовывать снег или иней), а в газообразном - водяным паром. Вода также может существовать в виде жидких кристаллов (нагидрофильных поверхностях) . Около 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озёра, реки, льды) - 361,13 млн км 2 . На Земле примерно 96,5 % воды приходится на океаны, 1,7 % мировых запасов составляют грунтовые воды, ещё 1,7 % на ледники и ледяные шапки Антарктиды и Гренландии, небольшая часть в реках, озёрах и болотах, и 0,001 % в облаках (образуются из взвешенных в воздухе частиц льда и жидкой воды) . Бо́льшая часть земной воды - солёная, и она непригодна для сельского хозяйства и питья. Доляпресной составляет около 2,5 %, причём 98,8 % этой воды находится в ледниках и грунтовых водах. Менее 0,3 % всей пресной воды содержится в реках, озёрах и атмосфере, и ещё меньшее количество (0,003 %) находится в живых организмах .
Является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы).
Вода имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формированииклимата и погоды. Является важнейшим веществом для всех живых существ на планете Земля .
Первая особенность: вода - единственное вещество на Земле (кроме ртути),
для которого зависимость удельной теплоемкости от температуры имеет
минимум.Из-за того, что удельная теплоемкость воды имеет
минимум около 37°С, нормальная температура человеческого тела,
состоящего на две трети из воды, находится в диапазоне температур
36°-38°С(внутренние органы имеют более высокую температуру, чем
наружные).
Вторая особенность: теплоемкость воды аномально
высока. Чтобы нагреть определенное ее количество на один градус,
необходимо затратить больше энергии, чем при нагреве других жидкостей, -
по крайней мере вдвое по отношению к простым веществам. Из этого
вытекает уникальная способность воды сохранять тепло. Подавляющее
большинство других веществ таким свойством не обладают. Эта
исключительная особенность воды способствует тому, что у человека
нормальная температура тела поддерживается на одном уровне и жарким
днем, и прохладной ночью.
Таким образом, вода играет
главенствующую роль в процессах регулирования теплообмена человека и
позволяет ему поддерживать комфортное состояние при минимуме
энергетических затрат. При нормальной температуре тела человек находится
в наиболее выгодном энергетическом состоянии.
Температура
других теплокровных млекопитающих (32-39°С) также хорошо соотносится с
температурой минимума удельной теплоемкости воды.
Третья
особенность: вода обладает высокой удельной теплотой плавления, то есть
воду очень трудно заморозить, а лед - растопить. Благодаря этому климат
на Земле в целом достаточно стабилен и мягок.
Все три особенности тепловых свойств воды позволяют человеку оптимальным
образом существовать в условия благоприятной среды.
выполняет транспортную функцию по «доставке» питательных веществ тканям и
органам при корневом и листовом питании, обмеенных процессах и синтезе,
- термолегулирующую, препятствующую перегреву тканей и денатурации
(разрушению) белков, в т. ч. ферментов и гормонов,
- является основной составляющей частью растительных организмов (на 80-90%
растения состоят из воды) , создающая тургор- упругость тканей,
- как источник элемента питания- водорода (Н) , необходимого в процессах
фотосинтеза первичных сахаров
Растительные клетки только на самой ранней стадии развития бывают сплошь заполнены протоплазмой. Очень скоро в протоплазме начинают появляться полости, вакуоли – резервуары с клеточным соком. Образование вакуолей обусловлено наличием в протоплазме веществ, сильно притягивающих воду. По мере роста и старения клетки отдельные вакуоли сливаются в одну сплошную полость, а протоплазма низводится до тонкого слоя, выстилающего клеточные стенки. Только тяжи и нити протоплазмы пересекают разросшуюся во всю клетку вакуолю.
Клеточный сок, находящийся в вакуолях, имеет сложный химический состав. В нем содержатся в растворенном виде минеральные соли, органические кислоты (щавелевая, яблочная, лимонная, виннокаменная) и их соли, сахара, азотистые вещества, алкалоиды, глюкозиды, дубильные вещества и др.
В клеточном соке нередко встречаются красящие вещества – пигменты (антоциан, реже антохлор). Окраска антоциана меняется в зависимости от реакции среды. При кислой она красная или фиолетовая, при щелочной – синяя.
Антоцианом окрашены корни свеклы, листья красной капусты, фиолетовые, красные и синие лепестки цветков. Второй растворимый пигмент антохлор тоже иногда встречается в лепестках и окрашивает их в желтый цвет.
От состава клеточного сока зависит полезность многих культурных растений. Сахаристость сахарной свеклы, сладкий вкус арбуза и фруктов определяются клеточным соком. Живая клетка растений представляет собой осмотическую систему, где различные вещества направляются через мембраны от большей концентрации к меньшей до уравнивания их.
Когда клетка находится в воде или в очень слабом растворе солей (как почвенный раствор), вода поступает в клеточный сок, вследствие чего вакуоля увеличивается в объеме, растягивает протоплазму и плотно прижимает ее к оболочке. Несколько растягивается и оболочка и находится, как говорят, в состоянии тургора (напряжения). При большом содержании в клетках сахара (плоды вишни, черешни, винограда) и обильном увлажнении (частые дожди) тургор может быть настолько большим, что клетки лопаются.
Обратное явление наблюдается при плазмолизе. Если живую растительную клетку поместить в гипертонический раствор сахара или соли (более крепкий, чем клеточный сок), то вода будет выходить из клетки наружу, так как осмотическая (притягивающая) сила такого раствора больше осмотической силы клеточного сока.
Особенно велико осмотическое давление у растений, произрастающих в пустынях и на солончаках. Во многих случаях оно достигает 50 и даже 100 атм. атм). По количественным показателям, основанным на концентрации, осмотическое давление у некоторых растений во много раз превышает давление пара в самых мощных локомотивах. В действительности клеткам приходится испытывать лишь разницу осмотических давлений клеточного сока и почвенных растворов, концентрация которых в почвах пустынь и солончаках большая.
Процесс поступления веществ в клетку называется эндоцитозом. Различают пиноцитоз и фагоцитоз.
Фагоцитоз (греч. фаго – пожирать) – поглощение клеткой твердых органических веществ. Оказавшись около клетки, твердая частица окружается выростами мембраны, или под ней образуется впячивание мембраны. В результате частица оказывается заключенной в мембранный пузырек внутри клетки. Такой пузырек называют фагосомой. Термин «фагоцитоз» был предложен И. И. Мечниковым в 1882 г. Фагоцитоз свойствен простейшим, кишечнополостным, лейкоцитам, а также клеткам капилляров костного мозга, селезенки, печени, надпочечников.
Второй способ поступления веществ в клетку называют пиноцитозом (греч. пино – пью) – это процесс поглощения клеткой мелких капель жидкости с растворенными в ней высокомолекулярными веществами. Осуществляется путем захвата этих капель выростами цитоплазмы. Захваченные капли погружаются в цитоплазму и там усваиваются. Явление пиноцитоза свойственно животным клеткам и одноклеточным простейшим.
Еще один способ поступления веществ в клетку – осмос – прохождение воды через избирательно проницаемую мембрану клетки. Вода переходит из менее концентрированного раствора в более концентрированный. Вещества могут также проходить через мембрану путем диффузии – так транспортируются вещества, способные растворяться в липидах (простые и сложные эфиры, жирные кислоты и т. д.) . Путем диффузии по градиенту концентрации по специальным каналам мембраны идут некоторые ионы (например, ион калия выходит из клетки) .
Кроме того, транспорт веществ через мембрану осуществляет натрий-калиевый насос: он перемещает ионы натрия из клетки и ионы калия в клетку против градиента концентраций с затратой энергии АТФ.
Фагоцитоз, пиноцитоз и натрий-калиевый насос – это примеры активного транспорта, а осмос и диффузия – пассивного транспорта
ВОДНЫЙ БАЛАНС РАСТЕНИЙ
Соотношение между количеством воды, которое растения получают, и количеством воды, которое они за тот же период времени расходуют.
Водный баланс и завядание. Одним из наиболее динамичных процессов в растении является водный обмен, который находится в тесной корреляций с другими процессами жизнедеятельности растения. Водный баланс - это поступление и расходование воды растением. При умеренной транспирации и достаточном поступлении воды в растение создается благоприятный водный баланс. В ясный солнечный день это равновесие нарушается и в растении возникает водный дефицит, который обычно составляет 5-10%. Такой дефицит считается вполне нормальным и не приносит особого вреда растению.
При интенсивной транспирации или иссушении почвы, когда поступление воды в растение прекращается, происходит значительная потеря растительными клетками воды, которая не пополняется поглощением ее из почвы, в результате чего образуется водный дефицит, часто наблюдаемый в наиболее жаркие часы суток у растений.
При водном дефиците листья теряют тургор, завядают, повисают.
Некоторые растения, имеющие в органах большое количестве механических тканей, например бессмертники (род. Helichrysum), не изменяют своего внешнего вида при водном дефиците, при значительной потере воды и даже при гибели.
Наблюдения показали, что обычно на рассвете внутренний градиент в растении и почве почти выравнивается, уравновешиваются водные потенциалы растения и почвы. В утренние часы, когда листья начинают транспирировать, водный потенциал становится несколько меньшим, чем на рассвете, однако поступление воды в растение начинается; когда создается необходимый градиент водных потенциалов от листьев к поверхности раздела корень-почва.
Завядание бывает временным и длительным.
Дата добавления: 2015-02-02 | Просмотры: 1725 | Нарушение авторских прав
| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 32 | | |
РАЗДЕЛ 2
ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
Лабораторная работа № 1
Сравнение проницаемости мембран живых и мертвых клеток
Задание: выявить различия в проницаемости мембран живых и мертвых клеток и сделать вывод о причинах этих различий.
Материалы и оборудование: пробирки, штатив для пробирок, скальпель, спиртовка или газовая горелка, 30%-й раствор уксусной кислоты, корнеплод столовой свеклы.
Порядок работы
1. Корнеплод свеклы после удаления покровных тканей разрезают на кубики (сторона кубика 5 мм) и тщательно промывают водой, чтобы удалить пигмент, вышедший из поврежденных клеток.
2. По одному кусочку свеклу опускают в три пробирки. В первую и вторую наливают по 5 мл воды, в третью - 5 мл 30%-го раствора уксусной кислоты. Первую пробирку оставляют для контроля. Содержимое второй кипятят 2-3 минуты.
3. Ввакуолях клеток корнеплода столовой свеклы содержится бетацианин - пигмент, придающий ткани корнеплода окраску. Тонопласты живых клеток непроницаемы для молекул этого пигмента. После гибели клеток тонопласт теряет свойство полупроницаемости, становится проницаемым, молекулы пигмента выходят из клеток и окрашивают воду.
Во второй и третьей пробирках, где клетки были убиты кипячением или кислотой, вода окрашивается, а в первой пробирке остается неокрашенной.
4. Записать результаты наблюдений.
Лабораторная работа № 2
Тургор, плазмолиз и деплазмолиз
Задание: изучить под микроскопом явления тургора, плазмолиза и деплазмолиза в клетках эпидермы синего лука.
Материалы и оборудование: микроскопы, препаровальные принадлежности, спиртовки, синий лук, корни столовой свеклы, 30%-й раствор сахара, 5-8%-й раствор калийной селитры.
Порядок работы
1. Сделать плоскостной срез эпидермы синего лука, положить его на предметное стекло в каплю воды.
2. Закрыть каплю покровным стеклом и наблюдать за клетками в состоянии тургора в микроскоп.
3. Взять каплю 30%-го раствора сахара и поместить ее рядом с покровным стеклом.
4. Касаясь фильтровальной бумагой противоположного конца покровного стекла, произвести замену воды в препарате раствором сахара.
5. Снова провести наблюдение под микроскопом. Если плазмолиз еще не заметен, повторить замену воды раствором сахара.
Под микроскопом будет хорошо заметен плазмолиз в живых клетках эпидермы.
6. Провести опыт в обратном порядке, т. е. снова вернуть воду и пронаблюдать явление деплазмолиза.
7. Зарисовать клетки в состоянии тургора, плазмолиза и деплазмолиза.
8. Для доказательства того, что плазмолиз и деплазмолиз происходят только в живых клетках, параллельно провести такой опыт. Один из срезов эпидермы лука, помещенный в каплю воды, подержать над пламенем спиртовки, чтобы убить клетки. Затем нанести раствор сахара и посмотреть, происходит ли плазмолиз.
Описанный опыт позволяет познакомиться не только с процессами тургора, плазмолиза и деплазмолиза, но и с процессом поступления веществ в клетку (в данном случае молекул сахара из раствора).
При изучении явлений плазмолиза и деплазмолиза в клетках корня столовой свеклы порядок работы такой же, но вместо раствора сахара лучше использовать 5%-й раствор калийной селитры.
Лабораторная работа № 3
Определение транспирации весовым методом
Задание: определить количество воды, испаряемое растением за определенный промежуток времени, весовым методом.
Материалы и оборудование: весы, разновесы, ножницы, посуда, подставка, живые растения.
Порядок работы
1. U-образную трубку укрепить на подставке и налить в нее воду. Срезать c растения один лист (или небольшую ветвь с двумя листьями) и при помощи ватной пробки укрепить его в одном колене (ватная пробка не должна касаться воды, иначе вода будет испаряться и через нее). Другое колено закрыть каучуковой или пластмассовой пробкой (если нет такой трубки, можно взять простую пробирку и поверхность воды залить растительным маслом, чтобы не было испарения).
2. Взвесить прибор и одновременно маленький кристаллизатор, наполненный водой. Приборчик и кристаллизатор поместить на окно.
3. Через 1-2 ч произвести повторное взвешивание. Масса уменьшается в обоих случаях, так как происходит испарение воды.
Лабораторная работа № 4
Наблюдение за движением устьиц
Задание:
наблюдать за устьичными движениями, объяснить причину устьичных движений, зарисовать устьица в воде и в растворах 5-ти и
20%-
го глицерина.
Цель работы: наблюдать за устьичными движениями в воде и в растворе глицерина.
Материалы и оборудование: растворы глицерина (5-ти и 20%-й), 1М раствор сахарозы, микроскопы, предметные и покровные стекла, препаровальные иглы, фильтровальная бумага, бюксы, листья любых растений.
Порядок работы
1. Приготовить несколько срезов нижней эпидермы листа и поместить их на 2 ч в 5%-й раствор глицерина. Глицерин проникает в вакуоли замыкающих клеток, понижает их водный потенциал и, следовательно, повышает их способность насасывать воду. Срезы помещают на предметное стекло в том же растворе, отмечают состояние клеток и зарисовывают их.
2. Заменить глицерин водой, оттягивая его из-под стекла фильтровальной бумагой. При этом наблюдается открывание устьичных щелей. Препарат зарисовать.
3. Воду заменить сильным осмотиком - 20%-ным раствором глицерина или 1М раствором сахарозы. Наблюдают закрывание устьиц.
4. Сделать выводы.
Лабораторная работа № 5
Продукты фотосинтеза
Задание: изучить процесс образования первичного крахмала в листьях.
Материалы и оборудование: спиртовки, водяные бани, ножницы, электроплитки, лампы накаливания в 200-300 Вт, посуда, живые растения (тыква, фасоль, пеларгония, примула и др.), этиловый спирт, раствор йода в йодистом калии.
Порядок работы
1. При помощи крахмальной пробы доказать, что в процессе фотосинтеза образуется крахмал.
Хорошо политое растение надо поставить на 2-3 дня в темное место. За это время произойдет отток ассимилятов из листьев. Новый крахмал образоваться в темноте не может.
Чтобы получить контраст от процесса фотосинтеза, часть листа надо затемнить. Для этого можно использовать фотонегатив или два одинаковых светонепроницаемых экрана, прикрепив их сверху и снизу. Рисунки на экране (вырезки) могут быть самыми различными.
Лампу накаливания в 200-300 Вт помещают на расстоянии 0,5 м от листа. Через час или два лист надо обработать, как указывалось выше. Удобнее это делать на плоской тарелке. Одновременно обрабатывают лист, который оставался затемненным все время.
Части, подвергавшиеся освещению, окрашиваются в синий цвет, а остальные имеют желтую окраску.
Летом можно видоизменить опыт - закрыть на растении несколько листьев, надев на них пакетики из черной светонепроницаемой бумаги с соответствующими вырезами; через двое - трое суток, в конце солнечного дня, срезать листья, прокипятить их сначала в воде, а потом обесцветить спиртом и обработать раствором йода в йодистом калии. Затемненные места листьев будут светлыми, а освещенные станут черными.
У некоторых растений (например, у лука) первичным продуктом фотосинтеза является не крахмал, а сахар, поэтому к ним крахмальная проба неприменима.
2. Записать результаты наблюдений.
Лабораторная работа № 6
Получение из листьев спиртовой вытяжки пигментов
и их разделение
Задание: получить спиртовую вытяжку пигментов, произвести их разделение и ознакомиться с основными свойствами пигментов.
Материалы и оборудование: ножницы, ступки с пестиками, штативы с пробирками, посуда, спиртовки, водяные бани, свежие или сухие листья (крапивы, аспидистры, плюща или других растений), этиловый спирт, бензин, 20%-й раствор NaОН (или КОН), сухой мел, песок.
Порядок работы
1. Поместить в чистую ступку измельченные ножницами сухие листья, добавить немного мела для нейтрализации кислот клеточного сока. Тщательно растереть массу пестиком, приливая этиловый спирт (100 см 3), затем профильтровать раствор.
Полученная вытяжка хлорофилла обладает флюоресценцией: в проходящем свете она зеленая, в отраженном свете - вишнево-красная.
2. Разделить пигменты методом Крауса.
Для этого надо налить в пробирку 2-3 см 3 вытяжки и добавить полуторный объем бензина и 2-3 капли воды; затем нужно встряхнуть пробирку и подождать, когда станут хорошо заметны два слоя - вверху бензиновый, внизу спиртовой. Если разделения не произойдет, следует добавить еще бензина и снова встряхнуть пробирку.
В случае появления мути надо добавить немного спирта.
Так как бензин в спирте не растворяется, он оказывается наверху. Зеленый цвет верхнего слоя говорит о том, что в бензин перешел хлорофилл. Кроме него в бензине растворяется и каротин. Внизу, в спирте, остается ксантофилл. Нижний слой имеет желтый цвет.
После отстаивания раствора образуются два слоя. В результате омыления хлорофилла происходит отщепление спиртов и образование натриевой соли хлорофиллина, которая, в отличие от хлорофилла, не растворяется в бензине.
Для лучшего омыления пробирку с добавлением NaОН можно поставить в водяную баню с кипящей водой и, как только раствор закипит, вынуть. После этого приливают бензин. В бензиновый слой (верхний) перейдут каротин и ксантофилл (цвет будет желтый), а в спиртовой - натриевая соль хлорофилловой кислоты.
Лабораторная работа № 7
Обнаружение дыхания растений
Задание: доказать, что при дыхании растений выделяется СО 2 , зарисовать прибор, который помогает обнаруживать дыхание по выделению СО 2 , сделать подписи к рисунку.
Материалы и оборудование: 2 стеклянные банки вместимостью 300-400 мл, 2 резиновые пробирки с отверстиями для воронки и трубки, 2 воронки, 2 изогнутые в виде буквы «П» стеклянные трубки длиной 18-20 см и диаметром 4-5 мм, 2 пробирки, химический стакан, раствор Ва(ОН) 2 , проросшие семена пшеницы, подсолнечника, кукурузы, гороха и др.
Порядок работы
1. В стеклянную банку насыпают 50- 60 г проросших семян, плотно закрывают ее пробкой, в которую вставлены воронка и изогнутая стеклянная трубка и оставляют на 1- 1,5 ч. За это время в результате дыхания семян в банке накопится диоксид углерода. Он тяжелее воздуха, поэтому сосредоточен в нижней части банки и не попадает в атмосферу через воронку или трубку.
2. Одновременно берут контрольную банку без семян, также закрывают ее резиновой пробкой с воронкой и стеклянной трубкой и ставят рядом с первой банкой.
3. Свободные концы стеклянных трубок опускают в две пробирки с баритовой водой. В обе банки через воронки начинают понемногу наливать воду. Вода вытесняет из банок воздух, обогащенный СО 2 , который поступает в пробирки с раствором Ва(ОН) 2 . В результате баритовая вода мутнеет.
4. Сравнивают степень помутнения Ва(ОН) 2 в обеих пробирках.
Лабораторная работа № 8
Определение интенсивности дыхания в чашках Конвея
Задание: проделать опыт и вычислить интенсивность дыхания исследуемых объектов в зависимости от вариантов опыта.
Материалы и оборудование: чашки Конвея, вазелин, бюретки, штативы, фильтровальная бумага, ножницы, весы, разновесы, реактивы: 0,1н Ва(ОН) 2 ; 0,1н HCl, фенолфталеин, любые проростки и взрослые растения или их органы.
Порядок работы
1. Чашки Конвея перед опытом калибруют, они должны быть одинакового объема для контрольного и опытного вариантов. Каждый вариант опыта ставят в трех повторностях.
2. Во внешний круг чашки Конвея раскладывают навеску растительного материала массой 0,5-1,0 г. Во внутренний цилиндр наливают 1 или 2 мл 0,1н Ва(ОН) 2 .. Чашку герметично закрывают притертой крышкой (так, чтобы на крышке проявился прозрачный контур шлифа чашки) и ставят на 20 - 40 мин в темноту (для исключения фотосинтеза в зеленых тканях растений). За время экспозиции накопившийся в объеме чашки Конвея углекислый газ реагирует с гидроксидом бария:
СО 2 + Ва(ОН) 2 = ВаСО 3 + Н 2 О.
Избыток Ва(ОН) 2 оттитровывают 0,1н НС1 по фенолфталеину до исчезновения розовой окраски.
3. Одновременно с опытной ставят контрольную чашку Конвея (без навески). В нее наливают такой же объем раствора 0,1н Ва(ОН) 2 , закрывают притертой крышкой и оставляют рядом с опытной чашкой. Гидроксид бария в этой чашке реагирует с углекислым газом, изначально находившимся в ее объеме в составе воздуха. Избыток барита оттитровывают.
4. По разнице объемов раствора соляной кислоты, пошедшей на оттитровывание избытка Ва(ОН) 2 в контрольной и опытной чашках, вычисляют интенсивность дыхания (И. д.):
Мг СО 2 /(г∙ч),
где V НС1к - объем 0,1н НС1, пошедший на титрование избытка Ва(ОН) 2 в контрольной чашке; V НС1оп - объем 0,1н НС1, пошедший на титрование избытка Ва(ОН) 2 в опытной чашке; Р - масса навески, г;
t - время, ч; 2,2 - коэффициент пересчета НС1 в СО 2 (1 мл 0,1н НС1 или Ва(ОН) 2 эквивалентен 2,2 мг СО 2).
Лабораторная работа № 9
Значение различных элементов для растений
Задание: изучить значение различных минеральных элементов для роста гриба аспергилла.
Материалы и оборудование: весы, термостат, ватные пробки, фильтры, пять колб по 100 см 3 , пробирки, пипетка, два стакана, воронка, минеральные соли, сахароза, органическая кислота (лимонная), культура гриба аспергилла, выращенная на кусочках картофеля или хлеба в течение 3-4 дней.
Порядок работы
1. Вырастить гриб на питательных смесях.
Установлено, что аспергилл предъявляет к условиям минерального питания примерно такие же требования, как высшие растения. Из минеральных элементов гриб не нуждается только в кальции. Питательные смеси готовят в колбах на 100 см 3 и составляют по определенной схеме (табл. 1).
Нумерация колб соответствует нумерации вариантов опыта. Внизу записывают результаты опыта.
Таблица 1
Схема составления питательных смесей
Вещества | Концентрация | Количество вещества (в мл) в колбах |
||||
№ 1 - полная смесь | № 2 - без N | № 3 - без Р | № 4 - без К | № 5 - без минеральных веществ |
||
Сахароза Лимонная кислота | ||||||
Результаты Масса мицелия, г | ||||||
Лимонную кислоту добавляют для создания кислой среды, благоприятной для аспергилла, но подавляющей развитие других микроорганизмов.
2. В пробирку или колбочку налить стерильную воду и поместить в нее мицелий гриба, взятый стерильной петлей, размешать содержимое вращением между пальцами или ладонями.
Полученную суспензию внести стерильной пипеткой во все колбы.
Закрыть колбы ватными пробками и поставить в термостат при температуре 30-35 °С. Наблюдение провести через неделю.
Сущность опыта заключается в том, что, определяя массу мицелия гриба, выращенного на различных питательных смесях, можно узнать его потребность в отдельных элементах.
3. Произвести взвешивание, для чего взять два чистых стакана, одну воронку и несколько одинаковых бумажных фильтров. Взвесить один стакан (№ 1) с воронкой и фильтром и записать массу. Затем поставить воронку в другой стакан (№ 2), перенести на фильтр мицелий гриба из первой колбы, промыть водой и после стенания воды перенести воронку обратно в стакан № 1. Снова произвести взвешивание. Ясно, что результат будет больше, так как добавился мицелий гриба.
Учебно-методическое пособие... - Балашов : Николаев, 2007. - 48 с. ISBN 978-5-94035-300-3 В учебно -методическом пособии изложены методы... физиологии растений : учеб. пособие / под ред. В. Б. Иванова. - Академия, 2001. - 144 с. Занина, М. А. Физиология растений : учеб.-метод. пособие ...
Учебно-методический комплекс
... Учебно -методический комплекс Балашов ... ‘чувство’, физиология от греческих... учебный подстиль в учебной литературе для учебных методических пособиях ... и растений и... 2005 иметь ...
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА НАУЧНОЙ РЕЧИ Спецкурс для негуманитарных специальностей вузов Учебно-методический комплекс Балашов – 2008
Учебно-методический комплекс... Учебно -методический комплекс Балашов ... ‘чувство’, физиология от греческих... учебный подстиль в учебной литературе для учебных заведений различных типов, справочниках, методических пособиях ... и растений и... 2005 г.). Мы раньше этого не делали, чтобы иметь ...
Учебно-методический комплекс (219)
Учебно-методическое пособиеСредства (растения , коллекции... ими учебных ... физиологией ... Г.Ю. Перспективные школьные технологии: учебно -методическое пособие /Г.Ю. Ксензова. - М.: ... 288 С. 6. Балашов , М. Дидактическая игра... - № 22. – 2005 . Педагогика: учеб. пособие / под ред. П. ...
Цель работы: показать, что клеточная мембрана обладает избирательной проницаемостью. Наглядно продемонстрировать роль мембраны в процессе фагоцитоза и пиноцитоза.
Оборудование: микроскопы, покровные и предметные стекла, скальпели, препаровальные иглы, стаканчики для воды и растворов, фильтровальная бумага, пипетки, тушь. Культура инфузорий, амеб, лист элодеи. Растворы NaCl илиKCl, растворыCaClилиMgCl, 2%-ный раствор альбумина, 10%-ный раствор NaCl, дистиллированная вода.
Ход работы:
В слабый раствор NaCl или KClпоместите инфузории. Приготовьте микропрепарат для микроскопа. Можно увидеть сморщивание клеток, указывающее на проницаемость клеточной оболочки. В данном случае вода из клетки выходит в окружающую среду. Перенесите клетки в каплю дистиллированной воды или оттяните из-под покровного стекла раствор при помощи фильтровальной бумаги и замените его на дистиллированную воду. Пронаблюдайте, как клетки набухают вследствие поступления в них воды.
Поместите инфузорий в раствор CaClилиMgClнебольшой концентрации (такой же, как и предыдущий раствор). Инфузории продолжают жить, каких-либо деформаций не наблюдается. ИоныCaиMgпонижают проницаемость клеточной оболочки, в противоположность ионам Na иK. Передвижения воды через оболочку не происходит.
Поместите амеб в каплю 2%-ного раствора альбумина (белок куриного яйца). Приготовьте микропрепарат для микроскопа. Через некоторое время на поверхности амеб начинают образовываться пузырьки, выпячивания, канальцы. Создается впечатление, что поверхность амеб «кипит». Это сопровождается интенсивным движением жидкости у поверхности мембраны. Пузырьки жидкости окружаются выступами цитоплазмы. Которые затем смыкаются. Пиноцитозные пузырьки иногда появляются внезапно, что говорит о быстром захвате капельки жидкости вместе с растворимым в ней веществом.
Поместите амеб в раствор сахара. Пиноцитоз отсутствует. Пиноцитоз вызывают лишь вещества, понижающие поверхностное натяжение клеточной оболочки, например аминокислоты, некоторые соли. В каплю жидкости, в которой находятся амебы, введите немного мелкорастертой туши. Приготовьте препарат для микроскопа. Через некоторое время амебы начинают медленно передвигаться в сторону крупинок туши, выпуская псевдоподии. Крупинки туши прикрепляются к поверхности псевдоподий, затем медленно окружаются ими и через некоторое время оказываются погруженными в цитоплазму. Под микроскопом наблюдайте явление фагоцитоза у амебы.
В цитоплазме клеток элодеи видно множество округло-овальных телец зеленого цвета – это хлоропласты. Рассмотрите клетки вблизи центральной жилки листа. В них можно обнаружить движение цитоплазмы и пластид вдоль стенок. Если движение малозаметно, подогрейте препарат под электролампой.
Зарисуйте все, что вы видели на микропрепаратах. Обсудите в группах увиденные процессы, попробуйте дать им объяснение.
Лабораторная работа выявление ароморфозов и идиоадаптаций у растений и животных
Цель работы: показать на конкретных примерах происхождение крупных систематических групп путем ароморфоза, познакомиться с примерами возможных идиоадаптаций организмов (дегенераций), раскрыть влияние деятельности человека на главные направления органической эволюции
Оборудование: гербарии растений (мох, подорожник, хвойные, покрытосеменные), растения с колючками, ворсом (верблюжья колючка, шиповник), рисунки клюва и ног птиц, животных с покровительственной (маскирующей) окраской, рыбы-ската.
Ход работы:
Анализируя основные особенности споровых, голосеменных и покрытосеменных растений, понять ароморфозы растений
Определить идиоадаптацию по колючке растений и железистым волокнам
Разобрать примеры идиоадаптации: строение клюва и ног птиц, обитающих в различных условиях среды
Выявить причины идиоадаптации в строении рыбы-ската
Введение 2
1.Основные факты о строении клеточной мембраны 3
2. Общие представления о проницаемости 4
3. Перенос молекул через мембрану 4
3.1. Диффузия 5
3.2 Уравнение Фика 6
3.3 Пассивный транспорт 7
3.3.1 Отличия облегченной диффузии от простой 8
4. Закон Дарси 8
5. Активный транспорт 9
6. Строение и функции ионных каналов 11
Заключение 15
Список литературы 17
ВВЕДЕНИЕ
Мембранный транспорт – транспорт веществ сквозь клеточную мембрану в клетку или из клетки, осуществляемый с помощью различных механизмов – простой диффузии, облегченной диффузии и активного транспорта.
Важнейшее свойство биологической мембраны состоит в ее способности пропускать в клетку и из нее различные вещества. Это имеет большое значение для саморегуляции и поддержания постоянного состава клетки. Такая функция клеточной мембраны выполняется благодаря избирательной проницаемости, т.е. способностью пропускать одни вещества и не пропускать другие. Легче всего проходят через липидный бислой неполярные молекулы с малой молекулярной массой (кислород, азот, бензол). Достаточно быстро проникают сквозь липидный бислой такие мелкие полярные молекулы, как углекислый газ, оксид азота, вода, мочевина. С заметной скоростью проходят через липидный бислой этанол и глицерин, а также стероиды и тиреоидные гормоны. Для более крупных полярных молекул (глюкоза, аминокислоты), а также для ионов липидный бислой практически непроницаем, так как его внутрення часть гидрофобна. Так, для воды коэффициент проницаемости (см/с) составляет около 10-2, для глицерина – 10-5, для глюкозы – 10-7, а для одновалентных ионов – меньше 10-10.
Перенос крупных полярных молекул и ионов происходит благодаря белкам-каналам или белкам-переносчикам. Так, в мембранах клеток существуют каналы для ионов натрия, калия и хлора, в мембранах многих клеток – водные каналы аквапорины, а также белки-переносчики для глюкозы, разных групп аминокислот и многих ионов. Активный и пассивный транспорт.
Мембраны формируют структуру клетки и осуществляют ее функции. Нарушение функций клеточной и внутриклеточной мембран лежит в основе необратимого повреждения клеток и, как следствие, развитие тяжелых заболеваний сердечно-сосудистой, нервной, эндокринной системы.
1. Основные факты о строении клеточной мембраны.
К клеточным мембранам относятся плазмолемма, кариолемма, мембраны митохондрий, ЭПС, аппарата Гольджи, лизосом, пероксисом. Общей чертой всех мембран клетки является то, что они представляют собой тонкие (6-10 нм) пласты липопротеиновой природы, (липиды в комплексе с белками). Основными химическими компонентами клеточных мембран являются липиды (40%) и белки (60%); кроме того, во многих мембранах обнаружены углеводы (5-10%).
Плазматическая мембранна окружает каждую клетку, определяет ее размер и обеспечивает сохранение различий между содержимым клетки и внешней средой. Мембрана служит высокоизбирательным фильтром и отвечает за активный транспорт веществ, то есть, поступление в клетку питательных веществ и вывод наружу вредных продуктов жизнедеятельности. Наконец, мембрана ответственна за восприятие внешних сигналов, позволяет клетке реагировать на внешние изменения. Все биологические мембраны представляют собой ансамбли липидных и белковых молекул, удерживаемых вместе с помощью нековалентных взаимодействий.
Основу любой молекулярной мембраны составляют молекулы липидов, образующих бислой. К липидам относится большая группа органических веществ, обладающих плохой растворимостью в воде (гидрофобность) и хорошей растворимостью в органических растворителях и жирах (липофильность). Состав липидов в разных мембранах неодинаков. Например, плазматическая мембрана, в отличие от мембран эндоплазматической сети и митохондрий обогощена холестерином. Характерными представителями липидов, встречающихся в клеточных мембранах, являются фосфолипиды (глицерофосфатиды), сфингомиелины и из стероидных липидов – холестерин.
Особенностью липидов является разделение их молекул на две функционально различные части: гидрофобные неполярные, не несущие зарядов («хвосты»), состоящие из жирных кислот, и гидрофильные, заряженные полярные «головки». Это определяет способность липидов самопроизвольно образовывать двухслойные (билипидные) мембранные структуры толщиной 5-7 нм.
Первые опыты, подтверждающие это, были проведены в 1925 году.
Формирование бислоя является особым свойством молекул липидов и реализуется даже вне клетки. Важнейшие свойства бислоя: способность к самосборке – текучесть – ассиметричность.
2. Общие представления о проницаемости.
Xарактеристика мембран, стенок сосудов и эпителиальных клеток, отражающая способность проводить химические вещества; различают активную (активный транспорт веществ) и пассивную П. (фагоцитоз
3. Перенос молекул через мембрану.
Так как внутренняя часть липидного слоя гидрофобна, он представляет собой практически непроницаемый барьер для большинства полярных молекул. Вследствие наличия этого барьера, предотвращается утечка содержимого клеток, однако из-за этого клетка была вынуждена создать специальные механизмы для транспорта растворимых в воде веществ через мембрану. Перенос малых водорастворимых молекул осуществляется при помощи специальных транспортных белков. Это особые трансмембранные белки, каждый из которых отвечает за транспорт определенных молекул или групп родственных молекул.
В клетках существуют также механизмы переноса через мембрану макромолекул (белков) и даже крупных частиц. Процесс поглощения макромолекул клеткой называется эндоцитозом. В общих чертах механизм его протекания таков: локальные участки плазматической мембраны впячиваются и замыкаются, образуя эндоцитозный пузырек, затем поглощенная частица обычно попадает в лизосомы и подвергается деградации.
3.1 Диффузия (лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание) - процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (против градиента концентрации). Самым известным примером диффузии является перемешивание газов или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: если один конец стержня нагреть или электрически зарядить, распространяется тепло (или соответственно электрический ток) от горячей (заряженной) части к холодной (незаряженной) части. В случае металлического стержня тепловая диффузия развивается быстро, а ток протекает почти мгновенно. Если стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно, а диффузия электрически заряженных частиц - очень медленно. Диффузия молекул протекает в общем ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микрометров только через несколько тысяч лет.
Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций, температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров). Так, тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень диаметром в два сантиметра, чем через стержень диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10 °C вместо 5 °C. Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал. В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность, в случае потока электрических зарядов - электропроводность. Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени, и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню времени диффузии.
Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии в связи с этим пропорциональна средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий, продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 °C.
3.2 Уравнение Фика
В большинстве практических случаев вместо химического потенциала применяется концентрация C. Прямая замена µ на C становится некорректной в случае больших концентраций, так как химический потенциал связан с концентрацией по логарифмическому закону. Если не рассматривать такие случаи, то выше приведённую формулу можно заменить на следующую:
которая показывает, что плотность потока вещества J пропорциональна коэффициенту диффузии D и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика (Адольф Фик - немецкий физиолог, установивший законы диффузии в 1855 г.). Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации (уравнение диффузии):
Коэффициент диффузии D зависит от температуры. В ряде случаев в широком интервале температур эта зависимость представляет собой уравнение Аррениуса.
Процессы диффузии имеют большое значение в природе:
Питание, дыхание животных и растений;
Проникновение кислорода из крови в ткани человека.
3.3 Пассивный транспорт
Пассивный транспорт – это перенос веществ из мест с большим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением.
При опытах с искусственными липидными бислоями было установлено, что чем меньше молекула и чем меньше она образует водородных связей, тем быстрее она дифундирует через мембрану. Итак, чем меньше молекула и чем более она жирорастворима (гидрофобна или неполярна), тем быстрее она будет проникать через мембрану. Диффузия веществ через липидный бислой вызывается градиентом концентрации в мембране. Через липидные и белковые поры сквозь мембрану проникают молекулы нерастворимых в липидах веществ и водорастворимые гидратированные ионы (окруженные молекулами воды). Малые неполярные молекулы легко растворимы и быстро диффундируют. Незаряженные полярные молекулы при небольших размерах также растворимы и диффундируют.
Важно, что вода очень быстро проникает через липидный бислой несмотря на то, что она относительно нерастворима в жирах. Это происходит из-за того, что ее молекула мала и электрически нейтральна.
Осмос – преимущественное движение молекул воды через полупроницаемые мембраны (непроницаемые для растворенного вещества и проницаемые для воды) из мест с меньшей концентрацией растворенного вещества в места с большей концентрацией. Осмос – по сути дела, простая диффузия воды из мест с ее большей концентрацией, в места с меньшей концентрацией воды. Осмос играет большую роль во многих биологических явлениях. Явление осмоса обусловливает гемолиз эритроцитов в гипотонических растворах.
Итак, мембраны могут пропускать воду и неполярные молекулы за счет простой диффузии.
3.3.1 Отличия облегченной диффузии от простой:
1) перенос вещества с участием переносчика происходит значительно быстрее;
2) облегченная диффузия обладает свойством насыщения: при увеличении концентрации с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;
3) при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда переносчиком переносятся разные вещества; при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других; так из сахаров глюкоза переносится лучше, чем фруктоза, фруктоза лучше, чем ксилоза, а ксилоза лучше, чем арабиноза и. т. д.;
4) есть вещества, блокирующие облегченную диффузию – они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика, например, флоридзин подавляет транспорт сахаров через биологическую мембрану.
4.Закон Дарси
Закон Дарси (Анри Дарси, 1856) - закон фильтрации жидкостей и газов в пористой среде. Получен экспериментально. Выражает зависимость скорости фильтрации флюида от градиента напора:
где: - скорость фильтрации, K - коэффициент фильтрации, - градиент напора. Закон Дарси связан с несколькими системами измерений. Среда с проницаемостью 1 Дарси (Д) позволяет протекать 1 см³/с жидкости или газа с вязкостью 1 сп (мПа·с) под градиентом давления 1 атм/см, действующего на площадь 1 см². 1 миллидарси (мД) равен 0,001 Дарси.
В системе измерения СИ, 1 Дарси эквивалентен 9,869233×10−13м² или 0,9869233 мкм². Такое преобразование обычно аппроксимируется как 1 мкм². Следует заметить, что это число, обратное к 1,013250 - коэффициент преобразования из атмосфер в бары.
Транспорт сквозь липидный бислой (простая диффузия) и транспорт при участии мембранных белков
5. Активный транспорт
Другие белки-переносчики (их иногда называют белки-насосы) переносят через мембрану вещества с затратами энергии, которая обычно поставляется при гидролизе АТФ. Этот вид транспорта осуществляется против градиента концентрации переносимого вещества и называется активным транспортом.
Симпорт, антипорт и унипорт
Мембранный транспорт веществ различается также по направлению их перемещения и количеству переносимых данным переносчиком веществ:
1) Унипорт - транспорт одного вещества в одном направлении в зависимости от градиента
2) Симпорт - транспорт двух веществ в одном направлении через один переносчик.
3) Антипорт - перемещение двух веществ в разных направлениях через один переносчик.
Унипорт осуществляет, например, потенциал-зависимый натриевый канал, через который в клетку во время генерации потенциала действия перемещаются ионы натрия.
Симпорт осуществляет переносчик глюкозы, расположенный на внешней (обращенной в просвет кишечника) стороне клеток кишечного эпителия. Этот белок захватывает одновременно молекулу глюкозы и ион натрия и, меняя конформацию, переносит оба вещества внутрь клетки. При этом используется энергия электрохимического градиента, который, в свою очередью создается за счет гидролиза АТФ натрий-калиевой АТФ-азой.
Антипорт осуществляет, например, натрий–калиевая АТФаза (или натрий–зависимая АТФаза). Она переносит в клетку ионы калия. а из клетки - ионы натрия.
Работа натрий-калиевой АТФазы как пример антипорта и активного транспорта
Первоначально этот переносчик присоединяет с внутренней стороны мембраны три иона Na +. Эти ионы изменяют конформацию активного центра АТФазы. После такой активации АТФаза способна гидролизовать одну молекулу АТФ, причем фосфат-ион фиксируется на поверхности переносчика с внутренней стороны мембраны.
Выделившаяся энергия расходуется на изменение конформации АТФазы, после чего три иона Na + и ион (фосфат) оказываются на внешней стороне мембраны. Здесь ионы Na + отщепляются, а замещается на два иона K +. Затем конформация переносчика изменяется на первоначальную, и ионы K + оказываются на внутренней стороне мембраны. Здесь ионы K + отщепляются, и переносчик вновь готов к работе.
Более кратко действия АТФазы можно описать так:
1) Она изнутри клетки «забирает» три иона Na +, затем расщепляет молекулу АТФ и присоединяет к себе фосфат
2) «Выбрасывает» ионы Na + и присоединяет два иона K + из внешней среды.
3) Отсоединяет фосфат, два иона K + выбрасывает внутрь клетки
В итоге во внеклеточной среде создается высокая концентрация ионов Na +, а внутри клетки - высокая концентрация K +. Работа Na +, K + - АТФаза создает не только разность концентраций, но и разность зарядов (она работает как электрогенный насос). На внешней стороне мембраны создается положительный заряд, на внутренней - отрицательный.
6. Строение и функции ионных каналов.
Модель возбудимой мембраны предполагает регулируемый перенос ионов калия и натрия через мембрану. Однако, непосредственный переход иона через липидный бислой весьма затруднен, поэтому плотность потока ионов была бы очень мала, если бы ион проходил непосредственно через липидную фазу мембраны. Это и ряд других соображений дали основание считать, что в мембране должны быть некоторые специальные структуры – проводящие ионы.
Такие структуры были найдены и названы ионными каналами. Подобные каналы выделены из различных объектов: плазматической мембраны клеток, постсинаптической мембраны мышечных клеток и других объектов. Известны также ионные каналы, образованные антибиотиками.
Основные свойства ионных каналов:
1) селективность;
2) независимость работы отдельных каналов;
3) дискретный характер проводимости;
4) зависимость параметров каналов от мембранного потенциала.
Рассмотрим их по порядку.
1. Селективностью называют способность ионных каналов избирательно пропускать ионы какого-либо одного типа.
Еще в первых опытах на аксоне кальмара было обнаружено, что ионы натрия и калия по-разному влияют на мембранный потенциал. Ионы калия меняют потенциал покоя, а ионы натрия - потенциал действия.
Измерения показали, что ионные каналы обладают абсолютной селективностью по отношению к катионам (катион-селективные каналы), либо к анионам (анион-селективные каналы). В то же время через катион-селективные каналы способны проходить различные катионы различных химических элементов, но проводимость мембраны для неосновного иона, а значит и ток через нее, будет существенно ниже, например, для натриевого канала калиевый ток через него будет в 20 раз меньше. Способность ионного канала пропускать различные ионы называется относительной селективностью и характеризуется рядом селективности - соотношением проводимостей канала для разных ионов, взятых при одной концентрации.
2. Независимость работы отдельных каналов. Прохождение тока через отдельный ионный канал не зависит от того, идет ли ток через другие каналы. Например, калиевые каналы могут быть включены или выключены, но ток через натриевые каналы не меняется. Влияние каналов друг на друга происходит опосредованно: изменение проницаемостей каких-либо каналов (например натриевых) меняет мембранный потенциал, а уже он влияет на проводимости прочих ионных каналов.
3. Дискретный характер проводимости ионных каналов. Ионные каналы представляют собой субъединичный комплекс белков, пронизывающий мембрану. В центре его существует трубка, сквозь которую могут проходить ионы.
Количество ионных каналов на 1 мкм поверхности мембраны определяли с помощью радиоактивно-меченного блокатора натриевых каналов - тетродотоксина. Известно, что одна молекула ТТХ связывается только с одним каналом. Тогда измерение радиоактивности образца с известной площадью позволило показать, что на 1 мкм аксона кальмара находится около 500 натриевых каналов. Впервые это было обнаружено в 1962 г. в исследованиях проводимости бислойных липидных мембран (БЛМ) при добавлении в раствор, омывающий мембрану, микроколичеств некоторого вещества, индуцировавшего возбуждение. На БЛМ подавали постоянное напряжение и регистрировали ток. Запись тока во времени имела вид скачков между двумя проводящими состояниями.
Результаты экспериментов выполненных на различных ионных каналах показали, что проводимость ионного канала дискретна и он может находиться в двух состояниях: открытом или закрытом. Выбросы тока обусловлены одновременным открытием 2-х или 3-х каналов. Переходы между состояниями ионного канала происходят в случайные моменты времени и подчиняются статистическим закономерностям. Нельзя сказать, что данный ионный канал откроется именно в этот момент времени. Можно лишь сделать утверждение о вероятности открывания канала в определенном интервале времени.
Ионные каналы описывают характерными временами жизни открытого и закрытого состояний.
4. Зависимость параметров канала от мембранного потенциала. Ионные каналы нервных волокон чувствительны к мембранному потенциалу, например натриевый и калиевый каналы аксона кальмара. Это проявляется в том, что после начала деполяризации мембраны соответствующие токи начинают изменяться с той или иной кинетикой. На языке «ионных каналов» этот процесс происходит следующим образом. Ион-селективный канал имеет так называемый
«сенсор» -некоторый элемент своей конструкции, чувствительный к действию электрического поля (см. рисунок). При изменении мембранного потенциала меняется величина действующей на него силы, в результате эта часть ионного канала перемещается и меняет вероятность открывания или закрывания «ворот» – своеобразных заслонок, действующих по закону «все или ничего».
Структура ионного канала
Ион-селективный канал состоит из следующих частей погруженной в бислой белковой части, имеющей субъединичное строение; селективного фильтра, образованного отрицательно заряженными атомами кислорода, которые жестко расположены на определенном расстоянии друг от друга и пропускают ионы только определенного диаметра; воротной части.
«Ворота» ионного канала управляются мембранным потенциалом и могут находиться как в закрытом состоянии (штриховая линия), так и в открытом состоянии (сплошная линия). Нормальное положение ворот натриевого канала – закрытое. Под действием электрического поля увеличивается вероятность открытого состояния, ворота открываются и поток гидратированных ионов получает возможность проходить сквозь селективный фильтр.
Если ион «подходит» по диаметру, то он сбрасывает гидратную оболочку и проскакивает на другую сторону ионного канала. Если же ион слишком велик по диаметру, как например, тетраэтиламмоний, он не в состоянии пролезть сквозь фильтр и не может пересечь мембрану. Если же, напротив, ион слишком мал, то у него возникают сложности в селективном фильтре, на сей раз связанные с трудностью сбросить его гидратную оболочку. У «подходящего» иона сброшенная вода замещается на связи с атомами кислорода, расположенными в фильтре, у «неподходящего» иона стерическое соответствие хуже. Поэтому ему труднее пройти через фильтр и проводимость канала для него ниже.
Блокаторы ионных каналов либо не могут пройти сквозь него, застревая в фильтре, либо, если это большие молекулы как ТТХ, они стерически соответствуют какому-либо входу в канал. Так как блокаторы несут положительный заряд, их заряженная часть втягивается в канал к селективному фильтру как обычный катион, а макромолекула закупоривает его.
Таким образом, изменения электрических свойств возбудимых биомембран осуществляется с помощью ионных каналов. Это белковые макромолекулы, пронизывающие липидный бислой, которые могут находиться в нескольких дискретных состояниях. Свойства каналов, селективных для ионов калия, натрия и кальция могут по-разному зависеть от мембранного потенциала, что и определяет динамику потенциала действия в мембране, а также отличия таких потенциалов в мембранах разных клеток.
Заключение
Любая молекула может пройти через липидный бислой, однако скорость пассивной диффузии веществ, т.е. перехода вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей, может сильно отличаться. Для некоторых молекул это занимает столь длительное время, что можно говорить об их практической непроницаемости для липидного бислоя мембраны. Скорость диффузии веществ через мембрану зависит главным образом от размера молекул и их относительной растворимости в жирах.
Легче всего проходят простой диффузией через липидную мембрану малые неполярные молекулы, такие как О2, стероиды, тиреоидные гормоны, а также жирные кислоты. Малые полярные незаряженные молекулы - СО2, NH3, Н2О, этанол, мочевина - также диффундируют с достаточно большой скоростью. Диффузия глицерола идёт значительно медленнее, а глюкоза практически не способна самостоятельно пройти через мембрану. Для всех заряженных молекул, независимо от размера, липидная мембрана непроницаема.
Транспорт таких молекул возможен благодаря наличию в мембранах либо белков, формирующих в липидном слое каналы (поры), заполненные водой, через которые могут проходить вещества определённого размера простой диффузией, либо специфических белков-переносчиков, которые избирательно взаимодействуя с определёнными лигандами, облегчают их перенос через мембрану (облегчённая диффузия).
Кроме пассивного транспорта веществ, в клетках есть белки, активно перекачивающие определённые растворённые в воде вещества против их градиента, т.е. из меньшей концентрации в область большей. Этот процесс, называемый активным транспортом, осуществляется всегда с помощью белков-переносчиков и происходит с затратой энергии.
Наружная часть канала сравнительно доступна для изучения, исследование внутренней части представляет значительные трудности. П. Г. Костюком был разработан метод внутриклеточного диализа, который позволяет изучать функцию входных и выходных структур ионных каналов без применения микроэлектродов. Оказалось, что часть ионного канала, открытая во внеклеточное пространство, по своим функциональным свойствам отличается от части канала, обращенной во внутриклеточную среду.
Именно ионные каналы обеспечивают два важных свойства мембраны: селективность и проводимость.
Селективность, или избирательность, канала обеспечивается его особой белковой структурой. Большинство каналов являются электроуправляемыми, т. е. их способность проводить ионы зависит от величины мембранного потенциала. Канал неоднороден по своим функциональным характеристикам, особенно это касается белковых структур, находящихся у входа в канал и у его выхода (так называемые воротные механизмы).
Уравнение Фика
Знак «–» показывает, что суммарная плотность потока вещества при диффузии направлена в сторону уменьшения плотности, D –коэффициент диффузии. Формула показывает, что плотность потока вещества J пропорциональна коэффициенту диффузии D и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика (Адольф Фик - немецкий физиолог, установивший законы диффузии в 1855 г.).
Ион-селективный канал состоит из следующих частей погруженной в бислой белковой части, имеющей субъединичное строение; селективного фильтра, образованного отрицательно заряженными атомами кислорода, которые жестко расположены на определенном расстоянии друг от друга и пропускают ионы только определенного диаметра; воротной части. Именно ионные каналы обеспечивают два важных свойства мембраны: селективность и проводимость. Кальциевые каналы играют существенную роль в клетках сердца.
Список литературы
2. Ю. И. Афанасьев, Н. А. Юрина, Е. Ф. Котовский и др. Гистология. М.
4. Филлиппович Ю.Б. Основы биохимии. М., Высшая школа, 1985.Диффузия
5. Басниев К. С., Кочина Н. И., Максимов М. В. Подземная гидромеханика. // М.: Недра, 1993, с. 41-43
6. Геннис Р. Биомембраны. Молекулярная структура и функции. М., Мир, 1997
