Eritrócitos. Estrutura, carga, quantidade, funções, características do metabolismo
eritrócitos
Os eritrócitos são glóbulos vermelhos. Eles geralmente têm uma forma bicôncava. O diâmetro de um eritrócito é de 7,3 µm e a superfície é de 145 µm2. Os eritrócitos têm uma forma bicôncava - normócitos 3D, e nessa forma não há um único ponto no eritrócito que esteja a mais de 0,85 mícrons de sua superfície ^ Se os eritrócitos fossem esféricos, o centro da célula estaria em uma distância de 25 mícrons, e o total da superfície seria 20% menor. A razão área/volume, igual a 1,5, favorece a deformabilidade dos eritrócitos e promove a transferência de oxigênio dos pulmões para os órgãos. torna menos deformável. Isso leva à rápida destruição do eritrócito. Além disso, esta forma permite que o eritrócito seja fixado na rede de fibrina durante a formação de um trombo ^ £ entre os eritrócitos, além dos normócitos, existem micrócitos (com d< 7,2 мкм) и макроцитьг^с d >8-9 um). Discócitos (normócitos), planócitos (com uma superfície plana), estomatócitos (em forma de cúpula), esferócitos (esferócitos), equinócitos (estilóide), etc.
A membrana eritrocitária consiste em 4 camadas.
As duas camadas do meio são compostas de fosfolipídios estabilizados pelo colesterol. Aumentar a proporção de colesterol/fosfolipídios na membrana aumenta sua viscosidade, reduz sua fluidez e elasticidade. A deformabilidade do eritrócito diminui.
Os fosfolipídios são o principal componente estrutural e funcional das membranas. Existem quatro classes principais de fosfolipídios, que estão contidos na membrana eritrocitária nas seguintes concentrações: fosfatidilcolina - 28%, fosfatidiletanolamina - 27%, esfingomielina 26%, fosfatidilserina -13%.
A molécula de fosfolipídio consiste em três partes principais - uma "cabeça" e duas "caudas". "Caudas" - cadeias alongadas de ácidos graxos.A composição de fosfolipídios da membrana eritrocitária inclui ácidos oleico, araquidônico, linoleico, palmítico e esteárico. Na bicamada, as "cabeças" hidrofílicas das moléculas de fosfolipídios formam as superfícies superior e inferior da membrana, enquanto as "caudas" hidrofóbicas da membrana estão ligadas umas às outras e estão escondidas em sua espessura. Uma característica importante das membranas é a assimetria da bicamada - a composição diferente dos lipídios em suas camadas interna e externa.A assimetria da bicamada é criada e mantida por enzimas do metabolismo lipídico. Ele fornece interações intercelulares - os fosfolipídios da membrana eritrocitária são atualizados devido à sua troca com os lipídios do plasma sanguíneo. Durante o dia, 25% de todos os fosfolipídios da membrana são trocados.
As proteínas são outro componente importante da membrana, juntamente com os fosfolipídios. Eles diferem no grau de imersão na bicamada lipídica: alguns estão localizados superficialmente, formando a camada externa da membrana; outros o atravessam; o terceiro - suporta a bicamada do lado do citoplasma, formando a camada interna. Interagindo entre si, as proteínas criam a estrutura da membrana, garantindo sua resistência? Existe uma estreita relação entre proteínas e lipídios. Os lipídios determinam a mobilidade das proteínas e são responsáveis pela plasticidade e deformabilidade das membranas.
As principais classes de proteínas de membrana são representadas por proteínas integrais e periféricas.
As proteínas integrais estão intimamente associadas com a bicamada lipídica, penetram por ela e podem incluir fragmentos de lipídios e carboidratos em sua composição.
(A proteína-3 é a principal proteína integral. Ela, interagindo com o ankyrino "m> localizado no lado interno da membrana, proporciona uma forte ligação entre a bicamada lipídica e as proteínas periféricas. As funções da proteína-3 são as seguintes: é o principal transportador de ânions, contém locais para ligação de gliceraldeído fosfato desidrogenase, aldolase, hemoglobina.Na sua superfície externa existe um sistema antigênico que determina a afiliação do grupo do eritrócito.
As glicoforinas formam grandes moléculas de sialoglicopeptídeos: partes glicosiladas de glicoforinas, carregando grupos ou receptores carregados, contribuem para sua disseminação a distâncias consideráveis da superfície das membranas. A glicoforina A aumenta a ação das proteínas transmembranares, contribui para o fortalecimento e estabilização do citoesqueleto.
ATPases de membrana - existem 3. Na * -K + -ATPase remove Na + do eritrócito e introduz K +. Ca2+-ATP-ase - move o Ca2+ para fora do eritrócito quando está ligado à proteína calmodulina. Com o aumento da concentração de Ca2* no citoplasma, o trabalho da bomba de cálcio é potencializado e evita-se a quebra do esqueleto da membrana_1\^2+-ATPase, que pode ser um modulador de alterações na forma dos eritrócitos. A função de todas as ATPases de membrana é fornecer energia para o transporte ativo de íons.
As proteínas periféricas são caracterizadas por uma menor profundidade de penetração na bicamada e fraca interação com ela.
A espectrina é a principal proteína do esqueleto da membrana, esta última também inclui outras proteínas periféricas: actina, proteína-4.1 e proteína-4.9 (liga-se à actina). Todos eles estão localizados na superfície citosólica da membrana e formam a base do esqueleto da membrana, que possui uma estrutura forte e rígida.
Acetilcolinesterase - uma enzima que catalisa a quebra da acetilcolina) está localizada no lado externo da membrana dos eritrócitos. A maioria das enzimas de glicólise são orientadas para o citoesqueleto da membrana eritrocitária.
As proteínas que formam a membrana dos eritrócitos desempenham muitas funções: fornecem a força do citoesqueleto, controlam a constância da composição iônica do citoplasma com a participação de ATPases de transporte, participam do reconhecimento específico de substâncias biologicamente ativas, regulam o metabolismo intracelular, determinam as propriedades imunológicas e também fornecem as necessidades energéticas da célula.
Ao contrário das membranas de outras células, a membrana eritrocitária tem alta permeabilidade para C>2, CCL, HCO3, CG e é pouco permeável aos cátions Na +, K +, que passam lentamente pelos poros transmembrana.
Os eritrócitos de mamíferos são formações livres de núcleos com respiração intrínseca muito baixa. Sem núcleo, um eritrócito consome 200 vezes menos U2 do que as células nucleares. Uma diminuição na ingestão de Oi leva a um aumento na vida útil de um eritrócito. Sua principal fonte de energia é
glicose é liberada. A energia necessária para manter a estrutura e estabilizar a hemoglobina é gerada pela glicólise e pela derivação das pentoses.
1.5. Tópicos das aulas práticas
SEÇÃO 1. BIOFÍSICA DA MEMBRANA
1. 1. Membranas biológicas. Estrutura, propriedades.
A capacitância elétrica específica da membrana do axônio, medida com um microeletrodo intracelular, foi de 0,5 microfarad/cm2. Usando a fórmula do capacitor plano, estime a espessura da camada hidrofóbica de uma membrana com uma constante dielétrica de 2.
Qual é a distância na superfície da membrana eritrocitária que uma molécula de fosfolipídio percorre em 1 segundo como resultado da difusão lateral? O coeficiente de difusão lateral é considerado igual a 10 -12 m 2 /s. Compare com a circunferência de um eritrócito com um diâmetro de 8 mícrons.
Durante a transição de fase dos fosfolipídios da membrana do estado líquido-cristalino para o gel, a espessura da bicamada muda. Como a capacitância elétrica da membrana mudará neste caso? Como a intensidade do campo elétrico na membrana mudará?
Com a ajuda de moléculas fosfolipídicas marcadas com spin, o gradiente de viscosidade através da espessura da membrana foi estabelecido. Descreva o ex-experimento. Onde a viscosidade é maior: na superfície da membrana ou em seu centro?
1.1.1. Espessura da membrana biológica:
10 A, 3. DO µm
10 nm 4. 10 µm
1.1.2. O modelo de mosaico fluido de uma membrana biológica inclui:
camada proteica, polissacarídeos e lipídios de superfície
monocamada lipídica e colesterol
bicamada lipídica, proteínas, microfilamentos
bicamada lipídica
1.1.3. A parte lipídica da membrana biológica está no seguinte estado físico:
líquido amorfo
sólido cristalino
sólido amorfo
cristal líquido
1.1.4. Capacitância elétrica específica da membrana do axônio:
1.1.5. O tempo de transferência característico da transferência de uma molécula de fosfolipídio de uma posição de equilíbrio para outra durante sua difusão:
1.1.6. A transição de fase da bicamada lipídica das membranas do estado líquido-cristalino para o gel é acompanhada por:
afinamento da membrana
a espessura da membrana não muda
espessamento da membrana
1.2. Transporte de substâncias através das membranas biológicas.
Controlar perguntas, tarefas, atribuições para seminários
1. De que parâmetros depende o raio crítico de um poro lipídico em uma membrana?
2. Calcule o raio crítico do poro na ausência de um potencial de membrana. Pegue a tensão da borda do poro 10 -11 N, a tensão superficial da bicamada lipídica 0,3 mN/m.
3. Como a difusão facilitada dos íons kaoium com a participação da molécula de valinomicina se altera após a transição de fase dos lipídios da membrana do estado de cristal líquido para gel?
4. A capacitância elétrica específica da membrana do axônio, medida com um microeletrodo intracelular, foi de 0,5 microfarad/cm2. Usando a fórmula do capacitor plano, estime a espessura da camada hidrofóbica de uma membrana com uma constante dielétrica de 2.
Testes de monitoramento de modelo
1.2.1. O transporte de íons ocorre na direção:
1.2.2. A equação de difusão para não eletrólitos (Fika) é escrita:
2.3. A molécula de valinomicina transporta através da membrana:
1.2.4. A transferência de matéria durante a difusão facilitada é comparada com a difusão simples:
Mais devagar
1.3. Potenciais bioelétricos.
Controlar perguntas, tarefas, atribuições para seminários
Que transporte de íons cria uma diferença de potencial de membrana: passivo ou ativo?
O que é maior: a velocidade de propagação de um sinal elétrico ao longo dos fios de um telégrafo marítimo ou a velocidade de propagação de um impulso nervoso ao longo de uma membrana axonal? Por quê?
Explicar o mecanismo biofísico de ação do veneno Tetro-Dotoxina e do anestésico local tetraetilamônio.
Como a permeabilidade da membrana do axônio da lula para vários íons em repouso e durante a excitação se correlaciona?
Como a forma do gráfico do potencial de ação mudará se mudarmos a composição química dentro e fora do axônio: o axoplasma é substituído por fluido extracelular e fluido extracelular - por axoplasma?
Qual é a força do campo elétrico na membrana em repouso, se a concentração de íons potássio dentro da célula for 125 mmol / l, fora - 2,5 mmol / le a espessura da membrana for 8 nm?
(Resposta: 1,3 * 10 7 V/m.)
7. Calcule a amplitude do potencial de ação, se con-
concentração de potássio e sódio dentro da célula do tecido excitável
nem respectivamente: 125 mmol / l, 1,5 mmol / l e fora
2,5 mmol/le 125 mmol/l.(Resposta: 160 mV.)
Testes de monitoramento de modelo
1.3.1. O potencial de membrana f m é chamado:
1.3.2. Diâmetro da ponta do eletrodo intracelular utilizado por medições de potencial de membrana:
compatível com o tamanho da célula
muito menor que a célula
células muito maiores
1.4. Mecanismo de geração de potencial de ação.
Controlar perguntas, tarefas, atribuições para seminários
1. É possível um processo na membrana de uma célula excitável, em que fluxos de íons diferentes com o mesmo sinal de carga fluam simultaneamente?
2. Qual é o significado da expressão
para a fase II do potencial de ação do cardiomiócito?
3. Qual é a razão pela qual a corrente através do canal é discreta e através da membrana - contínua, mudando suavemente?
Testes de monitoramento de modelo
1.4.1. Na fase de despolarização durante a excitação do axônio, os fluxos de íons Na + são direcionados:
1. inferno 2. bd 3. inferno 4. em 5. ag
1. 4.2. Na fase de repolarização do axônio, os fluxos de íons são direcionados:
1.ad 2.bd 3.be 4.d
4.3. Duração do potencial de ação do cardiomiócito em comparação com o potencial de ação do axônio
1. maior que 2. menor que 3. igual
4.4. A fase de platô em um cardiomiócito é determinada pelos fluxos de íons:
1. Antonov V.F. Biofísica de membranas // Revista educacional Sorovsky. - 1997. - T. - 6. S. 1-15.
2. Antonov V.F., Smirnova E.Yu., Shevchenko E.V. Membranas lipídicas durante as transformações de fase. - M.: Nauka, 1992. - S. 125.
3. Klenchin V. A. membranas biológicas. - 1993. - T. 10. -S. 5-19.
4. Chizmajaev Yu.A., Arakelyan V.B., Pastushenko V.F. Biofísica de membranas. - M.: Nauka, 1981. - S. 207-229.
5. Kotek A., Janacek K. transporte de membrana. M.: Mir, 1980.
6. Lightfoot E. Fenômenos de transporte em sistemas vivos. M.: 1977.
7. Rubin A. B. Biofísica. M.: Superior. Shk., 1987.
8. Membranas biológicas: Coleta / Sob. Ed. D. S. Parsons. Moscou: Atomizdat, 1978.
9. Membrana: Canais iônicos: Sáb. Arte. M.: Mir, 1981.
10. Hills B. V. Sentado. Membrana: canais iônicos. M.: Mir, 1981.
11. Fisiologia e fisiopatologia do coração. Debaixo. ed. N. Sperelakis: M.: Medicina, 1998.
12. Fisiologia humana. Debaixo. ed. Schmidt R. E Tevs G. T. 1. M.: Mir, 1996.
SEÇÃO 2. BIOFÍSICA DE CÉLULAS E ÓRGÃOS
2. 1. Atividade elétrica dos órgãos.
Controlar perguntas, tarefas, atribuições para seminários
1. Qual é o princípio de um gerador equivalente? Dê exemplos do uso desse princípio.
2. Por que o problema inverso da eletrocardiografia é uma tarefa diagnóstica e não direta?
3. Qual é o mecanismo para a formação de um mapa de potenciais elétricos na superfície do corpo humano?
4. Por que é necessário registrar pelo menos 3 derivações de ECG e não, por exemplo, uma?
Testes de monitoramento de modelo
2.1.1. Ao modelar o ECG, assume-se que o ambiente ao redor dos dipolos
uma. homogêneo a, heterogêneo
b. isotrópico b", anisotrópico
dentro. limitado em", infinito
1.abc 2.a"b"c" 3.ab"c 4.abc"
2.1.2. Qual é a razão para as mudanças na magnitude e direção do vetor elétrico integral do coração durante o ciclo de seu trabalho?
contração dos ventrículos do coração
cobertura sucessiva da onda de excitação de várias estruturas do coração
atividade metabólica dos cardiomiócitos
diminuindo a velocidade da onda no nó atrioventricular
2.1.3. Por que as amplitudes dos mesmos dentes de ECG ao mesmo tempo em derivações diferentes não são as mesmas?
para derivações diferentes, o valor do vetor elétrico integral E _
em derivações diferentes, a rotação do vetor E é diferente
as projeções do vetor E em derivações diferentes não são as mesmas
cada derivação tem seu próprio vetor E
2.1.4. O vetor elétrico integral do coração E descreve as alças P, QRS, T:
1.horizontal
2.no plano da superfície do peito
Z.no espaço de volume XYZ
4. no plano conectando os pontos da mão direita, mão esquerda e perna esquerda
2.1.5 Diferenças potenciais registradas
1. ag 2. ser 3. vg 4. dv
2.2. Processos Autowave em mídia ativa.
Controlar perguntas, tarefas, atribuições para seminários
Qual é a diferença fundamental entre ondas automáticas em meios ativos e ondas mecânicas em meios elásticos?
Por que uma onda automática se propaga em um meio ativo sem amortecimento?
A interferência de ondas automáticas é observada em meios ativos?
De que dependem os parâmetros de autowave no meio ativo?
O potencial limiar para as células da região miocárdica é de -30 mV. O potencial transmembranar das células nesta área em algum momento atingiu um valor de 40 mV. Uma onda de excitação pode ser transmitida através desta área do miocárdio?
Testes de monitoramento de modelo
2.2.1. A onda de excitação (autowave), propagando-se através do meio ativo (por exemplo, através da estrutura do miocárdio), não decai:
transferindo energia de uma célula para outra
detectará a liberação de energia armazenada por cada célula
como resultado da transferência de energia mecânica da contração miocárdica
como resultado do uso da energia do campo elétrico
2.2.2 O comprimento de onda de excitação no meio ativo depende de:
uma. amplitudes do potencial de ação do cardiomiócito
b. sobre a velocidade de propagação da onda através do miocárdio
dentro. na frequência de pulso do marcapasso
g. da duração do período refratário do excitado
células1. ab 2. bg 3. cg 4. ag
2.2.3. A circulação de uma onda automática (reentrada) de duração X em um anel com perímetro / pode ocorrer sob a condição:
2.2.4. Se em um meio ativo não homogêneo existem zonas com refratariedade R 1 e R 2 (R 2 > R :) e os impulsos do marcapasso seguem com um período T, então a transformação do ritmo pode ocorrer sob a condição:
1. T
R 1 3.T = R 2 -R 1 2.3. Biofísica da contração muscular.
Controlar perguntas, tarefas, atribuições para seminários
Por que a contração isométrica tem uma forma diferente de dependência F(t) em diferentes comprimentos musculares iniciais?
É possível determinar a carga máxima que um músculo pode suportar a partir da curva V(P) Hill?
A eficiência da contração muscular aumenta com o aumento da geração de calor por esse músculo?
Quais são as diferenças entre o acoplamento eletromecânico no cardiomiócito e no músculo esquelético?
Testes de monitoramento de modelo
2.3.1. Durante a contração muscular:
uma. filamentos de actina deslizam para o sarcômero ao longo da miosina
b. miosina comprime como uma mola
dentro. pontes se ligam a sítios ativos de actina
d. pontes abertas
1. av 2. bg 3. bv 4. ag
2.3.2. A força de contração gerada por um músculo é determinada por:
1. comprimento da rosca ativa
2 mudança na força gerada por uma ponte
o número de pontes simultaneamente fechadas
elasticidade do filamento de miosina
2.3.3. A dependência da velocidade v de uma única contração muscular na carga P tem a forma:
2.3.4. O acoplamento eletromecânico é determinado pela seguinte cadeia de eventos:
uma. liberação de íons Ca 2+ nas miofibrilas
b. excitação da membrana celular
dentro. transporte ativo de íons Ca 2+ para o retículo sarcoplasmático
d. fechamento de pontes para centros ativos de actina
e. deslizamento de actina no sarcômero
1. Fisiologia humana. T. 2. M.: Mir, 1996.
2. Vasiliev V.A., Romanovsky Yu.N., Yakhno V.G. Processos Autowave. Moscou: Nauka, 1987.
3.Ivanitsky G.R., Krinsky V.I., Selkov E.E. Biofísica matemática da célula. Moscou: Nauka, 1978.
4. Chernysh A. M. Biomecânica das heterogeneidades do músculo cardíaco. Moscou: Nauka, 1993.
5. Bendol J. Músculos, moléculas e movimento. M.: Mir, 1989.
SEÇÃO 3. BIOFÍSICA DE SISTEMAS COMPLEXOS
3.1. Modelagem de processos biofísicos.
Controlar perguntas, tarefas, atribuições para seminários
Quanto tempo após a injeção 10% da massa inicial do fármaco permanecerá no sangue se a constante de excreção k = 0,3 (1/hora)?
As constantes de excreção de duas drogas diferentes diferem por um fator de dois. Desenhe gráficos qualitativos de mudanças na massa da droga no sangue durante as injeções para esses dois casos. Quantas vezes as taxas de excreção diferem em t = O?
Algum tempo depois que o paciente foi colocado em gotejamento (quando a concentração da droga atingiu o nível estacionário), ele recebeu uma injeção. Desenhe um gráfico qualitativo da mudança na massa da droga ao longo do tempo.
Testes de monitoramento de modelo
3.1.1. O modelo predador-presa mostra que as populações de predadores e presas realizam oscilações harmônicas. As frequências e fases dessas oscilações são as mesmas?
uma. frequências são as mesmas. as fases são iguais
b. as frequências são diferentes d. as fases são diferentes
1. av 2. bc 3. ag 4. bg
3.1.2. Qual modelo é adequado para estudos de eletrogênese em células?
1. lipossoma 2. membrana lipídica de bicamada
3. axônio de lula 4. modelo Frank
3.2. Biofísica do sistema circulatório.
Controlar perguntas, tarefas, atribuições para seminários
Complexo educacional e metodológico sobre a disciplina "regulação estatal da economia"
Complexo de treinamento e metodologia... educacional-metódicocomplexosobredisciplina"REGULAÇÃO ESTADUAL DA ECONOMIA" UFA -2007 Regulação estadual da economia: educacional-metódicocomplexo... ciências econômicas educacional-metódicocomplexosobredisciplina"Estado...
Complexo educacional e metodológico na disciplina de formação profissional geral "teoria e métodos de ensino de biologia" especialidade "050102 65 - biologia"
Complexo de treinamento e metodologiaeducacional-metódicocomplexosobreComplexo de treinamento e metodologia
... __________________________________________________________ (Nome completo.) educacional-metódicocomplexosobredisciplina Organização de computadores e ... Samme G.V. educacional-metódicocomplexosobredisciplina Organização de computadores e sistemas (nome disciplinas) compilado...
O raio da embarcação foi reduzido pela metade. Quantas vezes a velocidade do fluxo sanguíneo volumétrico mudará com uma queda de pressão constante?
Calcule a pressão sanguínea a uma distância de 5 cm do início do vaso, se no início do vaso a pressão é de 10 4 Pa, seu raio é de 1 mm, a viscosidade do sangue é de 0,005 Pa s, a velocidade linear do sangue é de 20 cm/s.
Quantas vezes a taxa de queda de pressão no início da diástole mudará se a resistência hidráulica de pequenos vasos aumentar em 20%?
Quantas vezes a resistência hidráulica de uma seção da aorta (raio da aorta 1,25 cm) é menor que a resistência hidráulica de uma seção da artéria do mesmo comprimento (raio da artéria 2,5 mm)? A viscosidade do sangue na artéria é 0,9 da viscosidade do sangue na aorta.
Quantas vezes a pressão sanguínea deve aumentar no início de um grande vaso para que, quando seu lúmen se estreitar em 30%, a pressão na saída do vaso e a taxa de fluxo sanguíneo volumétrico permaneçam as mesmas? Na ausência de constrição, a queda de pressão no vaso é 0,2 da pressão no início do vaso.
em Biologia, Candidato a Ciências Pediátricas, Professor Associado Osipova I.V. metódico instruções para o aluno sobre estudo disciplinasDisciplina"Metodologia do curso extracurricular...
Sangue e eritrócitos. Continuamos a publicar materiais sobre sangue.
Como é um eritrócito? Em condições fisiológicas normais na corrente sanguínea, os eritrócitos têm uma forma bicôncava com espessamento uniforme ao longo das bordas e com uma parte central mais clara - pellor.
Em um estudo óptico de luz, um eritrócito normal rotineiramente corado com corantes ácidos tem a forma de um disco com diâmetro de 6,9-7,7 e até 9,0 mícrons. Dependendo do tamanho, os eritrócitos são divididos em micro e macrócitos, mas a maioria deles é representada por normócitos/discócitos.
Propriedades morfofuncionais de um eritrócito
Um eritrócito é uma célula bicôncava livre de núcleo com um volume médio de 90,0 µm 3 e uma área de 142 µm 2 . Sua maior espessura é de 2,4 µm, a mínima é de 1 µm.
Na preparação seca, o tamanho médio de um eritrócito é de 7,55 μm; 95% de sua matéria seca cai na proteína hemoglobina contendo ferro e apenas 5% - na ação de outras substâncias (outras proteínas e lipídios). Tais células representam a maioria absoluta - mais de 85% - dos eritrócitos humanos saudáveis.
As formas nucleares de um germe eritrocitário são facilmente distinguidas da maioria das células da série leucocitária pela ausência de grânulos em seu citoplasma (erros são possíveis apenas na identificação de células blásticas). Os eritroblastos são caracterizados por uma cromatina nuclear mais granular e mais densa.
A cavidade central (pelor) do disco eritrocitário corresponde a 35 a 55% da sua superfície e, em corte transversal, o eritrócito tem a forma de um donut, o que, por um lado, assegura a preservação da hemoglobina e, por outro, por outro lado, permite que o eritrócito passe mesmo pelos capilares mais finos. Os modelos de estrutura eritrocitária atualmente disponíveis correspondem ao conceito das propriedades específicas desta célula, especialmente sua membrana, que, apesar de sua sensibilidade à pressão deformante, proporciona resistência à flexão e aumento da superfície total.
Dados da literatura indicam que o tamanho e a deformabilidade da membrana eritrocitária são suas características mais importantes, que estão associadas ao funcionamento normal dessas células, incluindo uma alta capacidade de migração, participação em processos metabólicos (principalmente na troca de oxigênio).
Alterações nas propriedades microelastométricas dos eritrócitos e a "transformação" dos discócitos em outras formas morfológicas podem ser causadas por diversos agentes. Assim, o aparecimento de excrescências superficiais leva a uma diminuição da elasticidade da membrana, que pode ser devido a forças opostas que surgem no processo de deformação do eritrócito; a deformação aumenta com a diminuição da concentração de ATP nas células.
Se a integridade da membrana celular for violada, o eritrócito perde sua forma característica e se transforma em um esferoplasto, que, por sua vez, é hemolisado. A estrutura da membrana eritrocitária (discócitos) é a mesma por toda parte; e apesar de depressões e protuberâncias poderem ocorrer em suas várias partes, alterações na pressão intra ou extracelular com um spread de ± 15% não causam enrugamento de toda a célula, pois tem uma margem significativa de "antideformabilidade" . A membrana eritrocitária tem elasticidade suficiente para suportar a influência de vários fatores que ocorrem durante a circulação do eritrócito pela corrente sanguínea.
A composição da membrana eritrocitária inclui: fosfolipídios (36,3%), esfingomielinas (29,6%), colesterol (22,2%) e glicolipídios (11,9%). Os dois primeiros elementos são moléculas anfifílicas em meio aquoso, formando uma bicamada lipídica característica, que também é permeada por moléculas de proteínas integrais associadas no interior do eritrócito com seu citoesqueleto.
Os lipídios da membrana estão em estado líquido, têm baixa viscosidade (apenas 10 a 100 vezes a viscosidade da água). Lipídios, ácido siálico, oligossacarídeos antigênicos, proteínas adsorvidas estão localizados na superfície externa da membrana; a superfície interna da membrana é representada por enzimas glicolíticas, sódio e cálcio, ATPase, glicoproteínas e hemoglobina.
A dupla camada lipídica da membrana desempenha três funções: a função de barreira para íons e moléculas, a base estrutural para o funcionamento de receptores e enzimas (proteínas, glicoproteínas, glicolipídios) e mecânica. Na implementação de uma função respiratória especializada - a transferência de oxigênio ou dióxido de carbono - o papel principal é desempenhado por proteínas de membrana "embutidas" na bicamada lipídica. Os eritrócitos maduros não são capazes de sintetizar ácidos nucleicos e hemoglobina; eles são caracterizados por um baixo nível de metabolismo, o que garante um período de vida suficientemente longo dessas células (120 dias).
À medida que o eritrócito envelhece, sua área de superfície diminui, enquanto o conteúdo de hemoglobina permanece inalterado. Foi estabelecido que na idade "madura", os eritrócitos mantêm uma composição química constante por um longo tempo, mas à medida que as células envelhecem, o conteúdo de produtos químicos diminui gradualmente. O citoesqueleto de eritrócitos é formado e controlado por "famílias" de proteínas multigênicas e associadas à membrana que organizam domínios especializados de membrana que mantêm a função e a forma dessa célula altamente especializada.
Potencial elétrico do eritrócito
A membrana eritrocitária contém 50% de proteína, até 45% de lipídios e até 10% de carboidratos. Na superfície das células intactas, a distribuição de cargas em "rede" é determinada por uma glicoproteína contendo ácido siálico (neutrâmico), que determina até 62% da carga negativa da superfície da célula.
Acredita-se que cada carga elétrica corresponda a 1 molécula desse ácido. A perda de ácido siálico pela superfície eritrocitária leva a uma diminuição da sua mobilidade eletroforética (EPM) e à supressão do transporte de cátions. Conseqüentemente, há um "mosaico" de cargas na superfície celular, determinadas por grupos catiônicos e aniônicos, cuja proporção determina a carga elétrica total dos eritrócitos.
Para manter um estado ideal de homeostase, as células sanguíneas devem ter uma carga estável. A alta estabilidade do EFP é garantida por um mecanismo sutil de sua regulação - o equilíbrio dos processos de peroxidação lipídica (LPO) nas membranas dos eritrócitos e o efeito protetor do sistema antioxidante.
Foi estabelecido empiricamente que os receptores para anticorpos estão localizados na membrana dos eritrócitos, e a presença de até mesmo uma pequena quantidade deles na superfície pode interromper as funções fisiológicas normais do corpo e alterar a EFP dos eritrócitos. Isso pode afetar o nível de hemoglobina neste último, uma vez que o conteúdo de hemoglobina e EFP é estritamente coordenado.
Também deve ser levado em consideração que, sob efeitos extremos de fatores negativos no corpo, os produtos da peroxidação lipídica afetam as propriedades eletrocinéticas dos eritrócitos. Por sua vez, isso se reflete na taxa de processos de peróxido em suas membranas.
Graças à repulsão eletrostática (“disseminação” de acordo com Chizhevsky) de células eritrocitárias com carga semelhante, estas últimas se movem livremente pelos vasos sanguíneos, desempenhando sua função de transporte de oxigênio. Portanto, uma violação da estabilidade da carga pode ser considerada um indicador integral de alterações patológicas no corpo.
2. Qual é a distância na superfície da membrana eritrocitária que uma molécula de fosfolipídio percorre em 1 segundo como resultado da difusão lateral? Tome o coeficiente de difusão lateral igual a 10–12 m2/s. Compare com a circunferência de um eritrócito com diâmetro de 8 µm.
3. Durante a transição de fase dos fosfolipídios da membrana do estado de cristal líquido para o gel, a espessura da bicamada muda. Como a capacitância da membrana mudará neste caso? Como a intensidade do campo elétrico na membrana mudará?
4. Como a capacitância elétrica da membrana (específica) mudará durante sua transição do estado de cristal líquido para o gel, se conhecido
5. Calcule o tempo de vida estabelecido e a frequência de saltos de uma camada de membrana para outra membranas lipídicas do retículo sarcoplasmático, se o coeficiente de difusão lateral D=12 µm 2 /s, a área ocupada por uma molécula de fosfolipídio A= 0,7nm 2.
6. Calcule o coeficiente de permeabilidade para a substância cujo fluxo através da membrana é mol/m. A concentração de uma substância dentro da célula e fora - mol / l.
7. Quantas vezes a concentração intracelular de íons potássio deve exceder a externa para que o potencial de repouso seja 91mV. Calcule a temperatura da célula.
8. Calcule o coeficiente de distribuição K para uma substância se, com uma espessura de membrana de 10 nm, o coeficiente de difusão for 7,2 * 10 cm e o coeficiente de permeabilidade for 14 cm / s.
9. A diferença na concentração de moléculas de substância na membrana de uma determinada célula é de 48 mmol / l, o coeficiente de distribuição entre a membrana e o ambiente é de 30, o coeficiente de difusão é de 1,5 * 10, a densidade de fluxo é de 25 mol / m. Calcule a espessura dessa membrana.
10. Encontre o coeficiente de permeabilidade da membrana plasmática de Mycoplasma, para formamida, se, com uma diferença nas concentrações desta substância dentro e fora da membrana, igual a 0,5 * 10, sua densidade de fluxo através da membrana for 8 * 10 cm / s .
17. O raio crítico de um poro lipídico em uma membrana depende da tensão da borda do poro , da tensão superficial da membrana e do potencial de membrana . Deduza uma fórmula para o raio crítico do poro. Calcule o raio crítico do poro na ausência de um potencial de membrana. Pegue a tensão da borda do poro 10 - 11 N, a tensão superficial da bicamada lipídica 0,3 mN/m.18. Durante a transição de fase dos fosfolipídios da membrana do estado de cristal líquido para o gel, a espessura da bicamada muda. Como a capacitância da membrana mudará neste caso? Como a intensidade do campo elétrico na membrana mudará?
19. Durante a transição de fase dos fosfolipídios da membrana do estado de cristal líquido para o gel, a espessura da bicamada muda. Como a capacitância da membrana mudará neste caso? Como a intensidade do campo elétrico na membrana mudará?20. Como a capacitância elétrica da membrana (específica) mudará durante sua transição do estado de cristal líquido para o gel, se for conhecido que no estado de cristal líquido a espessura da camada hidrofóbica é de 3,9 nm e no gel estado - 4,7 nm. Constante dielétrica dos lipídios 2.
21. A pressão osmótica do sangue humano é de 0,77 MPa. Quantos mols de sal de NaCl deve conter uma solução salina isotônica em 200 ml de água a uma temperatura de 37 0 C?
22. Quando o espectro de RMN da mesma amostra foi registrado novamente, a temperatura mudou, as linhas do espectro ficaram mais estreitas. Em que direção a temperatura mudou: diminuiu ou aumentou?
23. Encontre o comprimento da onda eletromagnética em que EPR ocorre em um campo magnético com uma indução magnética de 0,3T. Tome o fator Lande igual a dois.
24. Uma corrente flui ao longo de um contorno com um raio de 0,5 m. Encontre a intensidade dessa corrente se for conhecido o momento magnético do circuito B.
26. Determine o poder de radiação térmica de uma pessoa nua com S = 1 m 2 da superfície do corpo, se a temperatura da pele é t 1 = 30 0 C, o ambiente é t 2 = 20 0 C. Coeficiente de absorção da pele k = 0,9
27. A intensidade de radiação do corpo humano aumentou 2,62%. Em que porcentagem a temperatura aumentou?
28. Determine o comprimento de onda correspondente à densidade espectral máxima da luminosidade energética do corpo humano, considerando-o um corpo cinza. Temperatura da pele t = 30 0 C.
29. Determine o índice de absorção molar natural de substâncias se, em sua concentração em uma solução de c \u003d 0,03 mol / l, a densidade óptica da solução for D \u003d 1. Comprimento da cuvete l= 2 cm.
30. Observando o movimento dos glóbulos vermelhos em um capilar sob um microscópio, você pode medir a velocidade do fluxo sanguíneo (). A taxa média de fluxo sanguíneo na aorta é . Com base nesses dados, determine quantas vezes a soma de todos os capilares funcionais é maior que a seção transversal da aorta.
31. Calcule o limite de resolução z de um microscópio eletrônico, se a tensão de aceleração nele for U=100 kV, o ângulo de abertura é u=10 -2 rad.
32. Calcule a viscosidade do sangue no hematócrito normal (c = 45%) se a viscosidade do plasma for
33. Calcule o volume minuto máximo Qmax de sangue no qual o fluxo sanguíneo na aorta permanece laminar. Diâmetro aórtico d=2 cm, viscosidade do sangue, densidade, número de Reynolds crítico Re kr =2000.
34. A velocidade de propagação da onda de pulso através da artéria é v=10 m/s. Determine o módulo de elasticidade E da artéria, se sua espessura de parede h = 0,7 mm, diâmetro interno d = 8 mm, densidade sanguínea
35. O raio da aorta é de 1,0 cm; a velocidade do fluxo sanguíneo na aorta é de 30 cm/s. Qual é a taxa de fluxo sanguíneo nos capilares se a área total da seção transversal dos capilares é de 2000 cm 2 . (O diâmetro de cada capilar é considerado como , e o número de capilares é superior a um milhão).
36. Na medicina, o efeito Doppler é usado para determinar a velocidade de movimento de estruturas biológicas individuais (por exemplo, sangue, válvulas cardíacas). Como a mudança na frequência de um sinal ultrassônico refletido de um objeto em movimento está relacionada à sua velocidade?
37. Uma força F = 10 N é aplicada ao pistão de uma seringa localizada horizontalmente. Determine a velocidade v da saída do medicamento da agulha da seringa se a densidade do medicamento for , o diâmetro do pistão for d = 7 mm e sua área for muito maior do que a área da seção transversal da agulha.
38. Com que velocidade v uma bolha de ar com diâmetro d = 4 mm flutua em um recipiente cheio de glicerina? A viscosidade cinemática da glicerina, sua densidade é muito maior que a do ar.
39. Em algumas doenças, o número de Reynolds crítico nos vasos torna-se igual a 1160. Encontre a velocidade do movimento do sangue na qual a transição do fluxo laminar para turbulento é possível em um vaso com diâmetro de 2 mm.
40. O nível de volume do som é de 120 phon, e uma conversa tranquila - na mesma distância - 41 phon. Determine a razão de intensidades.
42. Intensidade do som 10-2 W/m2. Encontre a pressão sonora se a resistência acústica do meio (ar) for 420 kg/m2s.
43. Determine o valor da amplitude da pressão sonora para um tom puro com frequência de 1000 Hz, no qual a membrana timpânica pode romper se a ruptura ocorrer em um nível de volume L E = 160 phon. (A resposta é expressa em pascal e em atm.)
44. Um aquecedor elétrico em uma planta para processamento térmico de matérias-primas medicinais evapora 1 litro de água em 10 minutos, viscosa a uma temperatura de 20 0 C. Determine o comprimento de um fio de nicromo com seção transversal de 0,5 mm 2, dado que a instalação é alimentada por 120 V e sua eficiência é de 80% ?
45. A intensidade da luz que passa por uma solução de aspirina em um solvente não absorvente é reduzida por um fator de três devido à absorção. A concentração de moléculas de aspirina n 0 =10 20 m -3 . O caminho da luz na solução = 150 mm. Determine a seção transversal de absorção efetiva da aspirina.
46. Determine a diferença de fase na onda de pulso entre dois pontos da artéria localizados distantes um do outro, considerando a velocidade da onda de pulso igual a v = 10 m / s, as oscilações do coração são harmônicas com frequência = 1,2Hz.
49. Para aquecer o tecido muscular, uma voltagem é aplicada aos eletrodos planos com uma amplitude U 0 \u003d 250 V e uma frequência \u003d 10 6 Hz. A resistência ativa desta seção do circuito R=10 3 Ohm; capacitância C= F. Determine a quantidade de calor liberada no volume de tecido entre os eletrodos durante o período de oscilação T e durante o procedimento t=10 min.
50. A iontoforese é usada para introduzir drogas no corpo humano. Determinar o número de íons ionizados isoladamente da substância medicamentosa administrada ao paciente ao longo do tempo t = 10 min a uma densidade de corrente de 0,05 mA/cm 2 de um eletrodo com área de S = 5 cm 2
PERGUNTAS DO EXAME
membranas biológicas. Tipos de membranas biológicas e suas funções.
Tipos de lipídios de membrana e suas propriedades. Estruturas lipídicas em bicamada.
Colesterol. Dinâmica dos lípidos na membrana. Transições de fase na membrana.
proteínas de membrana. Tipos e funções das proteínas de membrana.
A estrutura das membranas biológicas.
membranas artificiais. Lipossomas.
Métodos para estudar a estrutura das membranas.
Fenômenos capilares, seu significado em biologia e medicina. embolia gasosa.
Transporte de substâncias através de membranas biológicas Formas de penetração de substâncias na célula.
Tipos de transporte. difusão simples.
Transporte de não eletrólitos através de membranas biológicas.
Mecanismos básicos de transporte passivo.
Transporte de íons. Transporte iônico de substâncias em canais.
Mecanismos de permeabilidade de membranas biológicas. Estrutura e funções dos canais iônicos e transportadores. Mecanismos de eletrogênese.
Transporte ativo através das membranas biológicas.
Mecanismos moleculares de potenciais eletroquímicos de membranas e propagação de um impulso nervoso ao longo de uma fibra excitável.
O conceito de excitabilidade elétrica . Potenciais de repouso .
Métodos de medição de potencial de membrana. Tecnologia de microeletrodos.
potencial de acção . O mecanismo de geração e propagação do potencial de ação.
Métodos para estudar os mecanismos moleculares dos potenciais eletromecânicos de membranas.
Propagação de um impulso nervoso ao longo de uma fibra excitável.
Sensores de informação biomédica. Tipos de sensores.
Finalidade e classificação dos sensores, características.
Fenômenos termoelétricos em metais e semicondutores.
Calibração de sensores térmicos e determinação da temperatura de uma substância.
Eletrodos para tomada de sinal bioelétrico.
Correntes iônicas no modelo de Hodgkin-Huxley.
Canais iônicos nas membranas celulares. Estrutura do canal iônico.
O mecanismo de geração do potencial de ação do cardiomiócito.
potenciais de membrana. O potencial de ação da célula cardíaca.
Bases físicas da eletrocardiografia. O dispositivo, o princípio de funcionamento do eletrocardiógrafo .. Abordagens básicas para registro de ECG.
Registro de ECG e princípios de análise.
Eletroencefalografia. Ritmos básicos do EEG. seu significado funcional.
Registo de EEG e princípios de análise. testes funcionais.
Os principais tipos de atividade elétrica dos neurônios piramidais.
37. Níveis de energia das moléculas (energia eletrônica, vibracional e rotacional das moléculas).
38. Transições eletrônicas na absorção da luz.
39. Espectros de absorção de moléculas de alguns compostos biologicamente importantes.
40. Métodos de estudo de processos fotobiológicos usando espectros.
41. Dispositivo e princípio de funcionamento dos espectrofotômetros .
42. O estudo de métodos de pesquisa espectrofotométrica para determinar a concentração de substâncias em fluidos biológicos.
43. Luminescência de sistemas biológicos.
44. Luminescência. Vários tipos de luminescência.
45. Fotoluminescência. Regra de Stokes.
46. Rendimento quântico de fluorescência. Nível de tripleto e fosforescência.
47. Análise qualitativa e quantitativa fotoluminescente de objetos biológicos.
48. Microscopia fluorescente. Quimioluminescência, mecanismo de geração de quimioluminescência
49. Fases primárias dos processos fotobiológicos.
50. Espectros de ação fotobiológica.
51. Estudo de produtos de reações fotobioquímicas primárias.
52. Oxidação de radicais livres Reacções fotoquímicas primárias de proteínas.53. Transformação fotoquímica do DNA.
54. Características da ação da radiação laser de alta intensidade no DNA.
55. Fotoreativação e fotoproteção.
56. Ação da luz ultravioleta em membranas biológicas.
57. Processos fotobiológicos fotossensibilizados.
58. Estudo de objetos biológicos em microscopia.
59. Métodos especiais de microscopia de objetos biológicos
60. Sistema óptico de um microscópio, construindo uma imagem de um objeto.
61. A fórmula para a ampliação de um microscópio óptico.
62. Biofísica da contração muscular . Modelo de rosca deslizante.
63. Biomecânica do músculo. equação de Hill.
64. Poder de uma única contração. Simulação de contração muscular.
65. Interface eletromecânica
66. Sistema circulatório (artérias, veias). Mecanismo de circulação sanguínea
67. Movimento do sangue em grandes vasos.
68. Organização do fluxo sanguíneo em microvasos.
69. Movimento das células sanguíneas nos capilares.
70. Fatores que determinam as propriedades reológicas do sangue.
71. Formas de orientação de erythrocytes em tubos capilares.
72. Padrões hemodinâmicos do fluxo sanguíneo pelos vasos.
73. Padrões físicos e matemáticos gerais do movimento do sangue na corrente sanguínea.
74. Reografia de vários órgãos e tecidos . Métodos para estudar a circulação sanguínea.
75. Métodos de registo e princípios de análise da curva eográfica. Reografia integral e regional.
76. Métodos de registro indireto de choque e ejeção minuto. Reografia integrada por computador.
77. Base física da interação do som e dos tecidos biológicos.
78. Classificação de dispositivos e dispositivos médicos.
79. Formas de energia que são convertidas em um transdutor de medição.
80. Dispositivos médicos para fins terapêuticos.
81. Equipamento médico eletrônico terapêutico.
82. Métodos de terapia de alta frequência (HF, UHF, microondas, etc.) e seus efeitos biofísicos.
83. O dispositivo do aparelho de terapia UHF e seu princípio de funcionamento.
84. Técnica terapêutica baseada no uso de corrente contínua
85. O dispositivo do aparelho de galvanização e seu princípio de funcionamento. Base física da galvanização
86. Conversores fotoelétricos.
87. Meios técnicos básicos de introscopia médica.
88. Projetos de sensores e suas principais características.
89. Dispositivos para medir a função da respiração externa
90. Registro dos movimentos torácicos durante os movimentos respiratórios. Pneumografia, espirometria, espirografia.
Lista de habilidades práticas
registrar EEG., RG
registrar ECG em derivações padrão;
ser capaz de explicar a génese dos fenómenos de ECG e os métodos para a sua detecção.
aprender a formar um diagnóstico eletrocardiográfico.
registrar parâmetros físicos,
resultados de medição de processo usando ferramentas de computação;
medir a concentração de substâncias usando instrumentos fotométricos.
resolver o problema do emparelhamento ótimo de um objeto biológico e meios técnicos em pesquisa biomédica;
escolher os meios técnicos certos para resolver problemas médicos
1. A partir disso, concluiu-se que a membrana eritrocitária consiste em moléculas lipídicas dispostas em duas camadas.
Aparentemente, essa conclusão de Gorter e Grendel acabou sendo correta apenas devido à compensação mútua de erros, porém, em termos históricos, esse trabalho foi de grande importância, pois desde então o conceito da bicamada lipídica como base estrutural da biologia membranas tornou-se dominante e, de fato, acabou sendo correta.
O conceito de uma membrana lipídica bimolecular foi desenvolvido em 1935 no modelo Devson-Danielli, ou modelo "sanduíche", no qual as proteínas foram assumidas para cobrir a superfície da bicamada lipídica. Este foi um modelo extraordinariamente bem sucedido, e ao longo dos próximos 30 anos, numerosos dados experimentais, especialmente aqueles obtidos por difração de raios X e microscopia eletrônica, confirmaram plenamente sua adequação. No entanto, ao mesmo tempo, descobriu-se que as membranas desempenham uma enorme variedade de funções e, para explicar esse fenômeno, o modelo original de Devson-Danielli foi modificado repetidamente.
O rápido progresso na membranologia, que resultou na formação de conceitos modernos, foi alcançado em grande parte devido aos avanços no estudo das propriedades das proteínas de membrana. Estudos de microscopia eletrônica usando o método de cisalhamento por congelamento mostraram que partículas globulares são incorporadas nas membranas. Enquanto isso, os bioquímicos usando detergentes conseguiram dissociar as membranas para o estado de "partículas" funcionalmente ativas. Os dados espectrais indicaram que as proteínas de membrana são caracterizadas por um alto teor de a-hélices e que provavelmente formam glóbulos em vez de serem distribuídas como uma monocamada na superfície da bicamada lipídica. As propriedades apolares das proteínas de membrana sugeriram a presença de contatos hidrofóbicos entre as proteínas e a região apolar interna da bicamada lipídica. Ao mesmo tempo, foram desenvolvidos métodos que permitiram revelar a fluidez da bicamada lipídica. Singer e Nicholson reuniram todas essas ideias para criar um modelo de mosaico fluido. Dentro deste modelo, a membrana é representada como uma bicamada fosfolipídica fluida, na qual as proteínas em difusão livre estão imersas. O antigo modelo Devson-Danielli era estático e explicava com sucesso os dados estruturais disponíveis na época, obtidos em uma resolução bastante baixa. Ao mesmo tempo, desde 1970, muita atenção tem sido dada ao estudo das propriedades dinâmicas e sua relação com as funções da membrana. Nos últimos anos, o modelo de mosaico fluido também foi modificado e esse processo continuará. Em particular, tornou-se claro que nem todas as proteínas de membrana se difundem livremente na bicamada lipídica líquida. Existem dados sobre a existência de domínios j laterais na própria membrana. O papel do citoesqueleto também está sendo cuidadosamente estudado. Está ficando cada vez mais claro que algumas porções das membranas parecem diferir em estrutura da bicamada lipídica clássica. No entanto, em um futuro próximo, o modelo de mosaico fluido em suas várias modificações servirá como base conceitual para muitos estudos de membranas.
3. Morfologia das membranasDois métodos desempenharam um papel importante na elucidação da morfologia das membranas: difração de raios X e microscopia eletrônica. Foi com a ajuda deles que a correção do modelo de bicamada foi confirmada. No entanto, deve-se ter em mente que ambos os métodos enfrentam uma série de limitações na elucidação de uma imagem detalhada da organização molecular das membranas.
3.1 Difração de raios-X
No estudo de amostras cristalinas altamente ordenadas usando o método de difração de raios X, é possível obter informações sobre a estrutura com alta resolução. No caso de preparações mal ordenadas, as possibilidades deste método são limitadas. Alguns sistemas especializados de membranas já possuem uma estrutura regular e, portanto, podem ser estudados por métodos de difração de raios X. Um exemplo desse tipo é a bainha de mielina das fibras nervosas periféricas; é uma membrana que, repetidamente envolvendo o axônio, forma um sistema regular de estruturas de membrana concêntricas. Estudos de difração de raios X em mielina, realizados na década de 1930, confirmam a adequação do modelo de membranas em bicamada. A mesma conclusão é tirada pelo estudo do segmento externo de bastonetes da retina de vertebrados, que são sistemas de membrana ordenados naturais, bem como sistemas ordenados artificialmente que são formados durante o colapso sob condições de centrifugação de vesículas de membrana obtidas de mitocôndrias e eritrócitos . Em todos esses casos, uma distribuição semelhante de densidade eletrônica na membrana foi observada, mostrada na Fig. 1.4
Para interpretar os dados de difração de raios X, é necessário determinar não apenas as intensidades das reflexões, mas também suas fases. No caso de sistemas de membranas empacotadas regularmente, o problema é bastante simplificado, pois esses sistemas consistem em elementos repetidos com simetria central.
Os dados obtidos mostram que a estrutura de todas as membranas é semelhante: elas possuem uma região interna hidrofóbica com baixa densidade eletrônica e duas camadas de grupos polares com alta densidade eletrônica. Os dados de difração de raios X obtidos para diferentes membranas diferem apenas ligeiramente, apesar das grandes diferenças em seu conteúdo de proteína. Embora os dados de difração de raios X forneçam algumas informações sobre como a maior parte das proteínas de membrana está localizada na membrana, em geral, o método de análise de difração de raios X não fornece uma imagem molecular detalhada.
Wilkins e outros observaram em 1971 que a difração de raios X também pode ser usada para estudar dispersões aquosas de membranas e fosfolipídios. Neste caso, as reflexões geradas pelas regiões polares em ambos os lados da bicamada permitem encontrar sua espessura igual à distância entre as cabeças polares, e a distância entre essas cadeias pode ser determinada a partir das reflexões geradas por cadeias hidrocarbonadas ordenadas . Neste caso, também, preparações de membranas obtidas de diferentes fontes deram um padrão de difração semelhante, o que confirma a universalidade do modelo de bicamada.
A impossibilidade de obter um padrão molecular detalhado pelo método de difração limita a aplicação deste método ao estudo de membranas biológicas. No entanto, pode ser muito útil no estudo de sistemas lipídico-aquosos ordenados.
3.2 Microscopia eletrônica
A microscopia eletrônica de transmissão de seções finas de mielina e, de fato, de todas as outras membranas, revela uma estrutura característica de três camadas consistindo em duas bandas eletrodensas separadas por um intervalo de cerca de 80 A. Esta imagem é obtida em grande parte como uma resultado do tratamento de preparações com tetróxido de ósmio, usualmente utilizado neste método. Robertson chamou a estrutura observada de "unitária" para enfatizar sua universalidade e, embora os mecanismos moleculares de coloração da membrana com ósmio sejam desconhecidos, essa estrutura foi considerada como confirmação da validade do modelo de bicamada da membrana. É claro, no entanto, que as membranas podem ser adversamente afetadas durante a preparação de espécimes para microscopia eletrônica de transmissão. Em particular, sabe-se que o tratamento com tetróxido de ósmio leva a uma perda significativa de proteína da membrana eritrocitária. E embora a estrutura de três camadas observada neste caso reflita até certo ponto a organização das membranas de bicamada, informações mais detalhadas sobre a localização da proteína não podem ser obtidas por este método.
Algumas informações sobre a localização das proteínas da membrana foram fornecidas por novos métodos, que agora se tornaram "clássicos" - métodos de clivagem por congelamento e ataque por congelamento. Nesses casos, as preparações são congeladas rapidamente, sem expô-las a nenhum efeito prejudicial, como na obtenção de lâminas finas. O processo de preparação do medicamento inclui as seguintes operações.
Após o congelamento, a amostra, que é uma suspensão de células ou membranas, é cortada com uma faca em baixa temperatura em alto vácuo. As forças geradas durante o lascamento levam à formação de um corte que passa pela amostra. Descobriu-se que quando o plano de corte passa pela membrana, esta se divide principalmente ao longo de sua região central e se divide em duas metades. Como resultado, a região interna da membrana fica exposta nos planos de clivagem formados.
Se necessário, a amostra é submetida a gravação - a sublimação usual do gelo é realizada no vácuo. Isso permite uma melhor visualização das estruturas de superfície das membranas celulares.
Depois disso, uma chamada réplica da superfície exposta é obtida. É esta réplica que é estudada sob um microscópio eletrônico. Para obter uma réplica, a platina é primeiro depositada sobre a amostra em um ângulo de cerca de 45° para revelar as características topológicas da preparação. Em seguida, a réplica de platina recebe resistência mecânica aplicando uma camada de carbono sobre ela. Depois disso, a preparação é descongelada, a réplica flutua e é capturada com uma rede especial.
As estruturas mais características observadas no estudo de membranas pelo método de clivagem por congelamento são numerosas partículas intramembranares com diâmetro de 80 a 100 Å, situadas no plano de clivagem da membrana. Geralmente eles estão localizados aleatoriamente, mas às vezes formam grupos. Numerosos estudos mostraram que essas partículas são possivelmente proteínas de membrana. Curiosamente, a microscopia eletrônica de cortes delgados não revela tais estruturas. As réplicas obtidas das duas metades da membrana dividida nem sempre são topologicamente complementares. Isso significa que algumas partículas estão ligadas a apenas uma das metades da membrana. Os dados de divisão por congelamento foram amplamente utilizados por Singer e Nicholson no desenvolvimento do modelo de mosaico fluido de membranas, pois mostraram de forma convincente que as proteínas globulares estão localizadas não apenas na superfície da membrana, mas também dentro da bicamada.
A Figura 1.6 mostra uma micrografia eletrônica de uma preparação de proteolipossomas reconstruídos a partir de fosfatidilcolina de ovo e uma preparação não fracionada da proteína de banda 3 de uma membrana de eritrócitos humanos; A preparação foi obtida pelo método de clivagem por congelamento.
A proteína da banda 3 é o principal componente proteico da membrana eritrocitária e é conhecida por transportar ânions. Se as vesículas de fosfolipídios não contiverem essa proteína, as preparações de chips congelados resultantes terão uma superfície lisa.
Após a incorporação da proteína da banda 3 nas vesículas fosfolipídicas, partículas intramembranares aparecem nas clivagens, que são praticamente indistinguíveis das partículas observadas nas membranas eritrocitárias. Além disso, em pH 5,5, as partículas observadas na membrana eritrocitária se agregam, e essa agregação é realizada como resultado da interação da proteína da banda 3 com outras duas proteínas, a espectrina e a actina.
Estes últimos são componentes do citoesqueleto localizados na superfície interna da membrana eritrocitária. O sistema reconstruído composto pela proteína da banda 3 e fosfatidilcolina se comporta de forma semelhante, com agregação de partículas observada na presença de espectrina e actina em pH 5,5, mas não em pH 7,6.
Esses dados fortaleceram ainda mais o conceito de proteínas de membrana como partículas globulares movendo-se livremente no plano da membrana. Curiosamente, as microfotografias estáticas de preparações obtidas pelo método de congelamento ajudaram os pesquisadores a estudar as propriedades dinâmicas das membranas. Como veremos, existem muitas proteínas nas membranas que não podem nadar livremente no mar lipídico.
4. Isolamento de membranasNas últimas três décadas, tornou-se cada vez mais claro que a grande maioria das funções celulares é realizada com o envolvimento direto das membranas.
Tanto as células vegetais quanto as animais são divididas em compartimentos, e muitas organelas citoplasmáticas, como mostrado na Seção 1.1, são de natureza membranar.
Além das organelas características da maioria das células, existem também sistemas de membrana especializados, como o retículo sarcoplasmático das células musculares, a bainha de mielina das fibras nervosas periféricas, as membranas tilacóides dos cloroplastos e as membranas dos discos nos bastonetes da retina. Os organismos procarióticos também possuem membranas, embora não tão desenvolvidas quanto os eucarióticos.
Bactérias Gram-positivas, como Bacillus subtilis, possuem apenas uma membrana citoplasmática, enquanto bactérias Gram-negativas, como Escherichia coli, também possuem uma membrana externa localizada no topo de uma fina parede celular de peptidoglicano.
Algumas organelas especializadas também foram encontradas em células procarióticas. Alguns vírus patogênicos aos animais, como os vírus envelopados, possuem membrana verdadeira, e tais membranas têm se mostrado extremamente interessantes de serem estudadas.
O estudo de membranas, via de regra, está associado à sua purificação, e cada tipo de membrana é caracterizado por suas próprias condições de isolamento preparativo.
Portanto, se você tiver que estudar a membrana plasmática de qualquer célula, primeiro precisará isolar essas células do tecido. As condições ideais para romper células e separar as membranas de interesse de outros componentes celulares devem então ser selecionadas. Os critérios de pureza das membranas isoladas merecem atenção especial.
4.1 Destruição de células
É desejável escolher uma técnica que efetivamente destrua as próprias células, mantendo a estrutura das membranas a serem isoladas. Para muitas células animais, um procedimento relativamente suave, como a homogeneização em Downs com paredes de vidro ou homogeneizadores Potter-Elveheim com um pilão de Teflon, pode ser usado. Neste caso, as células são destruídas devido às forças de cisalhamento que ocorrem quando a suspensão é forçada a passar por um estreito espaço entre o pilão de Teflon e a parede de vidro do homogeneizador. Com este tratamento, a membrana plasmática "quebra" e as ligações entre várias organelas são destruídas, mantendo a integridade das próprias organelas. Usando este procedimento, regiões especializadas da membrana plasmática também podem ser separadas umas das outras, por exemplo, as regiões basolaterais ou apicais da membrana das células epiteliais. É desejável operar sob condições em que a integridade das organelas seja mantida para minimizar a possibilidade de liberação de enzimas hidrolíticas e facilitar as operações de separação de membrana subsequentes.
Para a destruição de células com parede, são necessários métodos mais rigorosos. Às vezes, antes que as células sejam destruídas, elas são primeiro tratadas com enzimas que quebram os componentes da parede celular para facilitar sua destruição subsequente. Por exemplo, o tratamento com tampão Tris-EDTA e lisozima é usado para destruir células de E. coli. Técnicas mais rigorosas incluem esfregar as células, sonicá-las e extrudá-las. A moagem geralmente é realizada na presença de vários materiais abrasivos - areia, alumina ou contas de vidro. Pequenos volumes de material podem ser moídos em almofariz e pilão, mas para volumes maiores devem ser usados dispositivos mecânicos especiais. As células bacterianas são frequentemente destruídas usando ultra-som. Acredita-se que, neste caso, a destruição ocorra sob a ação de forças de cisalhamento resultantes da cavitação. As mesmas forças ocorrem quando uma suspensão de células é forçada através de um pequeno orifício, por exemplo, quando as células são destruídas usando uma prensa francesa. Existem muitas variedades desses métodos, e sua escolha depende das características do sistema de membrana a ser estudado.
Deve-se notar que os fragmentos de membrana obtidos durante a destruição celular geralmente formam vesículas espontaneamente. Um exemplo é:
1) microssomas derivados da membrana plasmática, retículo endoplasmático ou sistemas especializados como a membrana sarcoplasmática;
2) partículas submissocondriais da membrana mitocondrial interna;
3) sinaptossomas formados quando as terminações nervosas são arrancadas na área de contatos sinápticos;
4) vesículas de membrana bacteriana formadas a partir da membrana plasmática de E. coli. As vesículas também são formadas a partir de outros sistemas de membranas, por exemplo, das membranas do aparelho de Golgi. Seu tamanho na maioria dos casos depende fortemente do método de destruição celular. Isso é especialmente importante, uma vez que o tamanho das vesículas determina em grande parte a taxa de sua sedimentação durante a centrifugação e seu comportamento nas etapas subsequentes de purificação da membrana. Algumas membranas não formam vesículas, em particular as membranas das superfícies laterais das células animais em contato umas com as outras. Quando essas células são destruídas, um par de fragmentos de membrana adjacentes é arrancado, mantidos juntos pela área de contato. A presença de tais contatos impede o fechamento dos fragmentos em vesículas, de modo que as membranas são liberadas na forma de placas ou estruturas semelhantes a fitas.
De grande importância na destruição das células é também a escolha correta do meio. Por exemplo, para manter as organelas da membrana fechadas, deve-se usar um meio que seja isosmótico ao seu conteúdo interno. Na maioria das vezes, uma solução de sacarose é usada para isso em uma concentração de 0,25-0,30 M. Em alguns casos, é melhor usar sorbitol e manitol. Deve-se notar que a preservação da isotonicidade também desempenha um papel importante nos estágios subsequentes do isolamento preparativo de organelas intactas.
4.2 Separação de membranas
Atualmente, a centrifugação é mais comumente usada para separar membranas. As partículas da membrana podem ser classificadas de acordo com sua taxa de sedimentação ou densidade flutuante. O primeiro método é chamado de centrifugação zonal e a separação ocorre de acordo com os valores de S, e o segundo método é a centrifugação isopícnica e a separação ocorre em condições de equilíbrio de densidade. Na prática, geralmente é usado algum híbrido desses dois métodos. A Figura 1.7 mostra a posição de algumas unidades subcelulares no plano de coordenadas "S-g".
A abcissa mostra os coeficientes de sedimentação das partículas e a ordenada mostra a densidade.
O princípio da separação por taxa de sedimentação pode ser facilmente entendido comparando os valores de S para diferentes frações. Por exemplo, os núcleos têm valores de S relativamente altos, ou seja, sua taxa de sedimentação é muito maior do que a da maioria das outras organelas subcelulares. Os núcleos podem ser sedimentados seletivamente por centrifugação do homogenato celular, deixando todas as outras organelas no sobrenadante. Ao mesmo tempo, o retículo endoplasmático liso e rugoso não pode ser separado usando centrifugação zonal.
Diferenças em sua densidade são frequentemente usadas para isolar diferentes frações de membrana de um homogenato celular. Para este fim, é realizada a centrifugação em um gradiente de densidade. Na maioria das vezes, a sacarose é usada para criar um gradiente de densidade, mas esse método tem sérias desvantagens. Para obter a densidade necessária para separar as diferentes frações da membrana, é necessário preparar soluções com alta concentração de sacarose, que possuem alta viscosidade e também são hipertônicas. A introdução de organelas subcelulares em uma solução hipertônica de sacarose leva à sua desidratação, e o subsequente ajuste da solução a condições isotônicas é frequentemente acompanhado por lise e danos às organelas. Outro problema é que muitas organelas de membrana são permeáveis à sacarose. Também pode levar à destruição osmótica de organelas. A penetração da sacarose em organelas de membrana separáveis pode alterar sua densidade efetiva.
Tabela 1.1. O tempo físico está cada vez mais usando outras mídias para criar um gradiente de densidade. Alguns desses ambientes estão listados na Tabela 1.1
Para resolver esses problemas, as últimas propriedades da mídia gradiente.
1. Ficoll. Polímero hidrofílico de sacarose de alto peso molecular, que pode ser utilizado para obter soluções de densidade C até 1,2 g/ml. Sua principal vantagem é a baixa pressão osmótica das soluções em relação a soluções com concentração equivalente de sacarose. é possível criar soluções que são isotônicas em toda a faixa de concentrações devido à inclusão adicional de sacarose ou sais fisiologicamente aceitáveis no meio. As desvantagens são a alta viscosidade das soluções resultantes e a dependência significativamente não linear da viscosidade e osmolaridade em concentração.
2. Metrizamida. Glicose benzamida triiodosubstituída As soluções de metrizamida têm uma densidade mais elevada do que as soluções ficoll nas mesmas concentrações. A principal vantagem das soluções de metrizamida é sua viscosidade muito baixa, o que permite uma separação mais rápida.A solução de metrizamida 35% tem uma osmolaridade quase fisiológica, de modo que a maioria das operações durante a separação por membranas podem ser realizadas sem expô-las a soluções hipertônicas. O metrizoato de sódio é um composto relacionado com propriedades semelhantes à metrizamida, com a única diferença de que sua solução é isotônica na concentração de cerca de 20%. O metrizoato de sódio é usado principalmente para o isolamento de células intactas. Naikodenz também é um derivado do ácido triiodobenzóico, mas possui três cadeias laterais hidrofílicas. Quando centrifugado, desenvolve rapidamente seu próprio gradiente de densidade; usado para isolar organelas subcelulares.
Percoll. Suspensão coloidal de sílica gel revestida com polivinilpirrolidona. Este revestimento reduz o efeito tóxico do gel de sílica. A principal vantagem do percoll é que ele não penetra nas membranas biológicas, e suas soluções possuem baixa viscosidade e baixa osmolaridade. Devido ao grande tamanho de partícula, a centrifugação da solução Percoll em velocidades moderadas resulta na formação de um gradiente de densidade. Portanto, a separação geralmente ocorre muito rapidamente. O meio utilizado para centrifugação pode ser isotônico em todo o volume devido à inclusão de sais ou sacarose nele. Não é difícil criar um gradiente suave, o que torna possível realizar uma separação muito eficiente das frações da membrana de acordo com sua densidade flutuante.
Sorbitol e manitol. Essas substâncias às vezes são usadas no lugar da sacarose porque, de acordo com dados publicados, elas penetram em algumas membranas biológicas pior que a sacarose.
Observe que o glicerol não é usado para criar um gradiente de densidade porque não pode atingir valores de densidade suficientemente altos. Sais de metais alcalinos, como CsCl, são usados apenas quando são necessárias soluções de alta densidade. No entanto, deve-se ter em mente que nas concentrações necessárias para criar uma densidade de equilíbrio, esses sais geralmente têm um efeito prejudicial nas organelas da membrana.
Outros métodos também são usados para isolar membranas de homogeneizados de células, embora não com tanta frequência quanto a centrifugação.
1. Distribuição de fases. Neste caso, a separação das partículas da membrana ocorre de acordo com suas propriedades superficiais. Para este propósito, são formadas duas camadas imiscíveis de soluções aquosas de vários polímeros solúveis em água. Exemplos são misturas de polietilenoglicol dextrano e dextranficoll. As partículas da membrana são separadas de acordo com sua afinidade por essas fases. Este último pode ser selecionado de modo a separar as membranas por sua carga superficial ou hidrofobicidade.
Eletroforese de fluxo livre contínuo. Nesse caso, a separação das partículas ocorre de acordo com sua carga elétrica. A droga a ser dividida é continuamente introduzida em uma fina camada de tampão que flui por uma parede vertical. Neste caso, um campo elétrico é aplicado perpendicularmente à direção do fluxo. Assim, a separação eletroforética das partículas ocorre através do tampão de fluxo, que é coletado no fundo da câmara na forma de frações separadas.
adsorção por afinidade. A separação é baseada em uma interação bioespecífica entre os componentes da membrana e a fase sólida. Com a descoberta dos anticorpos monoclonais, tornou-se possível criar técnicas preparativas baseadas no uso de componentes antigênicos específicos para isolamento de membranas. Os anticorpos resultantes podem ser ligados covalentemente a um suporte sólido e com sua ajuda realizar a ligação específica das respectivas membranas. Na maioria das vezes, esse método é usado para isolar proteínas de membrana. Um dos problemas que surgem aqui está relacionado à seleção de condições de eluição de membrana que não causem desnaturação de proteínas.
Um método baseado no uso de microgrânulos de sílica gel. Normalmente, a participação das membranas plasmáticas representa não mais que 1°7o da massa total de todas as membranas das células eucarióticas. Portanto, o isolamento de membranas plasmáticas absolutamente puras está associado a grandes dificuldades. Uma abordagem que foi desenvolvida especificamente para o isolamento de membranas plasmáticas é baseada no uso de microesferas de sílica gel cationizada. Esses grânulos são fortemente adsorvidos na superfície externa da membrana plasmática de células intactas, e a fração de membranas plasmáticas associadas aos grânulos é facilmente separada no gradiente de densidade de sacarose de outras membranas devido à maior densidade dos grânulos. Uma característica deste método é que na preparação resultante, a membrana plasmática com sua superfície interna é transformada em solução.
4.3 Critérios de pureza para frações de membrana
Talvez o critério mais objetivo para a pureza da fração de membrana isolada seja a presença nela de algum componente único que esteja contido apenas nesta membrana ou seja predominante nela. Normalmente, esses componentes são enzimas, que neste caso são chamadas de marcadores. A lista de enzimas marcadoras que são usadas para controlar a pureza das frações de membrana é fornecida na Tabela 1.2. Ao determinar a atividade de uma enzima, deve-se levar em consideração que ela pode estar em uma forma latente, por exemplo, devido à fato de estar localizada na superfície interna das vesículas de membrana secretadas. Outros problemas associados à avaliação da pureza de membranas isoladas são considerados na revisão. Ressalta-se que os métodos recomendados na maioria dos casos são bem desenvolvidos e padronizados.
Em alguns casos, marcadores de membrana mais convenientes não são enzimas, mas receptores específicos para lectinas, hormônios, toxinas ou anticorpos. Se os sistemas em estudo estiverem bem caracterizados, então a pureza da fração de membrana pode ser julgada por sua composição proteica determinada por eletroforese em gel de poliacrilamida na presença de dodecil sulfato de sódio. Por exemplo, a membrana externa de bactérias Gram-negativas possui um conjunto característico de polipeptídeos que não estão presentes na membrana citoplasmática.
Tabela 1.2 Marcadores usados para controlar a pureza de frações de membrana isoladas de células de mamíferos "
Fração de membrana enzima marcadora Membranas plasmáticas 5"-Nucleotidase Fosfodiesterase alcalina Na * / K + -ATPase (basolateral-
membrana epitelial células) Adenilato ciclase (basal membrana do hepatócito) Aminopeptidase (membrana epitélio da borda em escova) Mitocôndrias (internas Citocromo c oxidase membrana) Succinato-citocromo c-oxido- redutase Mitocôndrias (externas Monoamina oxidase membrana) Lisossomos Fosfatase ácida 0-Galactosendase Peroxissomos Catalase urato oxidase D-aminoácido oxidase Membranas de aparelhos Galactosiltransferase golgi Endoplasmático Glicose-6-fosfatase retículo Colina fosfotransferase NADPH-citocromo c-oxido- redutase Citosol lactato desidrogenase Outros critérios que podem ser usados para julgar a pureza das membranas incluem sua morfologia, que é detectada por microscopia eletrônica, e as características da composição química. Por exemplo, frações que representam a membrana plasmática, o aparelho de Golgi ou as mitocôndrias podem ser identificadas por sua morfologia. Em alguns casos, a droga é caracterizada pelo conteúdo de colesterol. Por exemplo, as membranas mitocondriais contêm muito menos colesterol do que o Golgi e as membranas plasmáticas.
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