Физические свойства биологических мембран.

В живых клетках биологические мембраны пребывают в жидкокристаллическом состоянии. В жидком кристалле сочетаются свойства кристалла (дальний порядок организации) и жидкости (текучесть и образование капель), что приводит к возникновению качественно новых свойств.

Биомолекулярный слой фосфолипидов, образующий биомембраны, в физиологических условиях (при температуре тела и т.д.) представляет собой жидкий кристалл.

При понижении температуры и под влиянием ряда других факторов фофсфолипидный каркас приобретает свойства твердого кристалла, сохраняя биомолекулярную структуру.

В физиологических условиях текучесть биологических мембран уменьшается при повышении в них содержания холестерина, ионов кальция и магния. Местные анестетики (новокаин и родственные ему соединения) повышают степень текучести клеточных мембран, влияя на их жидкокристаллическое состояние. Оно изменяется при росте и развитии клеток, а также при некоторых патологических состояниях (раке, дистрофиях).

Характерным свойством жидких кристаллов (ЖК) является их способность к фазовым переходам, т.е. к преобразованию в твердые кристаллы (ТК) и возвращению в прежнее состояние при определенных условиях. В биологических мембранах фазовые переходы происходят в физиологических условиях под действием ряда агентов (раздражителей). Важно, что это может совершиться во всем объеме мембраны, а в небольших ее участках (там, где появляются такие агенты).

Фазовый переход представляет собой кооперативный процесс. При плавном изменении силы раздражителей физико-химические свойства мембран изменяются скачком.

Фазовый переход в фосфолипидном каркасе существенно изменяет свойства ферментов, каналов, переносчиков и других компонентов биомембраны, находящихся в том ее участке, где совершается кооперативный процесс. Там изменяется проницаемость, нарушаются биохимические реакции, рецепторные и другие процессы, которые приводят к сдвигам в физиологическом состоянии организма.

Основными формами молекулярного движения в биомембране являются латеральная миграция (перемещение молекул в плоскости мембраны, т.е. в пределах одной стороны биомолекулярного слоя) и вращение молекул вокруг собственной оси.

В отличие от вращения и латеральной миграции, перемещения молекул поперек мембраны (с одной стороны липидного бислоя на другую) совершаются очень редко. Такой вид молекулярного движения называют «флип-флоп»-перемещения.

Биомембрана как жидкокристаллическая структура с присущей ей текучестью характеризуется определенной вязкостью. При изменении температуры, молекулярного состава и других параметров биомембраны меняется ее вязкость вследствие возникновения фазового перехода: жидкий кристалл твердый кристалл.

Вязкость биомембран претерпевает существенные изменения при многих заболеваниях, а также под действием электромагнитных излучений, ряда фармакологических препаратов, гормонов. Во многих случаях влияние на вязкость клеточных мембран зависит от изменения содержания в них холестерина. При нормальной температуре тела повышение содержания холестерина в мембранах увеличивает их вязкость, а понижение – уменьшает ее. В этом причина разжижения мембран в клетках злокачественных опухолей. Вязкость всех клеточных мембран падает под действием наркотических веществ (например, хлороформа).

Жизнеспособность организма страдает как при понижении, так и при повышении мембранной проницаемости, которая в свою очередь зависит от вязкости. биомембран. Ее оптимальные значения поддерживаются в клеточных мембранах, пребывающих в жидкокристаллическом состоянии.

Порядок выполнения лабораторной работы

«Определение коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва капель».

1. промыть капельницу, закрепить ее вертикально в штативе и залить в нее определенный объем дистиллированной воды;

2. открыв кран, подсчитать число n₀ капель воды в данном объеме. Опыт провести три раза и найти среднее значение n₀;

3. залить в капельницу такой же объем раствора спирта концентрации С₁ и подсчитать число n капель воды в данном объеме, повторить три раза и найти среднее значение n;

4. провести аналогичные измерения с растворами спирта других концентраций C₂ и C₃;

5. вычислить поверхностное натяжение δ (см. формулу (4)) для различных растворов спирта, ρ₀=1000 kg/m³;

6. результаты измерений и вычислений занести в таблицу, построить график зависимости поверхностного натяжения растворов спирта от их концентрации δ =f(C).

№	n0	Средне значение n0	n	Средне значение n	δ
1
2
3

Приборы и принадлежности:

1. Капельница, растворы спирта (50%, 70%, 90%), дистиллированная вода, стакан.