А.Б.Рубін, О.Р.Кольс, Т.Е.Кренделева та ін
Різноманітністьживих систем багато в чому визначається різноманіттям структури і функції клітиннихмембран. Вони не тільки формують клітку та внутрішньоклітинні структури, відокремлюютьклітину від зовнішнього середовища, захищають її від проникнення патогенних і чужоріднихз'єднань, але і грають роль селективного, тонко регульованого, бар'єру. Крімтого, мембрани - ключовий елемент у генерації електричних імпульсів, здійсненніміжклітинних контактів, перетворенні і запасанні у формі АТФ енергії світла іокислювально-відновних реакцій, а також у регуляції процесів секреції,пошкодження і старіння клітини. Мембранні рецептори забезпечують сприйняттясвітла, хімічних медіаторів, механічних стимулів, температури, електричногополя та ін Чим менше розміри клітин, тим більше їх питома поверхня і тимбільш важливу роль відіграють мембрани в життєдіяльності клітини. Всі ці процесиі явища, механізми їх взаємодії і регуляції становлять важливий розділсучасної біофізики клітини.
Первинні фізико-хімічні молекулярні процеси
Накафедрі проводяться дослідження процесів генерації і проведенні збудження внервових клітинах (нейрон, глиальная клітка і аксон). Вивчається станплазматичних мембран і основні процеси іонного транспорту. Виявленізміни ряду параметрів, що характеризують стан плазматичної мембрани(Мембранний потенціал, зміст мембранозв'язаних Са2 +, ритмічнезбудження), субклітинних органел (потенціал внутрішньої мембрани мітохондрій,зміст відновлених флавопротеїнів, в'язкість мембран) і цитоплазми(Зміна показника заломлення) пейсмекерного нейрона при діїнейромедіаторів. Процеси перерозподілу Са2 + між плазматичною мембраноюі внутрішньоклітинними органелами в пейсмекерного нейрона досліджують при термо-, хемо-і механостімуляціі локалізованих у шкірі екстерорецепторов і при впливінейромедіаторів і NO на нейрон у складі ганглія. Встановлено, що зміниелектричної активності нейронів при стимуляції екстерорецепторов і діїнейромедіаторів супроводжуються перерозподілом Са2 + в цитоплазмі: десорбцієюСа2 +, пов'язаного на плазматичною мембрані клітини, збільшенням концентраціїСа2 + в цитоплазмі, входом Са2 + у мітохондрії і стимуляцією роботиелектрон-транспортного ланцюга, а також зв'язуванням Са2 + субклітинних структурі регулярними змінами оптичної щільності цитоплазми.
Развиваемоенапрям безпосередньо пов'язаний з нейрофізіологією і фізіологією крові, цитологією,а також нейрохімії, молекулярної біології і моделюванням. Ці роботи маютьважливе практичне застосування в рамках медичної біофізики. Основнимпідходом даних досліджень є робота на нативних (тобто знаходяться вприродному стані) функціонуючих об'єктах - вивчення біоелектрогенеза, перенесеннякисню еритроцитами та ін
Застосовуютьсямікроелектродну методи (В«Петч-клямпВ»), методи мікроскопії (флуоресцентнамікроскопія, спектроскопія комбінаційного розсіювання, інтерференційнамікроскопія, конфокальної мікроскопії), а також радіоспектроскопія (ЕПР, ЯМР) іізотопні методи.
Мембранні процеси в рослинній клітині
Роботинацілені на вивчення електрохімічних і фотобіологічних процесів, що протікаютьв хлоропластах і на плазмалемме клітини в індукційний період фотосинтезу і настадії стаціонарного фотосинтезу. Вивчається фотогенерації мембранногопотенціалу О”П† в хлоропластах. Найбільш швидкі зміни мембранногопотенціалу (від 10 мкс до 1 с), протікають на тілакоідних мембранах хлоропластів.З використанням унікально великих хлоропластів печінкового моху Anthocerosвстановлено, що мембранний потенціал, поряд з градієнтом рН (О”pH), граєважливу роль в біоенергетиці в якості рушійної сили для синтезу АТФ. ВимірюванняО”П† дозволяють оцінювати провідність тілакоідних мембран ісопрягающего фактора.
Електричнийпотенціал тилакоїдів робить істотний вплив на фотосинтетичнийперенос електронів, що проявляється у змінах флуоресценції хлорофілуодиночних хлоропластів при зрушеннях О”П† за рахунок пропускання струму черезмікроелектрод. В залежності від редокс-стану первинного акцептораелектронів в фотосистемі II (ФС II), біполярні імпульси струму викликаютьсиметричні або асиметричні зрушення флуоресценції. Запропоновано математичнумодель, що пояснює вплив О”П† на флуоресценцію хлоропластів. Явищазбудливості відповідають за швидке закривання листя у сейсмочутливість(Мімоза) і ряду комахоїдних рослин. Потенціали дії (ПД) виникають і впровіднихпучках багатьох вищих рослин у відповідь на механічні татемпературні стимули. Разом з тим, дослідження на Anthoceros показали, щоімпульси типу ПД можуть виникати у відповідь на коротке (3 з) яскраве освітлення.Генерація імпульсів зникає при придушенні фотосинтезу і активності H + - АТФазирослинної клітини. Генерація ПД під впливом імпульсу світла супроводжуєтьсятривалими (10-15 хв) змінами в стані фотосинтетичного апарату.
світлозалежнапросторова самоорганізація потоків H + і активності фотосинтезуспостерігається в клітинах харових водоростей, зручних для дослідження багатьохфундаментальних біологічних процесів, оскільки вони поєднують здатність дофотосинтезу з електрозбудливості і здатністю формувати кальцієвівідкладення. У неосвітлених клітин водорості Chara (довжина однієї клітини якихможе досягати 10 см) профіль рН середовища однорідний по довжині клітини, однак насвітлу в профілі pH виникають чергуються кислі та лужні зони з перепадом рНпорядку 3-х одиниць. Неоднорідний профіль рН відображає гетерогенне розподілактивних транспортних систем плазмалемми, він узгоджений із профілемфотосинтетичної активності в шарі хлоропластів. Створено математичну модельвідбуваються.
Нещодавновстановлено, що одноразова генерація ПД згладжує неоднорідний профіль рН наперіод до 10-40 хв залежно від інтенсивності світла і рівня Ca2 + в середовищі.Вплив короткого електричного сигналу - ПД - аналогічно ефекту тривалого(20 хв) приміщення клітини в темряву. Згладжування профілю рН обумовленозупинкою H + - насоса в кислих зонах і зниженням H + - провідності в лужнихзонах. Генерація ПД викликає швидке придушення фотосинтетичного перенесенняелектронів, більш сильне в лужних зонах. Аналіз світових залежностей ідії іонофоров говорить про те, що вплив ПД на флуоресценцію хлорофілу іквантовий вихід переносу електронів у фотосистемі II обумовлено зростаннямО”pH на тілакоідной мембрані. Порушення узгоджених функцій хлоропластіві плазмалемми під впливом ПД, ймовірно, викликано майже 100-кратним підвищенням уцитоплазмі рівня Са2 +, що є регулятором багатьох внутрішньоклітиннихпроцесів.
Проникністьклітинних мембран для малих незаряджених молекул (неелектролітів) і газів
Хочадавно висловлювалися припущення про те, що в клітинних мембранах існуютьпори для просочування води, тривалий час переважала думка, що вона простодифундує через клітинну мембрану. В кінці 1950-х років було встановлено, щов мембранах еритроцитів є спеціальні канали, через які вода проходить, аіони - немає. При цьому клітинний В«водопровідВ» володіє приголомшливою пропускноїздатністю: до мільярда молекул води в секунду. Логічно було припустити, що,як і у випадку інших речовин, наприклад цукрів і амінокислот, транспорт водичерез мембрану відбувається за допомогою білка. Але який саме білок виконуєдану функцію? Це питання досить довго залишалося без відповіді.
Відсутністьзаряду у часток істотно утрудняє дослідження їх трансмембранноготранспорту, і до останнього часу транспорт неелектролітів залишався найменшвивченим. Нещодавно було показано, що мембранний білок аквопорін утворює вмембрані водну пору, непроникну для іонів. Просторова структурааквапоріна нагадує циліндричний канал, по якому рухаються молекули води.Амінокислоти у білку розташовані таким чином, що полярність створюваного нимиелектростатичного поля В«перемикаєтьсяВ» в центрі молекули на зворотну. Томумолекули води, дійшовши до середини каналу, перевертаються так, що їх дипольнімоменти у верхній і нижній частині каналу спря...
