Лекция № 2 Лектор:
Биофизические механизмы транспорта через БЛМ. Транспорт веществ через БЛМ. Способы проникновения вещества в клетку. Виды транспорта. ( пассивный , активный). Ионный транспорт в каналах. Все мембраны являются барьерными структурами , резко ограничивающими свободную диффузию между цитоплазмой и окружающей средой. М. регулируют поступление различных веществ в клетку и их выход из неё. Одни вещества легко проходят через клетку , для других она непроницаема. Роль проницаемости плазматической мембраны в жизни клеток огромна , т. к. с ней связаны большинство процессов , обеспечивающих клетки энергией и избавляющих её от продуктов распада.
Клетке необходимо обеспечить поступление таких веществ как сахара , аминокислоты, нуклеотиды—за перенос этих веществ ответственны специальные транспортные белки. Благодаря транспорту сохраняется пространственная неоднородность клетки ( отличие внутриклеточной среды , цитоплазмы !! от внеклеточного пространства), Создаются и поддерживаются градиенты (различия!) концентраций и потенциалов.
Виды транспорта через мембраны
Различают несколько типов транспорта через мембрану: диффузия , осмос, активный транспорт , везикулярный транспорт. Диффузия: различают простую и облегчённую диффузию. Простая диффузия—пассивный процесс движения частиц в растворе, согласно их концентрационному градиенту, из области высокой концентрации в область низкой концентрации.
Липидорастворимые вещества диффундируют легко через липидный бислой (кислород , СО. , этанол) Водорастворимые вещества(ионы с гидратной оболочкой) диффундируют через водные каналы, формируемые специальными трансмембранными белками – транслоказами. Облегчённая диффузия—пассивный перенос веществ с помощью специальных белков переносчиков по концентрационному градиенту: к ним относятся ферменты транслоказы и пермиазы.
Они связывают своим активным центром вещество с одной стороны мембраны и переносят его сквозь гидрофобный слой мембраны на другую поверхность. Ещё один вариант такой диффузии: после присоединения транспортируемого вещества меняется трансформация белка переносчика и в мембране открывается специальный гидрофильный канал, по которому и проникает вещество.
Пассивный транспорт---диффузия молекул и ионов в направлении меньшей концентрации (фактически выравнивание концентраций, вследствии хаотичного движения молекул), перемещение ионов в направлении поля. Пассивный транспорт не связан с затратой хим. энергии. Простая диффузия через липидный слой подчиняется уравнению Фика для молекул (немецкий физиолог, 1850 г)или в более общем случае уравн. Нернста –Планка (1920 г. ) В живой клетке эта диффузия обеспечивает прохождение кислорода и СО.
Есть и другие механизмы пассивного переноса веществ через мембрану--- диффузия через канал (пору) и диффузия в комплексе с переносчиком ( облегчённая диффузия). Рассмотрим простую диффузию , которая может происходить непосредственно через липидный бислой или через липидную или белковую пору в водном окружении. Если концентрация частиц вне и внутри клетки различна, то внутри мембраны создаётся градиент концентрации, который определит плотность потока вещества через мембрану (Фик)
Диффузия веществ через липидный бислой вызывается градиентом концентрации в мембране. Через липидные и белковые поры сквозь мембрану протекают молекулы нерастворимых в липидах веществ Мембраны могут пропускать воду и неполярные молекулы за счёт простой диффузии, но клетке необходимо обеспечить транспортировку таких веществ , как сахара, аминокислоты , нуклеотиды и многие другие полярные молекулы.
За перенос подобных веществ ответственны специальные мембранные транспортные белки (полипептидная цепь которых пересекает липидный бислой несколько раз). Все они обеспечивают перенос молекул через мембрану , формируя в ней сквозные проходы. Транспортные белки делятся на белкипереносчики и белки _каналы. Первые связываются с молекулой перемещаемого вещества и переносят её сквозь мембрану. Белки- каналы (ионнные каналы ИК) это мембранные молекулярные структуры, образованные интегральными белками, пронизывающими клеточную мембрану поперёк и образующие в мембране сквозной канал. (K+ , Na+, Ca++, H+, Cl- …. . )
Ик различаются своими функциональными свойствами: 1) по механизмам обеспечивающим их открытие, каналы чувствительные к эл. полю на мембране, и открывающиеся при изменении этого поля , называют потенциалзависимыми. Каналы имеющие рецепторную часть, чувствительную к определённым хим веществам, при взаимодействии с которыми каналы открываются , называют лигандзависимыми. 2)ПО своей способности пропускать те. или иные ионы, каналы для ( К+, N+, Ca++, H+…) –селективности. Т. о открытие одних типов ИК происходит при изменении мембранного потенциала, других при связывании с лигандом.
Если молекула не заряжена , то направление её диффузии полностью определяется разностью концентраций по обе стороны мембраны , или градиентом концентрации. Тогда как на направление движения заряженной молекулы ( иона) будет влиять ещё и разность потенциалов ( мембранный потенциал). Как известно на мембране существует разность потенциалов, следовательно в мембране имеется эл. поле, которое оказывает влияние на диффузию заряженных частиц ионов и электронов.
между поверхностями мембраны существует разность потенциалов, то есть в мембране постоянно есть электрическое поле. на отдельный ион в эл. поле действует сила fо = - q. E, где E — напряженность эл. поля, в котором находится ион, a q = Ze — заряд иона (Z — валентность иона). Напряженность поля выражается через градиент эл. потенциала известной формулой: Е = — grad = — d /dx. f 0 = -Ze(d /dx).
Силу f, действующую на один моль ионов: f= fo*Na f = -Ze. NA(d /dx) = -ZF(d /dx), где Na ~число Авогадро, F = e. Na — постоянная Фарадея, которая традиционно используется в электрохимии. Между средней скоростью движения ионов и силой существует зависимость: v = Umf. Коэффициент пропорциональности Um называется подвижностью ионов.
В общем случае перенос ионов определяется двумя факторами: неравномерностью их распределения, т. е. градиентом концентрации и воздействием эл. поля. Это — уравнение Нернста-Планка. Оно определяет плотность потока вещества через плазматическую мембрану в зависимости от концентрации ионов и от напряженности эл. поля.
Учитывая концентрационные и эл. градиенты все белки-каналы и многие белки-переносчики позволяют растворённым веществам проходить через мембраны только пассивно. . Соответственно вид транспорта называется пассивным( облегчённая диффузия ) и не требует затрат энергии.
Активный транспорт –это движение ионов или молекул через мембрану против градиента концентрации за счёт энергии гидролиза АТФ. Процесс не может идти самопроизвольно, а только в сопряжении с г АТФ, т. е. за счёт энергии Гиббса, запасённой в макроэнергетических связях АТФ. Имеются 3 основных типа активного транспорта ионов: 1. Натрий-калиевый насос – Na/K- аденозинтрифосфатаза (АТФфаза), переносящая Na наружу, а K внутрь. 2. Кальциевый (Ca 2+) насос- (Ca 2+)АТФ фаза, которая транспортирует кальций из клетки (или цитозоля) в саркоплазматический ретикулум; 3. Протонный насос- H АТФ фаза , Созданные активным транспортом градиенты ионов , могут быть использованы для активного транспорта других молекул—таких как некоторые аминокислоты и сахара(вторичный активный транспорт)
Общепринятое представление о работе Na/K—АТФ фазы сводится к следующему: ионы Na и АТФ присоединяются к молекуле АТФфазы в присутствии Mg++ Cвязывание ионов Na+запускает реакцию гидролиза АТФ, в которой образуются АДФ и фосфорилированная форма фермента. Фосфорилирование индуцирует переход ферментативного белка в новое конформационное состояние ! И участки , несущие Na, оказываются обращёнными к. внешней среде. Здесь Na+ обменивается на K+, т. к. для фосфорилированной формы фермента характерно высокое сходство к ионам K+. Обратный переход фермента в исходную конформацию инициируется гидролитическим отщеплением фосфорильной группы в виде неорганического фосфата и сопровождается освобождением K+ во внутреннее пространство клетки. Дефосфорилированный активный центр фермента способен присоединить новую молекулу АТФ и цикл повторяется.
Количества, поступивших в клетку ионов Na и K не равны между собой, на 3! выведенных иона Na приходится 2! введённых иона K при одновременном гидролизе одной молекулы АТФ. Открывание и закрывание канала на противоположных сторонах мембраны и чередующееся изменение эффективности связывания Na и K обеспечиваются энергией гидролиза АТФ. Транспортируемые ионы Na и K кофакторы данной ферментативной реакции. Активный транспорт ионов против градиента концентрации требует энергии, выделяемой при гидролизе АТФ до АДФ: АТФ----АДФ+Ф (неорганический фосфат). Для функционирования этой ферментной системы антипорта необходимо наличие Na+ K+ и ионов Mg++. Они присутствуют почти во всех клетках, причём концентрация особенно велика в возбудимых тканях нервах, мышцах.
На этом явлении основан важный для жизни клетки механизм Na-K насоса. Он является прекрасным примером активного транспорта ионов. Концентрация калия внутри клетки в 20 -40 раз выше, чем снаружи. Такую разницу концентраций обеспечивает работа Na-K насоса , который активно перекачивает Na из клетки а К в клетку. Т. о. клетка поддерживает внутри себя высокую концентрацию К и низкую к. Na.
Котранспорт –это транспорт иона или молекулы, сопряжённый с переносом другого иона. Симпорт— одновременный перенос обеих молекул в одном направлении. Антипорт одновременный перенос обеих молекул в противоположных направлениях. Если транспорт не сопряжён с переносом другого иона, то процесс называют унипортом. С активностью плазматической мембраны связаны процессы поглощения клеткой твёрдых и жидких веществ с большой молекулярной массой—фагоцитоз и пиноцитоз. Клеточная мембрана образует карманы или выпячивания, которые втягивают вещества извне. Затем такие выпячивания отшнуровываются и окружают мембраной капельку внешней среды(пиноцитоз)или твёрдые частицы(фагоцитоз). (везикулярный транспорт)
Рис. 2. 1 Схема активного транспорта (калий -натриевый насос)
Осмос—преимущественное движение молекул воды через полупроницаемые мембраны (непроницаемые для растворённого вещества и проницаемые для воды) из мест с меньшей концентрацией растворённого вещества в места с большей концентрацией---по сути простая диффузия воды в места с меньшей концентрацией.
Если бы в клетке не существовало систем регуляции осмотического давления, то концентрация растворенных веществ оказалась бы больше , чем вне. Вследствии этого происходил бы постоянный приток воды в клетку и её разрыв. Но этого не происходит , т. к. клетки контролируют осмотическое давление с помощью активного выкачивания неорг. ионов Na
Фильтрацией называют движение раствора через поры в мембране под действием градиента давления. Она играет важную роль в процессах переноса воды через стенки кровеносных сосудов.
