Мембраны Поступление веществ в клетку Только после образования

Мембраны. Поступление веществ в клетку Только после образования мембраны вокруг всей клетки мы действительно имеем то, что с полным правом может быть названо организмом Дж. Берналл

План лекции 1. Строение биологических мембран: 1. 1. Химический состав и строение мембран 1. 2. Свойства и функции мембран 2. Доказательства поступления веществ в клетку. 3. Поступление веществ в клеточную стенку (первый этап). 4. Поступление веществ через мембрану (второй этап): -типы транспорта -роль транспортных белков. 5. Перенос макромолекул через мембрану.

1. 1. Химический состав Липиды Белки Углеводы Толщина липидного бислоя – около 5 нм 40: 20

Жидкостно-мозаичная модель (1972 г. Дж. Николсон, С. Сингер)

1. 2. Свойства мембран § § § § Текучесть (липиды) Подвижность (белки) Динамичность Упорядоченность Избирательная проницаемость Способность к самосборке Взаимопревращения мембран На 1 мкм 2 бислоя расположено примерно 5· 106 липидов В бислое молекула липида остается на месте в среднем не более, чем 10 -7 с

Функции мембран 1. Барьерная - отделяют внутреннюю среду от внешней, формируют внутриклеточные отсеки (компартменты). 2. Транспортная - трансмембранный перенос ионов, метаболитов. 3. Осмотическая - проницаемость для молекул воды. 4. Размещение и обеспечение работы ферментов. 5. Биосинтетическая - на мембранах протекают химические реакции. 7. Запасание и использование энергии. 8. Рецепторно – регуляторная - содержат хемо-, фото- и механорецепторы, воспринимающие сигналы из внешней и внутренней среды.

Плазмалемма растительных клеток образует плазмодесмы, поэтому большинство растительных клеток имеют объединенную плазматическую мембрану Плазмалемма испытывает давление со стороны цитоплазмы и клеточной стенки Специфические синтезы (целлюлоза) Осуществление контакта с клеточной стенкой Внутренняя мембрана клетки — тонопласт — окружает вакуоли.

2. Доказательства поступления веществ в клетку Опыты Колландера с водорослями: Валония (морская): § Na+ в 5 -6 раз <, чем в окружающей среде § К+ в 26 раз> чем в в окружающей среде § SO 42 - в 1000 раз <, чем в окружающей среде Нителла (пресноводная): § Na+ в 66 раз> чем в в окружающей среде § К+ в 1160 раз> чем в в окружающей среде § Cl- в 100 раз> чем в в окружающей среде

Сравнительное содержание элементов в тканях актинидии китайской (ммоль/г сырой массы) и почвенном растворе (ммоль/л) Элементы N K P Ca Mg Ткани 170 80 9 28 14 Почвенный раствор 1 -3 1 -2 0, 0005 - 0, 5 -1, 5 2 -4 0, 002

Типы транспорта Пассивный: Активный: Без затраты энергии По градиенту ∆μ ∆μout > ∆μin → С затратой энергии (АТФ) Против градиента ∆μ ион пассивно входит в клетку out – внешняя, in – внутренняя сторона мембраны ∆μin > ∆μout → ион пассивно выходит из клетки ∆μin = ∆μout → равновесие

3. Поступление веществ через клеточную стенку - 1 -й этап § Пассивный диффузионный процесс – адсорбция § Свободное пространство (СП) – система межмицеллярных и межфибриллярных пор и межклетников. Коэф. прон. СП 10 -5 -10 -4 м·с-1 Коэф. прон. мембраны 10 -10 -10 -9 м·с-1 § Обменный характер - катионообменник § Большая скорость и обратимость

4. Поступление веществ через мембрану - 2 -й этап Трудности транспорта веществ через мембраны: Внутренняя часть липидного бислоя мембраны гидрофобна Электрический заряд мембраны и перенос заряженных частиц (ионов) Ионы окружены водной оболочкой, увеличивающей их диаметр Таким образом, трудности транспорта веществ через мембрану обусловлены свойствами мембран свойствами транспортируемых веществ Движущая сила переноса ионов – градиент электрохимического потенциала (∆μ) ∆μ = ∆Ψ + ∆р. Н ∆μ – электрохимический потенциал ∆Ψ – электрический (мембранный) потенциал ∆р. Н – химический (концентрационный) потенциал

МЕХАНИЗМЫ СОЗДАНИЯ МЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА § Различная скорость диффузии катионов и анионов, связанная с разной проницаемостью мембран. § Иммобилизация (фиксация) ионов белками внутренней стороны мембраны, что создает возможность поступления ионов противоположного заряда. § Активный транспорт катиона или аниона, при этом противоположно заряженный ион может передвигаться пассивно по градиенту электрического потенциала.

Доказательства существования активного транспорта § Зависимость поступления ионов от температуры и содержания кислорода § Связь между поглощением солей и дыханием: торможение поступления ионов под влиянием дыхательных ядов (КСΝ, СО) и стимуляция поглощения при увеличении содержания АТФ. § Взаимосвязь между поглощением солей и синтезом белка.

Диффузия Процесс, ведущий к равномерному распределению молекул растворенного вещества и растворителя Пассивный путь, без затраты энергии. - возникает в результате появления разности концентраций - путем диффузии достигается равномерное распределение вещества в пространстве - направлена от большей концентрации вещества к меньшей; от системы, обладающей большей свободной энергией, к системе с меньшей свободной энергией; от большего к меньшему химическому потенциалу

Скорость диффузии через липидный бислой мембраны зависит от размера молекулы и ее растворимости в липидах

Транспортные белки Каналы – это трансмембранные белки, которые действуют как поры (каналообразующие белки). Переносчики – это специфические белки, способные связываться с переносимым веществом. Насосы (помпы) - интегральные транспортные белки, осуществляющие активное поступление ионов.

Каналообразующие белки Ионные каналы служат для транспорта ионов. Известно около 50 видов каналов. Ионные каналы могут открываться и закрываться Белки пронизывают липидный бислой и заполнены водой. Наружная поверхность каналов гидрофобна, внутренняя гидрофильна. Диаметр канала 0, 5 -0, 8 нм. Транспорт через каналы всегда пассивный. Скорость 106 ионов/с

Аквапорины - каналы для проникновения воды

Белки-переносчики § Работа переносчиков напоминает работу фермента, но переносимое вещество при этом не изменяется. § Белок-переносчик имеет специальный канал для связывания транспортируемого вещества. § Транспорт пассивный или активный Поступление веществ в клетку (по Г. Шлегелю, 1987) S - концентрация субстрата; V - скорость поступления субстрата в клетку

Облегченная диффузия – транспорт растворенных веществ через менмбрану по градиенту потенциала (электрохимического) с помощью переносчиков 0 тличия облегченной диффузии от простой: - происходит значительно быстрее - обладает свойством насыщения - наблюдается конкуренция переносимых веществ - есть вещества, блокирующие облегченную диффузию

Ионные насосы (помпы) транспортные белки, осуществляющие поступление ионов с использованием энергии, освобождаемой при гидролизе АТФ ГИДРОЛИЗ АТФ: АТФ+Н 2 О → АДФ+Н 3 PO 4 Ферменты- аденозинтрифосфатазы (АТФазы): § K+ - Na + —АТФаза; § Ca 2+ —АТФаза; § H+ —АТФаза. Насосы: § электронейтральные – мембранный потенциал не изменяется, соль переносится целиком § электрогенные – генерируют электропотенциал

H+ —АТФаза Функции H+ —АТФаз : - движущая сила транспорта веществ, обеспечение вторично-активного транспорта - поддержание гомеостаза р. Н в цитозоле - участие H+ —АТФаз в физиологических процессах (устьичные движения, осморегуляция, поступление сахаров и аминокислот, загрузка флоэмы, рост клетки и др.

Ca 2+ —АТФаза Кальциевые насосы имеются в плазмалемме и мембранах ЭПР. Выводят ионы кальция из цитозоля (10 -7 М) В СП, ЭПР и митохондриях 10 -3 М Концентрация ионов кальция в цитозоле 10 -7 Концентрация ионов кальция в свободном пространстве, в митохондриях и ЭПР 10 -3

Типы транспорта Первично-активный: АТФ-аза осуществляет гидролиз АТФ и является переносчиком. Связан с гидролизом АТФ и окислительновосстановительными реакциями в ЭТЦ хлоропластов и митохондрий Вторично-активный: переносчиками являются специальные белки, а АТФ-азы обеспечивают их энергией АТФ, которая затрачивается на перемещение в мембране.

Вторично-активный транспорт Антипорт - встречный переносчиком двух веществ в противоположных направлениях Примеры: поступление Na +, Mg+2, Mn+2 в антипорте с протонами при работе H + -АТФазы. Симпорт - совместный однонаправленный переносчиком веществ или ионов. Вещества поступают в одном направлении с выкачиваемым ионом. Примеры: в симпорте с протонами в растительную клетку поступают аминокислоты, сахара, Cl-, NO 3 - и другие анионы. Унипорт – перенос одного вещества

Ионофоры – небольшие гидрофобные молекулы, которые растворяются в липидах, повышают проницаемость мембран для ионов. Выделены в основном из микроорганизмов и грибов. Ионы переносятся пассивно. Ионофоры Валиномицин – подвижный переносчик иона калия Скульптурная композиция перед главным входом в Институт биоорганической химии АН РАН (ИБХ) им. Академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова Ионофоры Валиномицин Переносимые ионы K+ Гемисодиум Кристаллическая структура K+-комплекса валиномицина. Na+ КЦХФГ H+ Овчинников Юрий Анатольевич Шемякин Михаил Михайлович (1934 — 1988) (1908 —. 1970)

5. Перенос макромолекул через мембрану Эндоцитоз: § Вещество адсорбируется на мембране § Участок мембраны впячивается и окружает поглощаемое вещество, образуя везикулу. § Везикула отделяется от мембраны и передвигается в цитозоле. § Везикула соединяется с лизосомой. § Вещества везикулы разрушаются и используются клеткой.

Экзоцитоз и эндоцитоз Экзоцитоз направлен из клетки Эндоцитоз направлен внутрь клетки: Пиноцитоз (от греч. pino — пить и cytos — клетка) – поглощение жидкости и растворенных веществ с помощью маленьких пузырьков (150 нм в диаметре) Фагоцитоз (от греч. phagos — пожирающий и cytos — клетка) – поглощение больших частиц, при этом образуются крупные пузырьки (фагосомы) диаметром более 250 нм.

Контрольные вопросы 1. Из каких веществ состоит мембрана? 2. Какое строение имеет универсальная мембрана? Как называется такое строение мембраны? 3. Какие свойства имеет мембрана? Какие функции выполняет? 4. Что является движущей силой пассивного транспорта ионов? Каковы причины возникновения электрического трансмембранного потенциала? 5. Какие вещества могут поступать через мембрану с помощью диффузии? 6. В чем отличие активного транспорта от пассивного? Может ли только пассивный транспорт объяснить избирательное накопление ионов? Объясните. 7. Каковы критерии активного транспорта ионов? Как можно доказать его наличие? 8. Охарактеризуйте этапы поступления ионов в клетку. Их значение. 9. Охарактеризуйте роль транспортных белков и их типы. 10. В чем состоит концепция транспорта ионов через мембрану с помощью переносчиков? Каковы доказательства этого? Что такое облегченная диффузия? 11. В чем отличие между первично-активным и вторично-активным транспортом веществ? Что такое симпорт и антипорт? 12. Что является источником энергии для процессов активного транспорта? Какова в этом роль транспортных АТФаз? 13. Что такое эндоцитоз и экзоцитоз? 14. Что такое пиноцитоз? Чем он отличается от фагоцитоза?