Лекция 8 Тема: "Физические механизмы переноса веществ через мембрану"

План лекции: 1.Механизмы пассивного транспорта. 2.Простая, ограниченная, обменная и облегченная диффузия. 3.Уравнение потока веществ Уссинга. 4.Фильтрация, осмос. 5.Активный транспорт, его механизмы. 6.Перенос веществ в сложных биологических мембранах.

Целый ряд процессов в клетке, таких, как возбуждение, синтез АТФ, поддержание постоянства ионного состава и содержания воды, связан с переносом веществ через биологические мембраны. Изменение скорости переноса веществ может приводить к нарушению биоэнергетических процессов, водно- солевого обмена, возбудимости и др. явлений. Коррекция этих изменений лежит в основе действия большого числа лекарственных препаратов.

Различают 2 вида транспорта веществ через биомембрану: 1.Пассивный транспорт – это перенос веществ, который идет самопроизвольно по электрохимическому градиенту с уменьшением свободной энергии клетки. 2.Активный транспорт - это перенос веществ, который идет против электрохимического градиента с участием АТФ-азы с затратой энергии гидролиза АТФ непосредственно в процессе переноса.

Классификация видов мембранного транспорта Мембранный транспорт Пассивный транспорт Диффузия Простая Облегченная Обменная Ограниченная Осмос Фильтрация Активный транспорт K + -Na + -насос Са 2+ -насос Н + -насос

Энергия пассивного транспорта создается различными градиентами: концентрационным концентрационным осмотическим осмотическим электрическим электрическим градиентом гидростатического давления жидкости градиентом гидростатического давления жидкости электрохимическим (совокупность концентрационного и электрического) электрохимическим (совокупность концентрационного и электрического)

Основным механизмом пассивного транспорта веществ, обусловленным наличием концентрационного градиента, является диффузия.

Д Д Д Диффузия – это самопроизвольный процесс проникновения вещества из области большей в область меньшей его концентрации в результате теплового хаотического движения молекул.

Простая диффузия описывается уравнением Фика : скорость диффузии прямо пропорциональна градиенту концентрации и площади, через которую осуществляется диффузия: Простая диффузия описывается уравнением Фика : скорость диффузии прямо пропорциональна градиенту концентрации и площади S, через которую осуществляется диффузия:

1. Скорость диффузии - это количество вещества, диффундирующего в единицу времени через данную площадь. 2. Градиент концентрации - это изменение концентрации вещества, приходящееся на единицу длины, в направлении диффузии. 3. Знак «-» показывает, что диффузия идет из области большей в область меньшей концентрации. 4. D - коэффициент диффузии.

Коэффициент диффузии D численно равен количеству вещества, диффундирующего в единицу времени через единицу площади при градиенте концентрации, равном единице. Коэффициент диффузии зависит от природы вещества и от температуры.

Уравнение Коллендера-Бернульда где С1 и С2 – концентрации вещества по разные стороны мембраны Р – коэффициент проницаемости, аналогичный коэффициенту диффузии В отличии от коэффициента диффузии, который зависит только от природы вещества и температуры, коэффициент проницаемости зависит еще от свойств мембраны и от её функционального состояния. В отличии от коэффициента диффузии, который зависит только от природы вещества и температуры, коэффициент проницаемости зависит еще от свойств мембраны и от её функционального состояния.

График простой диффузии

Молекулы, имеющие примерно одинаковую массу и размер, поступают через мембрану тем легче, чем выше их растворимость в липидах. Существует 2 пути диффузии веществ: 1.Диффузия гидрофильных веществ через микроканалы 2. Диффузия липофильных веществ липофильных веществ через липидный слой через липидный слой E средаББ ФЛ E0E0 клетка E средаББ ФЛ E0E0 клетка

В ряде случаев скорость диффузии некоторых водорастворимых веществ во много раз выше, чем скорость диффузии этих веществ в липидной фазе. Такое явление получило название облегченной диффузии. В ряде случаев скорость диффузии некоторых водорастворимых веществ во много раз выше, чем скорость диффузии этих веществ в липидной фазе. Такое явление получило название облегченной диффузии.

Облегченная диффузия осуществляется при помощи белка-переносчика или каналообразующего белка. 1.Примером подвижного белка- переносчика может служить валиномицин, транспортирующий К +. 2.Примером каналообразующего белка может служить грамицидин, осуществляющий трансмембранный перенос Na + по градиенту концентрации.

Схема облегченной диффузии, осуществляемой при помощи каналообразующего белка. Канало- образу- ющий белок Транспортируемая молекула Канало- образу- ющий белок

Ионные каналы биомембраны Ионные каналы биомембраны - это специализированные селективные поры, образованные белковыми молекулами, предназначенными для облегченной диффузии определенных ионов (Na +,K +,Ca 2+,Cl - и т.д.). Ионные каналы биомембраны - это специализированные селективные поры, образованные белковыми молекулами, предназначенными для облегченной диффузии определенных ионов (Na +,K +,Ca 2+,Cl - и т.д.). Выделяют три самостоятельные транспортные системы в возбудимых мембранах Na +, K +, Ca 2+ - каналы, сходные по своим функциям, но отличающиеся избирательностью (селективностью). Выделяют три самостоятельные транспортные системы в возбудимых мембранах Na +, K +, Ca 2+ - каналы, сходные по своим функциям, но отличающиеся избирательностью (селективностью).

С внешней стороны мембраны у входа в канал расположен селективный центр, в основе функционирования которого лежит принцип стерического соответствия. Его назначение - не пропускать в канал и из канала ионы большего и меньшего размеров, а со стороны цитоплазмы располагаются так называемые "ворота", которые управляются трансмембранным электрическим полем при помощи конформационно-лабильного электрического сенсора. По каналу ионы проходят по эстафетному принципу, друг за другом. Ворота могут находиться в двух состояниях:"открыто- закрыто".

Схема строения натриевого ионного канала мембраны в разрезе

Схема облегченной диффузии, осуществляемой при помощи белка-переносчика.

Ферментативный перенос описывается уравнением Михаэлиса-Ментена. Поток вещества М равен возможной максимальной скорости Vmax р р р реакции в условиях насыщения фермента и концентрации субстрата С., где k -константа Из уравнения следует, что при повышении концентрации субстрата скорость потока веществ реакции возрастает и приближается к некоторому постоянному значению, характерному для полного связывания с субстратом.

Кинетика облегченной диффузии через мембраны при участии белка-переносчика и каналообразующего белка

Ограниченная диффузия При наличии микроканалов в мембране происходит изменение полярности липидного слоя. При наличии микроканалов в мембране происходит изменение полярности липидного слоя. Ограниченная диффузия характеризуется Ограниченная диффузия характеризуется ограничением скорости движения заряженных частиц в следствии уменьшения электри- ческого взаимодействия.

Обменная диффузия - это ферментативный перенос веществ через мембрану как с внешней, так и с внутренней среды клетки.

Осмос - движение молекулы воды через полупроницаемые мембраны из места с меньшей концентрацией растворенного вещества в места с большей концентрацией. Осмос - это простая диффузия воды из мест с ее большей концентрацией в места с меньшей концентрацией воды. Это явление обуславливает гемолиз эритроцитов в гипотонических растворах. Осмос - движение молекулы воды через полупроницаемые мембраны из места с меньшей концентрацией растворенного вещества в места с большей концентрацией. Осмос - это простая диффузия воды из мест с ее большей концентрацией в места с меньшей концентрацией воды. Это явление обуславливает гемолиз эритроцитов в гипотонических растворах.

Уравнение, описывающее осмотический перенос воды. Где Где - количество воды, проходящей через мембрану площадью S за единицу времени; - количество воды, проходящей через мембрану площадью S за единицу времени; Р 1 и Р 2 – осмотическое давление растворов по одну и по другую сторону мембраны; Р 1 и Р 2 – осмотическое давление растворов по одну и по другую сторону мембраны; k – коэффициент проницаемости. k – коэффициент проницаемости.

Фильтрация – это движение раствора через поры в мембране под действием градиента давления. Явление фильтрации играет важную роль в процессе переноса воды через стенки кровеносных сосудов.

Фильтрация – движение жидкости через поры какой-либо перегородки под действием гидростатического давления. Где Где r – радиус поры r – радиус поры l – длина поры l – длина поры η – вязкость жидкости η – вязкость жидкости Р 1 -Р 2 – разность давления между началом и концом поры Р 1 -Р 2 – разность давления между началом и концом поры V – объем фильтрованной жидкости V – объем фильтрованной жидкости

Активный транспорт Принцип работы АТФ-азных-насосов основан на конформационных перестройках белковой макромолекулы при взаимодействии с транспортируемым ионом. 1. Na + - K + -насос осуществляется за счет противоградиентного переноса через мембрану трех ионов натрия из клетки и накачивающий два иона калия внутрь клетки.

Основные этапы Na + - K + -насоса : 1.образование комплекса фермента с АТФ на внутренней поверхности мембраны (эта реакция активируется ионами магния) 2.связывание комплексом трех ионов натрия 3.фосфолирирование фермента с образованием аденозинтрифосфата 4.переворот фермента внутри мембраны 5.реакция ионного обмена натрия на калий, происходящая на внешней поверхности мембраны 6.обратный переворот ферментного комплекса с переносом ионов калия внутрь клетки 7.возращение фермента в исходное состояние с освобождением ионов калия и неорганического фосфата

Активный транспорт 2. Активный транспорт ионов кальция осуществляется через мембрану саркоплазмотического ретикулума. 2. Активный транспорт ионов кальция осуществляется через мембрану саркоплазмотического ретикулума. Ca 2+ - насос идет за счет энергии гидролиза АТФ и переноса двух ионов кальция из клетки в межклеточное пространство. Ca 2+ - насос идет за счет энергии гидролиза АТФ и переноса двух ионов кальция из клетки в межклеточное пространство.

Основные этапы Са 2+ -насоса : Первый этап: связывание Са 2+ с комплексом Mg-АТФазы на наружной поверхности саркоплазматической мембраны.Первый этап: связывание Са 2+ с комплексом Mg-АТФазы на наружной поверхности саркоплазматической мембраны. Второй этап: гидролиз АТФ с образованием фермент-фосфатного комплекса.Второй этап: гидролиз АТФ с образованием фермент-фосфатного комплекса. Третий этап: переход связанного Са 2+ через мембрану в клетку.Третий этап: переход связанного Са 2+ через мембрану в клетку. Четвертый этап: переход кальцийсвязывающих центров на наружную поверхность мембраныЧетвертый этап: переход кальцийсвязывающих центров на наружную поверхность мембраны

Активный транспорт 3. Протонная помпа – это транспорт Н + через мембрану митохондрии. 3. Протонная помпа – это транспорт Н + через мембрану митохондрии.

Перенос веществ через сложные мембраны можно рассмотреть на примере опыта Уссинга. Камера, заполненная нормальным раствором Рингера, разделена на две части свежеизолированной кожей лягушки. Слева - наружная поверхность кожи, справа - внутренняя серозная. Поток ионов Na+ через кожу идет от наружной к внутренней поверхности и наоборот. На коже лягушки возникает разность потенциалов: внешняя сторона имеет отрицательный заряд, внутренняя сторона имеет положительный заряд. Камера, заполненная нормальным раствором Рингера, разделена на две части свежеизолированной кожей лягушки. Слева - наружная поверхность кожи, справа - внутренняя серозная. Поток ионов Na+ через кожу идет от наружной к внутренней поверхности и наоборот. На коже лягушки возникает разность потенциалов: внешняя сторона имеет отрицательный заряд, внутренняя сторона имеет положительный заряд.

Уравнение Уссинга Направление и скорость диффузии зависит от концентрации градиентов. Где М ск - поток вещества из среды в клетку среды в клетку М кс - поток вещества из клетки в среду клетки в среду С к – концентрация вещества в клетке вещества в клетке С с – концентрация вещества в среде вещества в среде