ВОЕННО–МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ имени С.М. Кирова Кафедра биологической и медицинской физики ЛЕКЦИЯ 12 по дисциплине «Физика, математика» на тему: «Транспорт веществ через биологические мембраны» для курсантов и студентов I курса ФПВ, ФПиУГВ, спецфакультета

Элементарная живая система, способная к самостоятельному существованию, развитию и воспроизведению – это живая клетка, являющаяся основой строения всех животных и растений.

С точки зрения термодинамики клетка – открытая термодинамическая система. Это значит, что для поддержания постоянства своего состояния она должна обмениваться с окружающей средой и веществом и энергией.

С другой стороны, клетка должна быть автономна по отношению к окружающей среде, т. е. вещество клетки не должно смешиваться с веществом окружения, должна соблюдаться автономность химических реакций в клетке и ее отдельных частях.

Единство автономности от окружающей среды и одновременно тесной связи с окружающей средой – необходимое условие функционирования живых организмов на всех уровнях их организации.

Поэтому важнейшее условие существования клетки (а следовательно - и жизни) – нормальное функционирование биологических мембран.

Биологическая мембрана – это функционально активная белково- липидная структура, образующая границу раздела между клеткой и окружающей средой (плазматическая мембрана) или ограничивающая органоиды клетки.

Суммарная масса внутриклеточных мембран достигает 2/3 общей массы обезвоженной клетки. В печени крысы массой около 6 г суммарная площадь мембран достигает 1000 м 2.

Чем больше отношение суммарной площади мембран к объему клетки, тем выше интенсивность обменных процессов в клетке.

1. Функции биологических мембран : Механическая – обеспечивает прочность и автономность клетки, внутриклеточных структур. Барьерно-транспортная - обеспечивает избирательный, регулируемый пассивный и активный обмен веществами с окружающей средой.

Матричная – обеспечивает определенное взаимное расположение и ориентацию мембранных белков, их оптимальное взаимодействие (например, оптимальное взаимодействие мембранных ферментов). Энергетическая – синтез АТФ на внутренних мембранах митохондрий и фотосинтез в мембранах хлоропластов.

Генерация и проведение биопотенциалов. Рецепторная – некоторые белки, находящиеся в мембранах, являются рецепторами (молекулами, при помощи которых клетка воспринимает сигналы, поступающие из окружающей среды).

Ферментативная – многие мембранные белки являются ферментами. Маркировка клетки - на мембране есть антигены, действующие как маркеры – «ярлыки», позволяющие опознать клетку. Образование межклеточных контактов (плотные контакты, щелевые контакты, десмосомы).

2. Структура биологических мембран Согласно современным представлениям, все клеточные и внутриклеточные мембраны устроены сходным образом: основу мембраны составляет двойной молекулярный слой липидов (липидный бислой), на котором и в толще которого находятся белки.

В состав плазматической мембраны эукариотических клеток входят также полисахариды. Их короткие, сильно развлетвленные молекулы ковалентно связаны с белками, образуя гликопротеины, или с липидами (гликолипиды). Полисахаридный слой толщиной 1020 нм, покрывающий сверху плазмалемму животных клеток, получил название гликокаликс.

Жидкостно-мозаичная модель биологической мембраны (Сингер и Николсон, 1972)

Основные виды мембранных липидов: 1) Фосфолипиды; 2) Сфингомиелины; 3) Гликолипиды; 4) Холестерол.

Преобладают среди них фосфолипиды, в молекуле которых условно выделяют головку, тело (шейку) и два хвоста. Вертикальный размер головки не более ¼ длины молекулы.

Тело ФЛ образовано одним из многоатомных спиртов – глицерином или сфингозином. Соответственно, выделяют глицерофосфолипиды и сфингофосфолипиды. Головки разных ФЛ образованы азотистыми (этаноламин, холин) и безазотистыми (серин, инозин, треонин) основаниями.

Из-за большого количества гетероатомов головки обычно являются полярными. Через молекулу ортофосфорной кислоты они соединены с телом. Хвосты – неполярные цепи С14-С24 жирных кислот.

Жирные кислоты могут быть насыщенными или ненасыщенными. Обычно у двуцепочечных фософлипидов один из хвостов представлен насыщенной, второй –ненасыщенной кислотой.

Основная особенность молекул фосфолипидов – их амфифильность. Полярная (заряженная) головка гидрофильна, неполярные жирнокислотные хвосты гидрофобны.

Бимолекулярный слой ФЛ, образующий биомембраны, в физиологических условиях представляет собой жидкий кристалл. В жидком кристалле сочетаются свойства кристалла (упорядоченное расположение молекул) и жидкости (подвижность молекул, текучесть).

Вязкость мембранных липидов во многом определяет свойства и поведение мембран. На вязкость липидов в бислое влияют следующие факторы: 1) число углеводородных групп (СН 2 ) в жирнокислотных цепях 2) число двойных связей в цепи 3) количество холестерола в бислое.

Чем длиннее и насыщеннее жирнокислотные цепи липидов, тем плотнее они могут быть упакованы. Плотная упаковка повышает вязкость (снижает текучесть) бислоя. Холестерол придаёт мембране жёсткость, занимая свободное пространство между гидрофобными хвостами липидов и не позволяет им изгибаться.

Вязкость биологических мембран составляет от 0,03 до 0,1 Па. с (т.е. в раз больше, чем у воды, и примерно такая же, как у оливкового масла).

Виды движения молекул фосфолипидов: 1) Движение в пределах одного слоя (латеральная миграция); 2) Вращение вокруг собственной оси; 3) Перемещение из одного слоя в другой («флип-флоп» перемещение) - происходит очень редко, т.к. энергетически невыгодно!

Таким образом, в мембране обычной клетки млекопитающего липиды находятся в непрерывном движении и постоянно перемещаются. Среднее время пребывания липида в данном пункте мембраны не более с.

Мембранные белки арзличаются: а) по положению в мембране (интегральные, полуинтегральные, поверхностные);

б) по функциям: 1. Структурные белки. 2. Транспортные белки (белки-переносчики, белки-каналы). 3. Белки, обеспечивающие непосредственное межклеточное взаимодействие. 4. Белки, участвующие в передаче сигналов от одной клетки к другой. 5. Ферменты.

3. Классификация процессов транспорта в биологических мембранах Прежде всего, принципиально различными являются: а) Транспорт низкомолекулярных веществ; и б) Транспорт высокомолекулярных соединений (эндоцитоз и экзоцитоз).

Транспорт низкомолекулярных соединений Пассивный транспорт 1) Перенос веществ осуществляется по преобладающему физико-химическому градиенту; 2) Без затраты энергии АТФ непосредственно на процесс переноса вещества через мембрану. Активный транспорт 1) Перенос веществ осуществляется против преобладающего физико- химического градиента (чаще всего концентрационного); 2) С затратой энергии АТФ непосредственно на процесс переноса вещества через мембрану.

Понятие физико-химического градиента Градиентом физической величины называют скорость изменения этой величины в пространстве, т.е.

Например, а) градиент концентрации – б) градиент температуры – в) градиент электрического потенциала - и т.д.

Градиент – векторная величина. Вектор градиента направлен в сторону возрастания физической величины. Понятие градиента применимо к любой физической величине, если она имеет пространственное распределение, т.е. ее значения в разных точках пространства разные.

В случае биологических мембран обычно используют среднее значение градиента. Например, в случае градиента концентрации: где С 1 и С 2 – концентрации с двух сторон мембраны, l – толщина мембраны ( 10 нм).

Виды пассивного транспорта: 1) Свободная диффузия липофильных веществ через фосфолипидный бислой. 2) Облегченная диффузия неэлектролитов. 3) Электродиффузия (облегченная диффузия ионов).

4. Свободная диффузия липофильных (незаряженных) веществ через ФЛ-бислой Диффузия - это процесс переноса вещества (массы) из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией за счет теплового движения молекул.

Диффузия незаряженных частиц вызывается их концентрационным градиентом и направлена в сторону уменьшения этого градиента.

Диффузия постепенно уменьшает градиент концентрации до тех пор, пока не наступит состояние равновесия. Диффузия является пассивным транспортом, поскольку не требует затрат внешней энергии.

Для количественной характеристики диффузии используют физическую величину - поток вещества (Ф) : то есть поток вещества равен массе вещества, переносимой посредством диффузии через поверхность S, перпендикулярную потоку вещества, за единицу времени.

Отношение потока вещества к площади, через которую он происходит, называется плотностью потока:

Уравнение диффузии (уравнение Фика) Знак «-» показывает, что поток направлен в сторону уменьшения концентрации (т.е. противоположную градиенту концентрации).

D - коэффициент диффузии. ( формула Стокса-Эйнштейна) Здесь R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура; η – вязкость среды; r – радиус диффундирующей молекулы.

Для биологической мембраны существенное значение имеет коэффициент распределения вещества между липидным слоем и водой. Поэтому уравнение Фика записывают в виде: где k – коэффициент распределения «вода- липид».

Если ввести коэффициент проницаемости то уравнение Фика приобретает вид:

Посредством простой диффузии через ФЛ- бислой проникают низкомолекулярные гидрофобные органические вещества (жирные кислоты, мочевина, эфиры, жирорастворимые витамины, жирорастворимые фармацевтические препараты), небольшие нейтральные молекулы (Н 2 О, СО 2, О 2 ).

5. Облегченная диффузия гидрофильных молекул Крупные гидрофильные молекулы (сахара, аминокислоты) перемещаются через мембраны с помощью специальных молекул - мембранных переносчиков. Мембранные переносчики представляют собой интегральные белки, которые имеют центры связывания транспортируемых молекул. Образующаяся связь белка и переносчика является обратимой и обладает высокой степенью специфичности.

Этот тип транспорта мембраны является одним из видов диффузии, поскольку транспортируемое вещество перемещается по градиенту концентрации. Никакая дополнительная энергия не требуется для этого процесса.

Другой особенностью облегченной диффузии является феномен насыщения. Поток вещества, транспортируемого путём облегченной диффузии, растёт в зависимости от градиента концентрации вещества только до определенной величины. Затем возрастание потока прекращается, поскольку транспортная система полностью занята.

Кинетику облегченной диффузии отображает уравнение Михаэлиса-Ментен: K M – константа Михаэлиса (равна концентрации вещества вне клетки или органоида, при которой плотность потока равна половине максимальной).

6. Электродиффузия Электродиффузия - диффузия электрически заряженных частиц (ионов) под влиянием концентрационного и электрического градиентов. Липидный бислой мембраны непроницаем для ионов. Они могут проникнуть через плазматическую мембрану только посредством специальных структур - ионных каналов, которые образованы интегральными белками.

Движущей силой диффузии является не только разность концентрации ионов внутри и вне клетки, но также разность электрических потенциалов, создаваемых этими ионами по обе стороны мембраны. Следовательно, диффузионный поток ионов определяется градиентом электрохимического потенциала (электрохимический градиент).

Электрохимический потенциал определяет свободную энергию иона и учитывает все силы, способные побудить ион к движению.

Здесь: μ 0 - стандартный химический потенциал, который зависит от химической природы вещества и температуры, R - универсальная газовая постоянная, T - температура, C - концентрация иона, z - электрический заряд, F - константа Фарадея, φ - электрический потенциал.

Зависимость плотности потока ионов J от электрохимического градиента определяется уравнением Теорелла: где U - подвижность ионов, C - концентрация ионов, dμ/dx - электрохимический градиент.

Подставляя выражение для электрохимического потенциала в уравнение Теорелла, можно получить уравнение Нернста-Планка с учётом двух градиентов, которые обуславливают диффузию ионов:

Ионные каналы мембраны представляют собой интегральные белки мембраны, которые образуют отверстия в мембране, заполненные водой. В плазматической мембране обнаружен ряд ионных каналов, которые характеризуются высокой специфичностью, допускающей перемещение только одного вида ионов.

Существуют натриевые, калиевые, кальциевые и хлорные каналы. Каждый из них имеет так называемый селективный фильтр, который способен пропускать только определённые ионы.

Проницаемость ионных каналов может изменяться благодаря наличию ворот - определенных групп атомов в составе белков, формирующих канал. Конформационные изменения ворот переводят канал из открытого состояния в закрытое и наоборот.

Механизмы регуляции положения ворот могут отличаться в различных каналах. Некоторые из них открываются при изменениях электрического потенциала мембраны. Другие открываются под действием специфических химических веществ, выполняющих сигнальные функции.

7. Активный транспорт Существует несколько систем активного транспорта ионов в плазматической мембране (ионные насосы): 1) Натрий-калиевый насос. 2) Кальциевый насос. 3) Водородный насос.

Натрий-калиевый насос существует в плазматических мембранах всех животных и растительных клеток. Он выкачивает ионы натрия из клеток и закачивает в клетки ионы калия. В результате концентрация калия в клетках существенно превышает концентрацию ионов натрия.

Натрий-калиевый насос - один из интегральных белков мембраны. Он обладает энзимными свойствами и способен гидролизовать аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ), являющуюся основным источником и хранилищем энергии метаболизма в клетке. Благодаря этому указанный интегральный белок называется натрий-калиевой АТФазой. Молекула ATФ распадается на молекулу аденозиндифосфорной кислоты (АДФ) и неорганический фосфат.

Молекула насоса существует в двух основных конформациях, взаимное преобразование которых стимулируется гидролизом ATФ. При повышении концентрации натрия в клетке три иона натрия присоединяются к белку. Молекула насоса приобретает АТФ-азную активность.

При расщеплении натрий-калиевой АТФазой молекулы ATФ неорганический фосфат присоединяется к белку. Конформация натрий-калиевой АТФазы изменяется, три иона натрия удаляются из клетки.

Затем молекула неорганического фосфата отсоединяется от насоса-белка, и насос превращается в переносчик калия. В результате два иона калия попадают в клетку. Таким образом, при расщеплении каждой молекулы ATФ, выкачиваются три иона натрия из клетки и два иона калия закачиваются в клетку.

Один натрий-калиевый насос может перенести через мембрану ионов натрия в секунду. Следствием его работы является поддержание трансмембранных градиентов натрия и калия.