Бф экзамен. 1. Опишите одну из функций биологической мембраны. Обоснуйте важность данной функции для клетки
 Скачать 25.24 Kb.
|
|
1. Опишите одну из функций биологической мембраны. Обоснуйте важность данной функции для клетки. Рецепторная функция мембраны. Эта функция связана с локализацией на плазматической мембране специальных структур – рецепторов, связанных со специфическим узнаванием химических или физических факторов. Многие пронизывающие белки представляют собой гликопротеиды – с наружной стороны клетки они содержат полисахаридные белковые цепочки. Часть таких гликопротеидов, покрывающих клетку «лесом» молекулярных антенн, выполняет роль рецепторов гормонов. Когда определенный гормон связывается со «своим» рецептором, он изменяет структуру гликопротеида, что приводит к запусканию клеточного ответа. Открываются каналы, по которым определенные вещества поступают в клетку или выходят из нее. Клеточная поверхность обладает большим набором рецепторов, делающих возможным специфические реакции с различными агентами. Роль многих клеточных рецепторов заключается в приеме и передаче сигналов внутрь клетки. Рецепторная функция мембран обеспечивает взаимодействие клетки с микроокружением; участие клетки в реакциях ткани, органа; участие ядра, органелл в формировании реакции клетки на воздействии. Взаимодействие лиганда с рецептором может вызвать изменение проницаемости мембраны для ионов или стать причиной образования внутриклеточных медиаторов (вторичных мессенджеров), благодаря которым реализуются различные функции клетки. 1. Влияние лиганда на изменение проницаемости клеточной мембраны. Фактически все нейромедиаторы взаимодействуют с белковой структурой мембраны и вызывают конформационные изменения в ее молекуле. Это приводит к открытию или закрытию одного или нескольких каналов - для N +, К +, Са2 +, и др. 2. цАМФ как вторичный медиатор. В этом случае первичный медиатор взаимодействует с белковым рецептором клеточной мембраны, вследствие чего на внутренней поверхности этой мембраны активизируется фермент аденилатциклаза. Этот фермент действует на АТФ (в присутствии Са2 + и Mg2 +). Вследствие гидролиза образуется цАМФ (циклический аденозинмонофосфат) - вторичный медиатор, который активизирует клеточное протеинкиназу. Последняя участвует в фосфорилировании белков. Конечным результатом этих процессов является переход клетки из состояния покоя в состояние деятельности, специфичный для каждой клетки (сокращение, если это мышечное волокно; секреция, если это секреторная клетка и т.д.). Для некоторых гормонов и нейромедиаторов вторичным медиатором является не цАМФ, а цГМФ (циклический гуанозинмонофосфат). Это мускариновые холинорецепторы, гистаминовые Н2 рецепторы. 3. Са24 как вторичный медиатор. Вход Са2 + зависит от изменения МПС, открывал Са2 +-каналы, или от взаимодействия некоторых гормонов с мембранным рецептором. В клетке после открытия каналов значительно (в тысячи раз) повышается концентрация кальция. Кальций связывается с белком кальмодулином, активизирует его. Активный кальмодулин в свою очередь переводит в активную форму много ферментов, что сопровождается различными клеточными эффектами. 4. Диацилглицерол и инозитолтрифосфат как вторичные медиаторы. Некоторые гормоны реагируют с мембранными рецепторами, которые активизируют фосфолипазу С. Этот фермент расщепляет некоторые фосфолипиды мембраны, образующие диацилглицерол и инозитолтрифосфат - вторичные медиаторы в этих клетках. Диацилглицерол с участием С-киназы фосфорилирует белки, участвующие в специфических реакциях клеток. Кроме того, липидная часть диацилглицеролу (арахидоновая кислота) является предшественницей простагландинов, участвующих в образовании цАМФ и цГМФ, которые влияют на специфические функции клеток. Инозитолтрифосфат мобилизует Са2 + из клеточных депо (эндоплазматический сеток, митохондрий), а Са2 + в свою очередь влияет на эти функции. Таким образом, существует ряд механизмов, которые реализуют действие внеклеточных раздражителей на функции клеток.
2 Опишите молекулярные механизмы возникновения потенциала покоя на мембране. Укажите вид транспорта, вносящий наибольший вклад в величину потенциала покоя, обоснуйте свой ответ. Каждая клетка в состоянии покоя характеризуется наличием трансмембранной разности потенциалов (потенциала покоя). Обычно разность зарядов между внутренней и внешней поверхностями мембран составляет от -80 до -100 мВ и может быть измерена с помощью наружного и внутриклеточного микроэлектродов. Разность потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны клетки в состоянии ее покоя называют мембранным потенциалом (потенциалом покоя). Создание потенциала покоя обеспечивается двумя основными процессами — неравномерным распределением неорганических ионов между внутри- и внеклеточным пространством и неодинаковой проницаемостью для них клеточной мембраны. Анализ химического состав вне- и внутриклеточной жидкости свидетельствует о крайне неравномерном распределении ионов . В состоянии покоя внутри клетки много анионов органических кислот и ионов К+, концентрация которых в 30 раз больше, чем снаружи; ионов Na+, наоборот, снаружи клетки в 10 раз больше, чем внутри; С1_ также больше снаружи. В покое мембрана нервных клеток наиболее проницаема для К+, менее — для СГ и очень мало проницаема для Na+. Проницаемость мембраны нервного волокна для Na+B покое в 100 раз меньше, чем для К+. Для многих анионов органических кислот мембрана в покое совсем непроницаема. Важнейшим механизмом, поддерживающим низкую внутриклеточную концентрацию ионов Na+ и высокую концентрацию ионов К+, является натрий-калиевый насос (активный транспорт). Известно, что в клеточной мембране имеется система переносчиков, каждый из которых связывается с тремя находящимися внутри клетки ионами Na+ и выводит их наружу. С наружной стороны переносчик связывается с двумя находящимися вне клетки ионами К+, которые переносятся в цитоплазму. Энергообеспечение работы систем переносчиков обеспечивается АТФ. Функционирование насоса по такой системе приводит к следующим результатам: • поддерживается высокая концентрация ионов К+ внутри клетки, что обеспечивает постоянство величины потенциала покоя. Вследствие того, что за один цикл обмена ионов из клетки выводится на один положительный ион больше, чем вводится, активный транспорт играет роль в создании потенциала покоя. В этом случае говорят об электрогенном насосе, поскольку он сам создает небольшой, но постоянный ток положительных зарядов из клетки, а потому вносит прямой вклад в формирование отрицательного потенциала внутри нее. Однако величина вклада электрогенного насоса в общее значение потенциала покоя обычно невелика и составляет несколько милливольт; • поддерживается низкая концентрация ионов Na+ внутри клетки, что, с одной стороны, обеспечивает работу механизма генерации потенциала действия, с другой — обеспечивает сохранение нормальных осмолярности и объема клетки; • поддерживая стабильный концентрационный градиент Na+, натрий-калиевый насос способствует сопряженному К+, №+-транс- порту аминокислот и сахаров через клеточную мембрану. Таким образом, возникновение трансмембранной разности потенциалов (потенциала покоя) обусловлено высокой проводимостью клеточной мембраны в состоянии покоя для ионов К+, СГ, ионной асимметрией концентраций ионов К+ и ионов СГ, работой систем активного транспорта (Na+/K.+—АТФаза), которые создают и поддерживают ионную асимметрию. 3 Опишите молекулярные механизмы возникновения потенциала действия на мембране и его значение для клетки. Укажите вид транспорта, вносящий наибольший вклад в величину потенциала действия, обоснуйте свой ответ. Потенциалом действия называется кратковременное изменение трансмембранной разности потенциалов на наружной мембране нервных и мышечных клеток при их возбуждении. В опытах по изучению потенциала действия используют два микроэлектрода, введенных в мышечную или нервную клетку. На первый микроэлектрод подают импульсы от генератора прямоугольных импульсов, изменяющие мембранный потенциал. Мембранный потенциал измеряют при помощи второго микроэлектрода высокоомным регистратором напряжения. Потенциалы действия регистрируются на мембране мышечной или нервной клетки только в том случае, если прямоугольный импульс уменьшает трансмембранную разность потенциалов (является деполяризующим) и имеет достаточную величину (то есть его амплитуда превышает некоторое минимальное (пороговое) значение). При этом на мембране регистрируются следующие изменения трансмембранной разности потенциалов. Трансмембранная разность потенциалов вначале падает до нуля, затем на непродолжительное время полярность мембраны изменяется (внутренняя поверхность мембраны приобретает положительный потенциал), после чего восстанавливается исходный уровень потенциала покоя. Соответственно, выделяют две фазы потенциала действия – фазу деполяризации и фазу реполяризации. Положительное значение мембранного потенциала носит название потенциала инверсии (реверсии). В нервных волокнах длительность потенциала действия равна примерно 1 мс; в скелетных мышцах – примерно 10 мс. Характерные свойства потенциала действия: 1) наличие порогового значения деполяризующего стимула; 2) закон "всё или ничего" – если деполяризующий импульс больше порогового, то развивается потенциал действия, амплитуда которого не зависит от амплитуды возбуждающего импульса; если деполяризующий импульс меньше порогового, то потенциала действия нет; 3) во время развития потенциала действия наблюдается явление рефрактерности (невозбудимости) мембраны; 4) в момент возбуждения резко уменьшается сопротивление мембраны. Опыты по изучению механизма возникновения потенциала действия показали, что: а) можно изменять амплитуду потенциала действия, изменяя концентрацию натрия в наружной среде (при уменьшении концентрации натрия амплитуда ПД уменьшается; если из окружающей клетку среды полностью удалить натрий, ПД вообще не возникает); б) при возбуждении резко возрастает проницаемость мембраны для ионов натрия (показано в опытах с радиоактивным изотопом натрия). 4 Перечислите виды транспорта через биологическую мембрану. Опишите один вид, обоснуйте важность данного вида транспорта для клетки Мембранный транспорт — транспорт веществ сквозь клеточную мембрану в клетку или из клетки, осуществляемый с помощью различных механизмов — простой диффузии, облегченной диффузии и активного транспорта. Транспорт сквозь липидный бислой (простая диффузия) и транспорт при участии мембранных белков Легче всего проходят через липидный бислой неполярные молекулы с малой молекулярной массой (кислород, азот, бензол). Достаточно быстро проникают сквозь липидный бислой такие мелкие полярные молекулы, как углекислый газ, оксид азота, вода, мочевина. С заметной скоростью проходят через липидный бислой этанол и глицерин, а также стероиды и тиреоидные гормоны. Для более крупных полярных молекул (глюкоза, аминокислоты), а также для ионов липидный бислой практически непроницаем, так как его внутренняя часть гидрофобна. Так, для воды коэффициент проницаемости (см/с) составляет около 10−2, для глицерина — 10−5, для глюкозы — 10−7, а для одновалентных ионов — меньше 10−10. Перенос крупных полярных молекул и ионов происходит благодаря белкам-каналам или белкам-переносчикам. Так, в мембранах клеток существуют каналы для ионов натрия, калия и хлора, в мембранах многих клеток — водные каналы аквапорины, а также белки-переносчики для глюкозы, разных групп аминокислот и многих ионов. Активный и пассивный транспорт Пассивный транспорт — транспорт веществ по градиенту концентрации, не требующий затрат энергии. Пассивно происходит транспорт гидрофобных веществ сквозь липидный бислой. Пассивно пропускают через себя вещества все белки-каналы и некоторые переносчики. Пассивный транспорт с участием мембранных белков называют облегченной диффузией. Другие белки-переносчики (их иногда называют белки-насосы) переносят через мембрану вещества с затратами энергии, которая обычно поставляется при гидролизе АТФ. Этот вид транспорта осуществляется против градиента концентрации переносимого вещества и называется активным транспортом. Симпорт, антипорт и унипорт Мембранный транспорт веществ различается также по направлению их перемещения и количеству переносимых данным переносчиком веществ: 1) Унипорт — транспорт одного вещества в одном направлении в зависимости от градиента 2) Симпорт — транспорт двух веществ в одном направлении через один переносчик. 3) Антипорт — перемещение двух веществ в разных направлениях через один переносчик. Унипорт осуществляет, например, потенциал-зависимый натриевый канал, через который в клетку во время генерации потенциала действия перемещаются ионы натрия. Симпорт осуществляет переносчик глюкозы, расположенный на внешней (обращенной в просвет кишечника) стороне клеток кишечного эпителия. Этот белок захватывает одновременно молекулу глюкозы и ион натрия и, меняя конформацию, переносит оба вещества внутрь клетки. При этом используется энергия электрохимического градиента, который, в свою очередь, создается за счет гидролиза АТФ натрий-калиевой АТФ-азой. Антипорт осуществляет, например, натрий-калиевая АТФаза (или натрий-зависимая АТФаза). Она переносит в клетку ионы калия. а из клетки — ионы натрия. Работа натрий-калиевой АТФазы как пример антипорта и активного транспорта Первоначально этот переносчик присоединяет с внутренней стороны мембраны три иона Na+. Эти ионы изменяют конформацию активного центра АТФазы. После такой активации АТФаза способна гидролизовать одну молекулу АТФ, причем фосфат-ион фиксируется на поверхности переносчика с внутренней стороны мембраны. Выделившаяся энергия расходуется на изменение конформации АТФазы, после чего три иона Na+ и ион PO4 (3-) (фосфат) оказываются на внешней стороне мембраны. Здесь ионы Na+ отщепляются, а PO4(3-) замещается на два иона K+. Затем конформация переносчика изменяется на первоначальную, и ионы K+ оказываются на внутренней стороне мембраны. Здесь ионы K+ отщепляются, и переносчик вновь готов к работе. Более кратко действия АТФазы можно описать так: 1) Она изнутри клетки «забирает» три иона Na+, затем расщепляет молекулу АТФ и присоединяет к себе фосфат 2) «Выбрасывает» ионы Na+ и присоединяет два иона K+ из внешней среды. 3) Отсоединяет фосфат, два иона K+ выбрасывает внутрь клетки В итоге во внеклеточной среде создается высокая концентрация ионов Na+, а внутри клетки — высокая концентрация K+. Работа Na+, K+ — АТФаза создает не только разность концентраций, но и разность зарядов (она работает как электрогенный насос). На внешней стороне мембраны создается положительный заряд, на внутренней — отрицательный. 5 Опишите механизмы распространения потенциала действия вдоль возбудимого волокна. Укажите наиболее энергосберегающий тип распространения. Обоснуйте свой ответ Потенциал действия, возникнув в одном участке аксона, вследствие диффузии ионов из этого участка вдоль волокна снижает потенциал покоя в соседнем участке и вызывает здесь тоже развитие потенциала действия. Благодаря этому механизму потенциал действия, возникнув в одном месте, проходит весь аксон и достигает воспринимающей клетки. В таком качестве потенциал действия называется нервным импульсом. В аксоплазме, и в окружающем растворе возникают локальные токи: между участками поверхности мембраны с большим потенциалом (положительно заряженным) и участками с меньшим потенциалом (отрицательно заряженным). Локальные токи образуются как внутри аксона, так и на наружной его поверхности. Они приводят к повышению потенциала внутренней поверхности невозбужденного участка мембраны и к понижению наружного потенциала невозбужденного участка мембраны, оказавшегося возле возбужденной зоны. В зоне, близкой к возбужденному участку мембранный потенциал повышается выше порогового значения, открываются натриевые каналы и дальнейшее повышение мембранного потенциала происходит за счет потока ионов натрия через мембрану. Происходит деполяризация мембраны, развивается потенциал действия и возбуждение передается дальше на другие участки мембраны. Возбуждение распространяется в одну сторону, где мембрана находится в состоянии покоя, в другую сторону распространяться не может, так как зоны где прошло возбуждение некоторое время остаются рефрактерными. В миелинизированном нервном волокне натриевые и калиевые ионные каналы расположены в немиелинизированных участках перехватов Равнье, где мембрана аксона контактирует с межклеточной жидкостью. Вследствие этого нервный импульс перемещается «скачками». Ионы натрия, поступающие внутрь аксона при открытии каналов в одном перехвате, диффундируют вдоль аксона до следующего перехвата. Диффузия происходит быстро, так между перехватом Ранвье, находящимся в максимуме потенциала действия и соседним перехватом находящимся в состоянии покоя возникает разность потенциалов. Благодаря такому строению миелинизированного волокна скорость проведения импульса в нем равна 30-50 м/сек, это в 5-6 раз больше, чем в немиелинизированных волокнах, где ионные канлы расположены равномерно по всей длине волокна и потенциал действия расространяется плавно. Пороговая величина поляризации, вызывающая нервный импульс, зависит от концентрации ионов кальция. Внутриклеточная концентрация кальция равна 0,3 мкммоль/л, при гипокальциемии она снижается, следовательно снижается пороговая величина возбуждения нервов и могут возникнуть судороги. Сальтаторное проведение возбуждения имеет два важных преимущества по сравнению с непрерывным проведением возбуждения. 1. Сальтаторное проведение более экономично в энергетическом плане, так как возбуждаются только перехваты Ранвье, площадь которых имеет 1% мембраны, и, следовательно. Надо меньше энергии для восстановления трансмембранных градиентов Nа+ и К+, расходующихся в процессе возникновения ПД. 2. Возбуждение в миелинизированных волокнах проводится с большей скоростью, чем в безмиелиновых волокнах, так как в них электрическое поле ПД в области миелиновых муфт распространяется значительно дальше – на соседние перехваты Ранвье, поскольку электроизоляция уменьшает рассеивание электрического поля. Кроме того, миелинизированные волокна в большинстве своем тольще немиелинизированных, что также ускоряет проведение возбуждения, поскольку электрическое сопротивление более толстых волокон меньше. |