ответы экзамен. Эволюция пищеварительной системы и особенности питания у представителей разных классов позвоночных животных

• Название: Эволюция пищеварительной системы и особенности питания у представителей разных классов позвоночных животных
• Дата: 31.05.2022
• Размер: 7.56 Mb.
• Имя файла: ответы экзамен.docx
• Тип: Документы; #559867
• страница: 26 из 30

84. Индуцированный ионный транспорт через биологические мембраны. Подвижные переносчики. Каналообразующие агенты.

Транспорт ионов с помощью переносчиков называется индуцированным ионным транспортом, а сам переносчик - ионофором. Структура ионофора такова, что снаружи он покрыт неполярными группами, благодаря чему ему выгодно находиться в гидрофобной части мембраны. Внутри ионофора имеется полость, которая покрыта полярными группами, к которым и присоединяются ионы. Многие ионофоры выделены из микроорганизмов, другие имеют синтетическое происхождение. Известны две разновидности ионных переносчиков. Так называемые подвижные переносчики связываются с ионом, диффундируют с ним через мембрану, высвобождают его по другую сторону и возвращаются обратно. Другие переносчики остаются неподвижными относительно мембраны, они формируют мембранные каналы, которые обычно не пронизывают мембрану насквозь. Ионы, пересекая мембрану, вынуждены переходить по цепочке из одной молекулы-переносчика в другую, поэтому такой перенос называется эстафетным. Активный транспорт В организме часто наблюдается транспорт нейтральных частиц или ионов, в процессе которого электрохимический потенциал возрастает. Например, концентрация ионов калия в клетке намного выше, чем в межклеточной среде, а натрия, наоборот, - ниже. Высокий градиент концентрации калия поддерживается градиентом электрического потенциала, направленным в противоположную сторону, и подчиняется условию равновесия, определяемым уравнением Нернста. Направление градиента электрического потенциала таково, что ионам натрия также гораздо выгоднее находиться в клетке, чем во внеклеточной среде. Самопроизвольный вынос из клетки ионов натрия невозможен и осуществляется только за счет притока энергии. Известны системы активного транспорта дл ионов калия, натрия, кальция и водорода. Поддержание градиента концентраций ионов натрия и калия обеспечивается работой натрий-калиевого насоса. Он представляет собой мембранные белки, которые работают как ферменты аденозинтрифосфатазы (АТФазы). Задачей этих ферментов является расщепление АТФ на АДФ и неорганический фосфат. Процесс распада сопровождается выделением энергии, которая расходуется на транспорт ионов в сторону увеличения электрохимического потенциала. Расщепление АТФ стимулируется ионами натрия и калия и зависит от наличия магния. Активный транспорт возможен только за счет сопряжения транспорта какого-либо вещества с реакцией гидролиза АТФ. Механизм сопряжения окончательно не выяснен. Вероятнее всего, энергия АТФ расходуется на изменение конформации транспортного белка, что изменяет его сродство (константу связывания) к тем или иным ионам. Транспорт всегда осуществляется в ту сторону, где сродство ниже. В клетке константа связывания переносчика с Na+ значительно выше, чем с K+. Поэтому ионы натрия в клетке связываются с белком и транспортируются во внеклеточную среду. По другую сторону мембраны конформация белка меняется таким образом, что константа связывания с Na+уменьшается, а с K+ - увеличивается. Структура ионсвязывающего участка белка в этом случае такова, что к нему могут присоединяться уже не три, а два иона калия, которые и переносятся в клетку. Согласно современным представлениям, процесс активного транспорта Na+ и K+ происходит в следующие семь этапов. 1. В присутствии Mg2+ на внутренней стороне мембраны образуется комплекс фермента АТФазы с АТФ. 2. Присоединение АТФ изменяет конформацию фермента таким образом, что к образовавшемуся комплексу присоединяются три иона натрия. 3. Происходит фосфорилирование Na+,K+ - АТФазы и отщепление АДФ. 4. Ионсвязывающий центр фермента перемещается относительно толщины мембраны, в результате чего ион натрия оказывается на внешней стороне клетки. 5. Снаружи клетки вследствие уменьшения сродства фермента к ионам натрия и повышения сродства к калию происходит обмен этими ионами. 6. После отщепления фосфата фермент с присоединенными ионами калия снова изменяет положение относительно мембраны. 7. Ионы калия и неорганический фосфат высвобождаются в цитоплазму, и фермент возвращается в исходное состояние. Таким образом, энергии, выделяющейся при гидролизе одной молекулы АТФ достаточно, чтобы вынести из клетки три иона натрия и внести два иона калия. Na+,K+ - насос способствует не только повышению градиентов концентраций ионов, но и возрастанию градиента электрического потенциала, то есть является электрогенным, так как сумма вносимых зарядов неравна сумме выносимых. Межклеточная среда приобретает "более положительный" заряд по сравнению с клеткой за счет выноса одного "лишнего" положительного иона. В мембранах саркоплазматического ретикулума мышечных клеток и цитоплазматических мембранах кардиомиоцитов существует Ca2+ - насос, работа которого во многом сходна с механизмом переноса ионов Na+,K+ - насосом. За один цикл, в процессе которого расходуется одна молекула АТФ, переносится два иона кальция. Активный транспорт протонов может осуществляться как с помощью подвижных переносчиков, так и через мембранные каналы. Протонные каналы представляют собой интегральные белки, образующие внутреннюю пору, где содержатся участки, к которым могут присоединяться протоны. Энергия АТФ расходуется на изменение конформации белковых молекул, вследствие чего сродство одних участков связывания к протонам понижается, а других - увеличивается, что заставляет протон перескочить на другой участок канала, сродство которого к протону на данный момент выше. Путем таких перескоков с одного участка связывания на другой ион водорода пересекает мембрану. Перенос Н+ против градиентов их концентраций осуществляется не только за счет энергии, выделяющейся при гидролизе АТФ, но и за счет энергии фотонов. Этот способ используется галофильными бактериями, которые на свету выкачивают протоны из клетки, а энергию создавшегося градиента концентраций используют для синтеза АТФ. Вторично-активный транспорт Транспорт, источником энергии которого служит не непосредственно АТФ или энергия окислительно-восстановительных реакций, а градиент концентраций других веществ, называется вторично-активным, или сопряженным транспортом. Существует три вида вторично-активного транспорта ионов (представлена на рис.3): унипорт, симпорт и антипорт. 1. В случае унипорта за счет существования на мембране градиента электрического потенциала осуществляется однонаправленный транспорт заряженных частиц в сторону меньшего значения потенциала. Например, митохондрии в процессе своего функционирования активно выкачивают протоны из матрикса в цитоплазму, в результате чего их внутренняя область оказывается заряженной более отрицательно, чем внешняя. В нормальных условиях созданный градиент электрохимического потенциала используется для синтеза АТФ. 2. В процессе антипорта осуществляется транспорт одинаково заряженных ионов двух типов в разные стороны. 3. По механизму симпорта осуществляется транспорт противоположно заряженных ионов в одну сторону. При этом транспорт одного из ионов осуществляется по градиенту концентраций, а транспорт второго - по градиенту электрического потенциала, создаваемого транспортом первого иона. Рис. 3. Схема вторично-активного транспорта веществ. Одним из наиболее изученных случаев вторично-активного транспорта незаряженных молекул является всасывание глюкозы в стенках кишечника. Концентрация глюкозы в энтероцитах выше, чем в просвете кишечника, поэтому пассивное её всасывание невозможно. Клетки кишечника активно выкачивают натрий из энтероцитов в серозную область кишечника, в результате чего концентрация Na+ в клетке снижается по сравнению с его концентрацией снаружи. Благодаря этому становится возможным пассивный транспорт натрия из просвета кишечника в энтероцит. Однако простая диффузия ионов через бислой мало вероятна и натрий может пересечь мембрану только с помощью переносчика. При этом переносчик связывается не только с натрием, но и с молекулой глюкозы. Образовавшийся комплекс пассивно по градиенту концентраций ионов натрия и электрического потенциала переносится внутрь клетки. Таким образом, транспорт глюкозы осуществляется против градиента концентрации, но не за счет энергии АТФ, а за счет существования градиента концентрации другого вещества, в данном случае - ионов натрия. Подобные системы транспорта существуют и для многих других веществ, например, углеводов и аминокислот, что очень важно, так как для них отсутствуют специфические насосы.

Подвижные переносчики. Каналообразующие агенты - смотреть в предыдущем вопросе в облегченной диффузии.
85. Характеристика ионных насосов, осуществляющих активный транспорт в биологических мембранах.

Ионные насосы (помпы) – интегральные белки, которые обеспечивают активный перенос ионов против градиента концентрации. Энергией для транспорта служит энергия гидролиза АТФ. Различают Na+/K+ помпу (откачивает из клетки Na⁺ в обмен на К⁺), Ca²⁺ помпу (откачивает из клетки Ca²⁺), Cl^– помпу (откачивает из клетки Cl^–) и Н⁺ помпу.

В результате работы ионных насосов создаются и поддерживаются трансмембранные ионные градиенты:

• концентрация Na⁺, Ca²⁺, Cl^– внутри клетки ниже, чем снаружи (в межклеточной жидкости);
• концентрация K+ внутри клетки выше, чем снаружи.

 

Активный транспорт веществ через биологичес­кие мембраны имеет огромное значение. За счет активного транспорта в организме создаются разности концентраций, разности электрических потенциалов, давления, поддерживающие жизненные процессы, то есть с точки зрения термодинамики активный перенос удерживает организм в неравновесном состоянии, поддерживает жизнь, так как равновесие – это смерть организма. Существование активного транспорта веществ через биологические мембраны впервые было доказано в опытах Усинга (1949 год) на примере переноса ионов натрия через кожу лягушки (рис. 8).

Экспериментальная камера Усинга, заполнен­ная нормальным раствором Рингера, была разделена на две части свежеизолированной кожей лягушки. В опыте исследовали однонаправленные потоки ионов натрия через кожу лягушки в прямом и обратном направлениях.

   На изолированной коже лягушки, разделяющей раствор Рингера, возникает разность потенциалов φ_вн – φ_нар (внутренняя сторона кожи положительна по отношению к наружной). В установке имелось специальное устройство: электрическая батарея с потенциометром – делителем напряжения, с помощью которых компенсировалась разность потенциалов на коже лягушки: Δφ= φ_вн – φ_нар = 0, что контролировалось вольтметром. Кроме того, концентрация ионов натрия с внешней и внутренней сторон поддерживалась одинаковой.

 



 

 

Рис. 8. Схема опыта Уисинга на коже лягушки. V – вольтметр для измерения разности потенциалов на коже лягушки, А – амперметр для измерения трансмембранного тока, Б – батарейка, П – потенциометр.

 

Суммарный поток ионов через мембрану должен был бы отсутствовать. Его наличие свидетельствовало бы о переносе ионов против перепада концен­трации, то есть об активном переносе. Для доказательства этого в левую часть экспериментальной камеры были добавлены радиоактивные изотопы ²²Na, а в правую – ²⁴Na. ²²Na распадается с излучением жестких γ-квантов, излучение ²⁴Na фиксиро­валось по мягким β-лучам. Было показано, что поток ²²Na больше потока ²⁴Na. О наличии тока в цепи свидетельствовали и показания миллиамперметра.

Эти экспериментальные данные неопровержи­мо свидетельствовали о том, что перенос ионов натрия через кожу лягушки не подчиняется уравнению пассивного транспорта. Более того, оказалось, что суммарный поток ионов натрия исключительно чувствителен к факторам, влияющим на энергетический обмен в клетках кожи: наличию кислорода, действию разобщителей окислительного фосфорилирования, действию низких температур. Следовательно, речь должна идти об особом способе переноса ионов, названном впоследствии активным. Позднее было установлено, что активный перенос ионов натрия в коже лягушки обеспечивается ионными насосами, локализованными в клетках базального эпителия. Работа насоса блокировалась специфическим ингибитором оуабаином.

Дальнейшие исследования показали, что в биологических мембранах имеется несколько разновидностей ионных насосов, работающих за счет свободной энергии гидролиза АТФ, – специальные системы интегральных белков (транспортные АТФазы) (рис. 9). Перенос ионов транспортными АТФазами происходит вследствие сопряжения процессов переноса с химическими реакциями за счет энергии метаболизма клеток.

 



 

Рис. 9. Активный перенос ионов транспортными АТФазами: I – схема К⁺-Na⁺- насоса в клеточной мембране, II – схема кальциевого насоса в мембране саркоплазматического ретикулума, III – схема протонного насоса во внутренней мембране митохондрий.

 

2.2. Na+/K+-АТФаза

Na/K-АТФаза представляет собой сложный белок, встроенный в наружную мембрану клетки и имеющий центры связывания для ионов натрия и калия, а также активный центр, где осуществляются связывание и гидролиз АТФ (рис. 10).

Функциональная единица фермента состоит из двух полипептидных цепей: большей (α-субъединицы) и меньшей (β-субъединицы), входящих в состав ферментного комплекса в соотношении 1:1. Меньшая субъединица пересекает мембрану только один раз, в то время как большая – много раз, образуя 5 двойных петель, при этом оба конца пептидной цепи обращены в цитоплазму. Активный центр фермента также обращен в цитоплазму и доступен для цитоплазматического АТФ. Центры связывания переносимых ионов локализованы в петле между второй и третьей спиралями, пронизывающими мембрану.

Таким образом, α-субъединица может выполнять функцию насоса независимо от β-субъединицы. Однако оба полипептида образуют компактную глобулу, насквозь пронизывающую мембрану. Та часть β-субъединицы, которая обращена во внеклеточную среду, несет на себе ковалентно присоединенные углеводные фрагменты.

По массе и наличию углеводов этот полипептид можно отнести к лектинам – мембранным гликопротеинам, которые отвечают за межклеточное узнавание и адгезию. В процессе белкового синтеза обе субъединицы встраиваются в мембрану одновременно. Существуют данные, согласно которым β-субъединица обеспечивает правильную ориентацию α-субъединицы в мембране. Гидролизуя АТФ, чтобы обеспечить энергией активный транспорт ионов, Na/K-АТФаза осуществляет сложную многостадийную реакцию, в которой участвуют ионы натрия, калия и магния, а также АТФ. Фермент имеет лабильную структуру. Он легко изменяет свою конформацию (так называют взаимное расположение и упаковку отдельных частей молекулы белка в пространстве) в зависимости от того, какой ион к нему присоединяется.

 
Уже в ранних исследованиях было показано, что в присутствии натрия фермент легко взаимодействует с АТФ, в результате чего терминальный фосфат АТФ переносится на карбоксил аспарагиновой кислоты белковой цепи, образуя фосфорилированный фермент (Е–Р, где Е обозначает молекулу белка-фермента, а Р – фосфорильный остаток). Фосфофермент является промежуточным продуктом АТФазной реакции. Он может находиться в двух конформационных состояниях, условно обозначаемых как Е1 и Е2. Первая форма обладает повышенным сродством к ионам натрия, а вторая – к ионам калия. Переход между ними сопровождается изменением сродства белковой молекулы к переносимым катионам. В настоящее время цикл Na/K-АТФазы охарактеризован более подробно. Основные стадии можно описать следующим образом (рис. 11).

 



 

Когда фермент находится в состоянии Е1, он способен взаимодействовать с ионами натрия и АТФ с нутренней стороны мембраны. В результате фосфорилирования молекулы образуется E1P, а АДФ высвобождается из активного центра и возвращается в цитоплазму. Фосфорилированный белок переходит в состояние, при котором ионы натрия не способны высвобождаться ни по внутреннюю, ни по внешнюю стороны мембраны – они недоступны для обмена, окклюдированы. Переход фермента в следующую стадию активируется ионами магния. Хотя специальных центров связывания магния на молекуле фермента не обнаружено, его эффект очень важен – он заключается в ускорении перехода фосфорилированного фермента из конформации E1 в конформацию Е2. Эта стадия отражает молекулярные перемещения отдельных частей белковой глобулы, связанные с непосредственным переносом ионов натрия через мембрану. Таким образом, этот процесс осуществляется синхронно с конформационным переходом E1 – Е2. Вследствие этого окружение центра связывания ионов становится более гидрофобным, и ионы натрия диссоциируют от фермента по другую сторону мембраны, где с этим же центром связываются ионы калия. Калий подвергается такой же окклюзии, что и натрий, и в ходе этого процесса осуществляется перенос ионов калия через мембрану.

Конформационная перестройка, претерпеваемая белком при переходе E1 – Е2, обеспечивает перестройку ионных центров и последующее перемещение петли, содержащей центр связывания ионов, внутрь мембраны. Это приводит к изменению сродства к переносимым ионам и одновременно делает ионный центр доступным для внешней или внутренней среды. Комплекс Е2Р отличается от своего предшественника тем, что окружение фосфатной группировки становится более гидрофильным и фосфат оказывается доступным для атаки молекулой воды. Происходят водный гидролиз Е–Р (дефосфорилирование фосфофермента) и высвобождение неорганического фосфата во внутриклеточную среду. После этого ионы калия также диссоциируют от центра связывания, высвобождаясь в цитоплазму. Последняя стадия цикла одновременно подготавливает фермент для начала нового цикла – конформер Е2 превращается в конформер E1, вновь приобретающий способность взаимодействовать с ионами натрия. Этот процесс ускоряется АТФ, повышающим сродство фермента к натрию и понижающим его сродство к калию.

 

 Таким образом, за полный гидролитический цикл происходят выброс из клетки трех ионов натрия, обогащение цитоплазмы двумя ионами калия и гидролиз одной молекулы АТФ. Так происходит активный транспорт ионов натрия из клетки и калия в клетку, а энергия АТФ тратится на оплату перехода фермента из одной конформации в другую. Таким образом, в ходе ферментативного процесса перенос ионов натрия и калия осуществляется одним и тем же ионным центром фермента, последовательно изменяющим свое сродство к переносимым ионам при изменении конформации Na/K-АТФазы.

Ионные центры фермента расположены в петле между 2 и 3 α-спиральными участками фермента, пересекающими мембрану. Взаимодействие ионов с этими центрами обеспечивается благодаря координационным связям с атомами кислорода, принадлежащими дикарбоновым аминокислотам белка – аспарагиновой и глутаминовой. В образовании координационных связей с ионами должны принимать участие 12 атомов кислорода карбоксильных групп дикарбоновых аминокислот белка. Точная упаковка этой петли не установлена, однако в ее состав входят 15 дикарбоновых аминокислот, так что выбор групп для образования центра связывания ионов вполне достаточен.

Кислород способен осуществлять координационные взаимодействия с лигандами, образуя решетку одного из двух типов. В одном случае получается рыхлая и доступная для молекул воды структура, а в другом атомы упакованы более плотно и не доступны для гидрофильных группировок. В первом случае ионный центр может связать три иона натрия, а во втором – два иона калия. Этим и объясняется тот факт, что при гидролизе одной молекулы АТФ фермент обменивает три иона натрия на два иона калия (рис. 12).

Активность Na/K-АТФазы в клетке регулируется многими факторами. На первом месте стоят соотношение Na/K и доступность АТФ – это факторы так называемой краткосрочной регуляции активности. Содержание АТФ в клетке, как правило, мало изменяется в нормальных условиях, хотя может резко снижаться при патологических нарушениях. В таком случае снижение уровня АТФ будет критическим для поддержания достаточной активности Na/K-насоса. Соотношение Na/K в клетках зависит от многих факторов и, в свою очередь, является фактором, регулирующим функционирование Na/K-насоса.