лекция 2 биоф. Лекция 2 Транспорт веществ через биологические мембраны Курс физики для студентов 1 курса медицинского факультета ОшГУ
 Скачать 7.84 Mb.
|
Лекция № 2 Транспорт веществ через биологические мембраныКурс физики для студентов 1 курса медицинского факультета ОшГУ Кафедра естественнонаучных дисциплин План лекции
Наиболее распространенной является жидкомозаичная модель мембраны, предложенная в 1972 г. Николсоном и Синджером: в липидном слое плавают более или менее погруженные белки : Клеточная мембрана - очень важная часть клетки. Она удерживает вместе все клеточные компоненты и разграничивает внутреннюю и наружную среду. вспомним Основу мембраны образует двойной слой липидов (доля которых составляет 50% мембраны по массе). В этот слой встроены белковые молекулы, придающие специфические свойства различным участкам мембран, и тем самым, позволяющие последним принимать участие в разнообразных метаболических процессах. Молекулы липидов упакованы в слой так, что гидрофобные части (жирные хвосты) этих молекул отделены от воды, в то время как гидрофильные части (полярные головки) погружены в нее. H2O Гидрофильная область Гидрофильнаяобласть Гидрофобная область H2O 4-5 нм Мембраны выполняют две важнейшие функции матричную - т.е. являются матрицей, основой для удерживания белков, выполняющих разные функции, и барьерную – защищают клетку и отдельные ее части от проникновения нежелательных частиц. При нарушении этой функции наступает заболевание организма. Ряд важнейших процессов в клетке, таких как возбуждение, обмен веществ, поддержание постоянного ионного состава и др. связаны с переносом веществ через клеточную мембрану. Проницаемость мембран для различных веществ – это одно из важнейших свойств мембран, определяющее нормальное формирование клетки. Изучение проницаемости биомембран имеет большое значение для медицины и, особенно, для фармакологии и токсикологии. Для лечения необходимо знать проникающую способность фармакологических средств и ядов через мембрану в норме и при патологии. Перенос молекул (атомов) через мембраны. Важной характеристикой мембран является их способность пропускать или не пропускать молекулы, атомы и ионы. Эти вопросы относятся к явлениям переноса. Явления переноса самопроизвольные необратимые процессы, в которых благодаря молекулярному движению из одной части системы в другую переносится какая-либо физическая величина. К явлениям переноса относятся: диффузия (перенос массы); вязкость (перенос импульса из слоя в слой); теплопроводность (перенос энергии); электропроводность (перенос электрического заряда). газы неполярныемолекулы мелкие полярные молекулы крупные полярные молекулы заряженные молекулы бензин этанол глюкоза аминокислоты ионы Наиболее существенными для жизнедеятельности биологических организмов являются процессы переноса массы и электрического заряда. В биофизике в качестве синонима термину перенос используют термин «транспорт». Перенос вещества через мембрану является сложным процессом и может осуществляться многими способами. В зависимости от того, что является движущей силой перемещения молекул, все виды переноса можно разделить на пассивные и активные. Пассивный Перемещение веществ, идущие без затрат энергии Перемещение веществ, идущие с затратами энергии Виды мембранного транспорта Активный Виды транспорта Активный Пассивный Облегченная диффузия
Диффузия К – Nа насос Экзоцитоз Эндоцитоз
Перенос ионов зависит от двух градиентов градиента концентрации grad C электрического градиента grad φ. grad μ Когда рассматривают растворы с незаряженными частицами, в учет берется лишь концентрационный градиент Если раствор заряженный, движение через мембрану зависит также и от электрического градиента. электрохимический потенциал Различные виды транспортаПереносчик Канал Пассивный транспорт происходит, когда растворенные вещества движутся в сторону убывания электрохимического градиента. При активном транспорте заряженные частицы движутся в сторону увеличения электрохимического градиента. Пассивный транспорт осуществляется путем простой и облегченный диффузии по концентрационным или электрическим градиентам и не требует затрат дополнительной энергии. Скорость диффузии зависит от толщины мембраны, размеров молекул и от их относительной растворимости в жирах. Поэтому легче проходят через мембрану неполярные гидрофобные органические соединения, малые неполярные молекулы (О2, N2, мочевина, гормоны), небольшие нейтральные молекулы (СО2, Н2О, NН3), вещества, которые растворяются в липидах. В основе пассивного транспорта лежит разность концентраций и зарядов. Вещества всегда перемещаются по градиенту концентрации. Если молекула заряжена, то на ее транспорт влияет и электрический градиент. Поэтому часто говорят об электрохимическом градиенте. Пассивный транспорт - это перенос вещества из мест с большим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением: Виды пассивного транспорта Транспорт веществ через липидный бислой (простая диффузия) Транспорт веществ через мембранные каналы Транспорт веществ через специальные транспортные белки (облегченная диффузия)
Пассивный транспорт – это перенос веществ через биологическую мембрану без затраты энергии. Диффузия молекул Электродиффузия ионов Уравнение ФИКА Уравнение НЕРНСТА -ПЛАНКА молекулы воды молекулы вещества диффузия – движение молекул или ионов из области высокой концентрации веществ в область низкой по градиенту. Рассмотрим наиболее важные для биологических мембран явления: перенос вещества (диффузию) и перенос заряда (электропроводность). Диффузия — явление самопроизвольного переноса массы вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей. Диффузия приводит к равномерному распределению вещества по всему объему. Движущая сила диффузии – градиент концентрации – разность концентрации вещества на единицу длинны. Основные разновидности простой диффузии через мембрану: через липидный бислой (1), через пору в липидном бислое (2), через белковую пору (3) Простая диффузия - это:
меньшей концентрации Обеспечивает перемещение маленьких незаряженных молекул по градиенту концентрации между молекулами липидов: Параметры диффузии Количественными характеристиками транспорта веществ являются:
Φ = m/t [кг/с] 2. Плотность потока вещества – это количество вещества в единицу времени через единицу площади. J = Φ/S [кг/(м2 · с)] или [моль/(м2 · с)]. Количество переносимого вещества можно измерять в килограммах или молях C out C in out Плотность потока вещества через биологическую мембрану прямо пропорциональна градиенту концентрации in Основное уравнение диффузии имеет вид: уравнение Фика где D – коэффициент диффузии dC/dх - градиент массовой концентрации вдоль направления переноса Знак «-» показывает, что суммарная плотность потока вещества J при диффузии направлена в сторону, противоположную градиенту концентрации dc/dx (или в сторону убывания концентрации (плотности) вещества ): Рассмотрим в качестве примера диффузию незаряженных частиц определённого вида через биологическую мембрану толщиной l. Пусть концентрация частиц, диффундирующих через мембрану, изменяется в мембране линейно . l - толщина мембраны, Сi - концентрация частиц внутри клетки, С0 - снаружи клетки, Сmi - концентрация частиц на внутренней части мембраны, Сmo- на наружной части. Отсюда Практически легче определять концентрации частиц в клетке (сi) и снаружи клетки (co). Измерить концентрации cmi и cmo в приграничных слоях мембраны практически невозможно. Поэтому воспользуемся соотношением: Предположим, что где k -коэффициент распределения частиц между мембраной и окружающей средой. Тогда Сmo = k Сo, Сmi = k Сi и имеем Отсюда где коэффициент проницаемости Уравнение Фика для простой диффузии или Р – зависит от температуры, природы вещества, от свойств БМ, ее функционального состояния. В живой клетке такая диффузия обеспечивает прохождение кислорода и углекислого газа, а также ряда лекарственных веществ и ядов. Математическое описание процесса диффузии дал физиолог Фик в 1855 г. Уравнение Фика является основой конструирования ряда биотехнических систем, например, в аппаратах: «Искусственная почка» Экстракорпорального кровообращения Уравнение простой диффузии Уравнение электродиффузии На мембране существует разность потенциалов, следовательно, в мембране имеется электрическое поле, которое влияет на диффузию заряженных частиц (ионов и электронов). Электродиффузия - диффузия электрически заряженных частиц (ионов) под влиянием концентрационного и электрического градиентов. Плотность потока заряда дается выражением , где φ - потенциал поля, F = eNA -постоянная Фарадея, Z -валентность, Um - подвижность диффундирующих частиц для одного моля. Уравнение Нернста – Планка описывает пассивный транспорт ионовГрадиент концентрации Градиент ЭП Знаки минус перед градиентами показывают, что градиент концентрации и электрохимического потенциала вызывает перенос вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией В общем случае перенос ионов зависит от неравномерности их распределения и воздействия электрического поля. Транспорт через каналы (поры). Заряженные молекулы и ионы (Na+, K+, Ca2+, Cl-) не способны проходить через липидный бислой путем простой диффузии, тем не менее, они проникают через мембрану, благодаря наличию в ней особых каналообразующих белков, формирующих различные каналы. Канал — участок мембраны, включающий белковые молекулы и липиды, который образует в мембране проход. Этот проход допускает проникновение через мембрану молекул воды, крупных ионов. Наличие каналов увеличивает проницаемость Р. Проницаемость Р зависит от числа каналов и от их радиуса. Каналы могут проявлять селективность по отношению к разным ионам, это проявляется в различии проницаемости для разных ионов. Для большинства веществ (заряженные молекулы и крупные молекулы), важных для питания клетки, липидная мембрана непро-ницаема . Транспорт таких веществ осуществляется с помощью специальных транспортных структур, образованных белками. Транспортные структуры взаимодействуют с переносимой молекулой и перемещают её сквозь мембрану, обеспечивая перемещение по градиенту концентрации между молекулами липидов:
Диффузия вещества по градиенту его концентрации, которая осуществляется с помощью специальных белков-переносчиков называется облегчённой диффузией Облегченная диффузия Белки – переносчики Каналообразующие белки Облегченная диффузия — транспорт веществ с помощью специальных транспортных белков, каждый из которых отвечает за транспорт определенных молекул или групп родственных молекул. Схема облегченной диффузии, осуществляемой при помощи каналообразующего белка.Канало-образу-ющий белок Транспортируемая молекула Канало-образу-ющий белок Ионные каналы биомембраныИонные каналы биомембраны - это специализированные селективные поры, образованные белковыми молекулами, предназначенными для облегченной диффузии определенных ионов (Na+,K+,Ca2+,Cl- и т.д.).Выделяют три самостоятельные транспортные системы в возбудимых мембранах Na+, K+, Ca2+- каналы, сходные по своим функциям, но отличающиеся избирательностью (селективностью).Схема облегченной диффузии, осуществляемой при помощи белка-переносчика.Внешняя среда Мембрана Внутренняя среда А А х х А А А х х х Активный транспорт – это перенос веществ через мембрану, который:
АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ИОННЫЕ НАСОСЫ переносят вещества против их градиентов за счёт энергии гидролиза АТФ ПЕРЕНОСЧИКИ транспортируют вещества против их градиентов за счёт градиентов других ионов K+-Na+ насос Кальциевый насос, водородная помпа, йодный насос и др. внутри снаружи унипорт симпорт антипорт Натрий-кальциевый обменник, натрий-водородный обменник, перенос сахаров, аминокислот, нуклуотидов в кишечник, мозг . Активный транспорт – это перенос веществ (ионов) через БМ, связанный с затратой химической энергии (энергия метаболизма) из области МЕНЬШЕГО ! электрохимического потенциала в область большего электрохимического потенциала. Na+ K+ насос К+ Na+ 2К+ 3Na+ Отвечает за нервное возбуждение НА ТРИ Й 3 Na+ наружу в межклеточную жидкость, 2K+ внутрь клетки Натрий - калиевая АТФ-аза Na+ К+ АТФ-аза электрогенна Na+ К+ Натрий 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. Ca2+ - насос Отвечает за расслабление. Ca2+АТФ-аза Неэлектрогенна. 2Ca2+ наружу в органеллы 10-3М 10-7М Низкая концентрация Ca2+ в сердечной мышце, и она расслаблена. А если концентрация кальция , то мышца сокращается. H+ ATФ-аза Протонная помпа 2H+ Отвечает за энергетику клетки. Перенос пары электронов по дыхательной цепи приводит к переносу двух протонов через БМ. Спасибо за внимание !Простая диффузияКоэффициент проницаемости (Р) тем больше, чем больше коэффициент диффузии (чем меньше вязкость мембраны), чем тоньше мембрана (чем меньше l ) и чем лучше вещество растворяется в мембране (чем больше К).Хорошо растворимы в фосфолипидной фазе мембраны неполярные вещества, например, органические жирные кислоты, эфиры.Плохо проходят через липидный бислой полярные, водорастворимые вещества: соли, основания, сахара, аминокислоты, спирты.Простая диффузияЧерез липидные и белковые поры сквозь мембрану проникают молекулы нерастворимых в липидах веществ и водорастворимые гидратированные ионы (окруженные молекулами воды). Для таких веществ и ионов мембрана выступает как молекулярное сито: чем больше размер молекулы, тем меньше проницаемость мембраны для этого вещества. Избирательность переноса обеспечивается набором в мембране пор определенного радиуса, соответствующих размеру проникающей частицы (зависит от мембранного потенциала).Облегченная диффузияОблегченная диффузия происходит при участии молекул переносчиков.Переносимые вещества: ионы, аминокислоты, сахара, нуклеотиды и др.Отличия облегченной диффузии от простой:
Активный транспортАктивный транспорт – это перенос вещества из мест с меньшим значением электрохимического потенциала в места с его большим значением.Активный транспорт в мембране сопровождается ростом энергии Гиббса, он не может идти самопроизвольно, а только за счет затраты энергии, запасенной в макроэргических связях АТФ (т.е. в сопряжении с процессом гидролиза АТФ).Значение активного транспорта:За счет активного транспорта в организме создаются градиенты концентраций, градиенты электрических потенциалов, градиенты давления и т.д., поддерживающие жизненные процессы.Существование активного транспорта веществ через биологические мембраны впервые было доказано в опытах Уссинга (1949 г.) на примере переноса ионов натрия через кожу лягушки.Согласно современным представлениям, в биологических мембранах имеются ионные насосы, работающие за счет энергии гидролиза АТФ, — специальные системы интегральных мембранных белков (транспортные АТФазы).В настоящее время известны три основных типа электрогенных ионных насосов, осуществляющих активный перенос ионов через мембрану:1) при работе К+-Nа+-АТФазы за счет энергии, освобождающейся при гидролизе одной молекулы АТФ, в клетку переносится два иона калия и одновременно из клетки выкачиваются три иона натрия. Таким образом, создается повышенная по сравнению с межклеточной средой концентрация в клетке ионов калия и пониженная натрия, что имеет огромное физиологическое значение;2) при работе Са2+-АТФазы за счет энергии гидролиза АТФ переносятся два иона кальция (из клетки);3) в Н+-АТФазе (Н+- помпе) происходит перенос двух протонов.Работа натрий - калиевого насоса Этапы работы АТФазы: 1) Образование комплекса фермента с АТФ на внутренней поверхности мембраны; 2) связывание комплексом трех ионов натрия; 3) фосфорилирование фермента с образованием АДФ; 4) переворот фермента внутри мембраны; 5) реакция ионного обмена натрия на калий (на внешней поверхности мембраны); 6) обратный переворот ферментного комплекса с переносом ионов калия внутрь клетки; 7) возвращение фермента в исходное состояние с освобождением ионов калия и неорганического фосфата. |