Лек №1 МБФ. Биофизика клеточных мембран. Транспорт веществ через мембраны
 Скачать 2.95 Mb.
|
|
Биофизика клеточных мембран. Транспорт веществ через мембраны. Кафедра «Информационно-коммуникационных технологий» Медицинская биофизика Биофизика клеточных мембран. Транспорт веществ через мембраны. План:
Биологическая мембрана – это тонкая оболочка клетки, внутриклеточных органелл и тканей https://youtu.be/tSvhkZOuTrA Основу структуры любой мембраны представляет двойной липидный слой, который состоит из двух монослоев липида. Липиды биомембран в основном представлены фосфолипидами. Эти соединения состоят из глицерина или сфингозина, к первому атому углерода которых присоединена фосфатная кислота, а один или два других этерфицированны остатками жирных кислот. Гидрофобные “хвосты” обоих слоев направлены внутрь. При этом обеспечивается наименьший контакт гидрофобных участков молекул с водой. Наиболее вероятна следующая гипотеза: мембрана имеет жидко-мозаичную структурут.е. фосфолипидная основа представляет собой двухмерный растворитель, в котором плавают белки Виды биологических мембран
(оболочка ядра, вакуол и.др) Медицинская биофизика Биофизика клеточных мембран. Транспорт веществ через мембраны. Функции биомембраны Биологические мембраны выполняют в организме множество функций: они ограничивают клетку (так называемые цитоплазматические мембраны или плазмалемма) и клеточные органеллы, разделяя клетку на отдельные области (компартаменты), что позволяет поддерживать неравновесное состояние организма; формируют межклеточные контакты, обеспечивают механическую защиту клеток, избирательный и регулируемый транспорт веществ, проведение нервного импульса, участвуют в синтезе АТФ, обеспечивают оптимальное расположение в пространстве мембранных белков, которые осуществляют ферментативные реакции, обеспечивают работу рецепторов, иммунной системы. Медицинская биофизика Биофизика клеточных мембран. Транспорт веществ через мембраны. Основные функции мембран Матричная – удерживает функионирующие белки, сохраняет их местоположения и структуру Барьерная (сопротивляемость) – защищает от ядовитых и ненужных вещей и частиц Механическая – приводить порядок транспорта энергии и веществ через мембраны Толщина мембраны составляет порядка несколких нм, примерно (5-13 нм), поэтому ее можно обнаружить только через электронный микроскоп Медицинская биофизика Биофизика клеточных мембран. Транспорт веществ через мембраны. Химический состав мембраны
Головы – азотных (этаноламин, холин) и неазотных (серин, инозин, треонин) соединении. С помощью ортофосфорных кислот голова присоединяется с телом. Тело – состоить из глицерина или сфингозина . Хвосты – состоит из СН цепи неполярных масляных кислот. Медицинская биофизика Биофизика клеточных мембран. Транспорт веществ через мембраны. Деление липидов в составах мембран
Медицинская биофизика Биофизика клеточных мембран. Транспорт веществ через мембраны. Основные модели мембран Модель сэндвича (бутерброда)или унитарную модель мембран созданная 1935 году Хью Даусон и Джеймс Даниэлли 1. белки. 2. бимолекулярные фосфолипиды Унитарная мембрана состоит из двойного липидного слоя, причем гидрофобные «хвосты» липидов обращены внутрь мембраны, а их «головы» выходят на поверхность, где они взаимодействуют с внешними мономолекулярными белковыми слоями Медицинская биофизика Биофизика клеточных мембран. Транспорт веществ через мембраны. Жидкостно – мозаичная модель созданная в 1972 году Сингерем и Николсоном Схема строения биологической мембраны: 1 – гилрофильные «головки» липидов; 2 - гидрофобные «хвосты» лилкдов; 3 – гидрофильная липидная пора; 4 – интегральные белки; 5 - углеводная компонента гликолипида: 6 -микротрубочка, удерживающая белок; 7- белковый канал; 8 - периферические белки. Билипидный слой фигурирует и в этой модели. Действительно, искусственные липидные мембраны, имеющие двуслойное строение, оказались во многих отношениях сходными с биологическими мембранами. Искусственные мембраны получаются при контакте смеси фосфолипидов и нейтральных липидов, растворенных в органических растворителях, с водой. Мембрана по своей структуре напоминает плоский конденсатор, обкладки которого образованы поверхностными белками, а роль диэлектрика выполняет липидный бислой. Используя формулу плоского конденсатора, можно оценить диэлектрическую проницаемость с гидрофобной и гидрофильной областей мембран, зная пределы изменения толщины мембраны. Мембранные липиды и белки обладают большой подвижностью, то есть, способны диффундировать вследствие теплового движения. Если перемещение их молекул происходит в пределах одного мембранного слоя, то такой процесс называется латеральной диффузией; если же их молекулы перемещаются из одного слоя в другой, то процесс называется «флип-флоп»-переход. Частота перескоков молекул вследствие латеральнойдиффузии равнагде D - коэффициент латеральной диффузии; А - площадь, занимаемая одной молекулой на поверхности мембраны.Время оседлой жизни молекулы в одном положении обратно пропорционально частоте перескоков:При этом среднее квадратичное перемещение молекул за время t составляет:Медицинская биофизика Биофизика клеточных мембран. Транспорт веществ через мембраны. Биологические процессы: -всасывание -выделение -проведение нервного импульса -мышечное сокращение -синтез АТФ и т.д. cвязаны с переносом веществ через мембрану («транспорт веществ») Этот процесс в биологических системах получил название транспорта. Перемещение вещества в клетку или из нее в окружающий раствор является очень сложным процессом, который может совершаться «пассивно» или «активно». Перенос веществ по градиенту концентраций от большей величины к меньшей называют «пассивным», так как он не связан с затратой энергии метаболических процессов, протекающих в клетке, а также перенос вещества происходит с уменьшением электрохимического потенциала. Медицинская биофизика Биофизика клеточных мембран. Транспорт веществ через мембраны. Основные виды транспорта Медицинская биофизика Биофизика клеточных мембран. Транспорт веществ через мембраны. Основные механизмы пассивного транспорта Переход веществ в клетку или из нее осуществляется через мембрану и служит основой жизнедеятельности организма. Транспорт веществ обеспечивает присутствие в живых организмах основных градиентов. https://www.youtube.com/watch?v=eEVlPQLIs0U&list=PLBcDTZBDTlUKSiQ_MUb0XEXMIrsC9tKnz&index=3&t=230s Медицинская биофизика Биофизика клеточных мембран. Транспорт веществ через мембраны. Виды пассивных транспортов Диффузия - это трансмембранный массо-перенос, происходящий в направлении действия: -концентрационного, -электрического, -осмотического, -гидростатического градиентов Диффузия делиться на два вида : простая диффузия – без помощи градиентов других молекул, облегченная диффузия – с помощью переносщиков, называемые ионофорами. Ионофоры делятся: Неподвижные – грамоцидин Подвижные – валиномицин, нигерицин Медицинская биофизика Биофизика клеточных мембран. Транспорт веществ через мембраны. Осмос – движение молекул воды из области меньшей в область большей концентрации растворенного вещества (вода поступает из ткани в плазму крови). Фильтрация – движение жидкости через каналы под действием гидростатического давления (вода выходит из кровеносного русла в лимфу, соединительную ткань, а плазма крови выдавливается в почечные канальцы) Медицинская биофизика Биофизика клеточных мембран. Транспорт веществ через мембраны. Через БМ переносятся не только отдельные молекулы, но и твердые тела – фагоцитоз растворы - пиноцитоз Кроме того транспорт по направленью делиться на: эндоцитоз -транспорт веществ во внутрь клетки экзоцитоз – транспорт веществ в наружу Медицинская биофизика Биофизика клеточных мембран. Транспорт веществ через мембраны. Уравнение Фика для простой диффузии J-поток веществ (количество перенесенного вещества за единицу времени) D-коэффициент диффузии dC/dx – градиент концентрации Знак минус указывает направление переноса, который происхдить против градиента В мембранах клетки происходит перенос молекул в область большой концентрации, а ионов – против силы, действующей на них со стороны электрического поля. Этот перенос называют активным транспортом. Этот транспорт присущ только биологическим мембранам. То есть живая клетка обладает способностью активно, избирательно повышать скорость проникновения отдельных веществ, притом физиологически важных веществ, вовлекаемых в клеточный обмен. Перенос против градиента концентрации - активный перенос всегда является одновременно избирательным переносом, так как этим путем поглощаются из окружающей среды только те вещества, которые необходимы для жизнедеятельности клетки. Рассматриваемый ранее транспорт частиц через мембрану всегда происходил с уменьшением электрохимического потенциала. Однако в организме часто наблюдается транспорт нейтральных частиц или ионов, в процессе которого электрохимический потенциал системы возрастает. Например, концентрация ионов калия в клетке намного выше, чем в межклеточной среде, а натрия, наоборот,- ниже. Направление градиента электрического потенциала таково, что ионам натрия также гораздо выгоднее находиться в клетке, чем во межклеточной среде. Самопроизвольно вынос из клетки ионов натрия невозможен и осуществляется только за счет притока энергии. Проницаемость мембран для различных веществ зависит от поверхностного заряда, который создается заряженными головками липидов, придающими мембране преимущественно отрицательный заряд. Это приводит к тому, что на границе мембрана - вода создается межфазный скачок потенциала (поверхностный потенциал) того же знака, что и заряд на мембране. Величина этого потенциала играет большую роль в процессах связывания ионов мембраной. Скорость переноса ионов значительно возрастает, если в мембране существуют ионные каналы. Наиболее распространены каналы для ионов калия, натрия, кальция. А также ионные каналы обладают свойством селективности, то есть имеют различные величины проводимости для различных ионов. Каждый канал транспортирует преимущественно ионы одного вида, например, натриевый канал - ионы натрия, калиевый - ионы калия. Через катионные каналы не способны проходить анионы и наоборот. Но для ионов того же знака, что и основной ион, канал уже не обладает такой абсолютной селективностью. Проводимость канала для других ионов своего знака ниже, чем для собственного, но отлична от нуля. Поддержание градиента концентраций ионов натрия и калия обеспечивается работой натрий-калиевого насоса (Na+,K+-наcoca). 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 Na+ и К+ и зависит от наличия Mg2+. То есть натрий-калиевый насос переносит из клетки во внешнюю среду три иона натрия в обмен на перенос двух ионов калия внутрь клетки, при этом затрачивается энергия одной молекулы АТФ Медицинская биофизика Биофизика клеточных мембран. Транспорт веществ через мембраны. Активный транспорт Перенос вещества в направлении противоположно перечисленным градиентам. Движущей силой служит энергии АТФ синтеза и химический потенциал, обуславливающий в БМ течение ферментативных реакций. Медицинская биофизика Биофизика клеточных мембран. Транспорт веществ через мембраны. Виды активного транспорта Первично-активный транспорт осуществляется с помощью специальных ферментов– переносчиков аденозинтрифосфатазы (АТФазы) Типы ионных насосов К+- Na+- АТФ-аза -Са2+-АТФ-аза Н+- АТФ-аза вторично-активный или сопряженный – за счет градиента концентрации других ионов, т.е. за счет энергии электрохимического потенциала . Медицинская биофизика Биофизика клеточных мембран. Транспорт веществ через мембраны. Активный транспорт веществ Медицинская биофизика Биофизика клеточных мембран. Транспорт веществ через мембраны. Существует три вида вторично-активного транспорта ионов: - В случае унипорта за счет существования на мембране градиента электрического потенциала осуществляется однонаправленный транспорт заряженных частиц в сторону меньшего значения потенциала; - В процессе антипорта (обменного транспорта или против транспорта) осуществляется транспорт одинаково заряженных ионов двух типов в разные стороны. Например, антибиотик нигерицин транспортирует протоны по градиенту концентраций, что приводит к увеличению градиента электрического потенциала, а это, в свою очередь, влечет за собой перенос ионов калия в противоположную сторону (градиента электрического потенциала), в результате чего возрастает градиент концентраций К+; - 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. Одним из наиболее изученных случаев вторично-активного транспорта незаряженных молекул является всасывание глюкозы в стенках кишечника. facebook.com/medkrmu @medkrmu @medkrmu vk.com/medkrmu СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ! |