Активный и пассивный транспорт таблица. Пассивный транспорт веществ через мембрану: описание, особенности

Мембранный транспорт - частный случая явления переноса веществ через биологическую мембрану.

К явлениям переноса относят:

ü перенос массы вещества (диффузия);

ü перенос импульса (вязкость);

ü перенос энергии (теплопроводность);

ü перенос заряда (электропроводность).

Виды мембранного транспорта:

Пассивный - перенос молекул и ионов по градиенту химического (или электрохимического потенциалов или перенос молекул из мест с большей концентрацией вещества в места с меньшей концентрацией вещества. Это самопроизвольный процесс (ΔG<0 - энергия Гиббса уменьшается).

Плотность потока вещества через мембрану определяется уравнением Теорелла:

ü J - моль/(м 2 ·с)

ü - градиент химического или электрохимического потенциала (означает изменение химического или электрохимического потенциала при переносе вещества через мембрану толщиной x)

ü U - коэффициент подвижности молекул.

ü С - концентрация вещества.

Пассивный транспорт неэлектролитов (например глюкозы) при обычной диффузии определяется уравнением Фика, которое выводится на основании подстановки и дифференцирования выражения для химического потенциала веществ - в уравнение Теорелла

ü - градиент концентрации вещества (является движущей силой переноса вещества)

ü RTU = D - коэффициент диффузии - м 2 /с.

ü R - Универсальная газовая постоянная.

знак «-» показывает, что суммарная плотность потока вещества направлена в сторону уменьшения концентрации вещества.

Пассивный транспорт электролитов (ионов К + , Na + , Са 2+ , Мg 2+ и т.д) при обычной диффузии определяется уравнением Нернста-Планка, которое выводится на основании подстановки и дифференцирования выражения для электрохимического потенциала веществ - в уравнение Теорелла:

ü Z - заряд иона;

ü F =96500 Кл/моль - число Фарадея.

ü φ - электрический потенциал - В (вольт);

ü - градиент электрического потенциала;

и - являются движущими силами транспорта электролитов при пассивном транспорте.

Виды диффузии:

ü обычная (перенос молекул газов О 2 , СО 2, молекул Н 2 О и т.д)

ü облегчённа - осуществляется по градиенту химического (электрохимического) потенциала с участием белка-переносчика.

Свойства облегчённой диффузии:

ü Наличие эффекта насыщения (количество белков-переносчиков в мембране фиксировано);

ü Избирательность (для каждого вещества свой белок-переносчик);

ü Чувствительность к ингибиторам;

Наличие переносчиков изменяет кинетику (скорость) транспорта, и она становится сходной с уравнениями ферментативного катализа, только в роли фермента выступает переносчик, а в роли субстрата – переносимое вещество (S):

- уравнение облегченной диффузии

Кт – константа транспорта соответствует константе Михаэлиса и равна концентрации S при Js=Jmax/2.

Активный транспорт - перенос веществ против градиента химического ((электрохимического потенциала или перенос молекул из мест с меньшей концентрацией вещества в места с большей концентрацией вещества. Это не самопроизвольный процесс (ΔG>0 - энергия Гиббса увеличивается), является сопряжённым.

Первично-активный транспорт - транспорт веществ, сопряжённый с реакцией гидролиза АТФ, в ходе которой выделяется энергия, используемая для транспорта веществ через мембрану против градиента химического потенциала.

Примеры ПАТ:

ü транспорт К + и Na + во внешних цитоплазматических мембранах;

ü транспорт Н + в митохондриях;

ü транспорт Са 2+ во внешних цитоплазматических мембранах.

Вторично-активный транспорт - транспорт веществ, сопряжённый с самопроизвольно протекающим процессом переноса ионов Na + через мембрану по градиенту электрохимического потенциала веществ.

Примеры ВАТ:

ü транспорт сахаров (аминокислот) за счёт энергии градиента электрохимического потенциала ионов Na + (симпорт);

ü Na + - Са 2+ - обмен это транспорт ионов Са 2+ за счёт энергии градиента электрохимического потенциала ионов Na + (антипорт).

Транспортные АТФ-азы прокариотических и эукаритических клеток делятся на 3 типа: P-тип, V-тип, F-тип.

К АТФ-зам цитоплазматической мембраны этого типа относятся:

ü Na,+K+– АТФ-аза

ü Ca 2+– АТФ-аза плазматическая мембрана эукариот

ü H+– АТФ-аза

Внутриклеточные АТФ - азы P–типа :

Ca 2+ – АТФ-аза эндо-(сарко) плазматического ретикулума эукариот.

К+ – АТФ-аза наружных мембран прокариот. Устроены довольно просто, действуют как насос.

АТФ-азы V-типа находятся в мембранах в вакуолях дрожжей, в лизосомах, эндосомах, секреторных гранулах животных клеток (Н+–АТФ-азы).

АТФ-азы F-типа находятся в мембранах бактерий, в хлоропластах, митохондриях.

Ионные каналы (унипорт) классифицируют:

А) по типу ионов: натриевые, калиевые, кальциевые и хлорные каналы;

Б) по способу регуляции:

1) потенциал-чувствительные

2) хемочувствительные (рецептор-управляемые)

3) внутриклеточными веществами (ионами).

В процессе переноса катионов должны выполняться два основных условия (фактора):

1. Стерический – совпадение размеров катиона и гидратной оболочки с размерами канала.

2. Энергетический – взаимодействие катиона с карбоксильными (отрицательно заряженными группировками самого канала).

Различают активный и пассивный перенос (транспорт) нейтральных молекул и ионов через биомембраны . Активный транспорт - происходит при затрате энергии за счет гидролиза АТФ или переноса протона по дыхательной цепи митохондрий. Пассивный транспорт не связан с затратой клеткой химической энергии : он осуществляется в результате диффузии веществ в сторону меньшего электрохимического потенциала.

Примером активного транспорта может служить перенос ионов калия и натрия через цитоплазматические мембраны К - внутрь клетки, а Na - из нее, перенос кальция через саркоплазматического ретикулума скелетных и сердечных мышц внутрь везикул ретикулума, перенос ионов водорода через мембраны митохондрий из матрикса - наружу: все эти процессы происходят за счет энергии гидролиза АТФ и осуществляются особыми ферментами - транспортными АТФ-фазами. Наиболее известный пример пассивного транспорта - это движение ионов и калия через цитоплазматическую мембрану нервных волокон при распространении потенциала действия.

Пассивный перенос веществ через биомембраны. Диффузия незаряженных молекул.

Принято различать следующие типы пассивного переноса веществ (включая ионы) через мембраны:

2. Перенос через поры (каналы)

3. Транспорт с помощью переносчиков за счет:

а) диффузии переносчика вместе с веществом в мембране (подвижный переносчик);

б) эстафетной передачи вещества от одной молекулы переносчика к другой, молекулы переносчика образуют временную цепочку поперек мембраны.

Перенос по механизму 2 и 3 называют иногда облегченной диффузией.

Транспорт неэлектролитов путем простой и облегченной диффузии

Различные вещества переносятся через мембраны по двум основным механизмам: путем диффузии (пассивного транспорта) и путем активного транспорта. Проницаемость мембран для различных растворенных веществ зависит от размеров и заряда этих молекул. Поскольку внутренняя область мембран состоит из углеводородных цепей, многие малые нейтральные и неполярные молекулы могут проходить через бимолекулярную мембрану путем обычной диффузии. Иначе можно сказать, что эти молекулы растворимы в мембране.

Наиболее важное из этих веществ - глюкоза , которая переносится через мембраны только в комплексе с молекулой-переносчиком. В этой роли обычно выступает белок. Комплекс глюкозы с переносчиком легко растворяется в мембране и может поэтому диффундировать через мембрану. Такой процесс называется облегченной диффузией . Суммарная скорость транспорта глюкозы резко повышается в присутствии гормона инсулина. Пока не совсем ясно, состоит ли действие инсулина в повышении концентрации переносчика или этот гормон стимулирует образование комплекса между глюкозой и переносчиком.

Основным механизмом пассивного транспорта веществ, обусловленным наличием концентрационного градиента, является диффузия.

Диффузия - это самопроизвольный процесс проникновения вещества из области большей в область меньшей его концентрации в результате теплового хаотического движения молекул.

Математическое описание процесса диффузии дар Рик. Согласно закона Рика, скорость диффузии прямо пропорциональна градиенту концентрации и площади S , через которую осуществляется диффузия:

Знак минус в правой части уравнения показывает, что диффузия происходит из области большей концентрации в область меньшей концентрации вещества.

«D» называется коэффициентом диффузии . Коэффициент диффузии численно равен количеству вещества, диффундирующего в единицу времени через единицу площади при градиенте концентрации, равном единице. «D» зависит от природы вещества и от температуры. Он характеризует способность вещества к диффузии.

Так как концентрационный градиент клеточной мембраны определить трудно, то для описания диффузии веществ через клеточные мембраны пользуются более простым уравнением, предложенным Коллеидером и Берлундом:

где С 1 и С 2 - концентрации вещества по разные стороны мембраны, Р - коэффициент проницаемости, аналогичный коэффициенту диффузии. В отличие от коэффициента диффузии, который зависит только от природы вещества и температуры, «Р» зависит еще и от свойств мембраны и от ее функционального состояния.

Проникновение растворенных частиц, обладающих электрическим зарядом, через клеточную мембрану зависит не только от концентрационного градиента мембраны. В связи с этим перенос ионов может осуществляться в направлении, противоположном концентрационному градиенту, при наличии противоположно направленного электрического градиента. Совокупность концентрационного и электрического градиентов называется электрохимическим градиентом. Пассивный транспорт ионов через мембраны всегда происходит по электрохимическому градиенту.

Основными градиентами, присущими живым организмам, являются концентрационные, осмотические, электрические и градиенты гидростатического давления жидкости.

В соответствии с этим градиентом имеются следующие виды пассивного транспорта веществ в клетках и тканях: диффузия, осмос, электроосмос и аномальный осмос, фильтрация.

Большое значение для жизнедеятельности клеток имеет явление сопряженного транспорта веществ и ионов, которое заключается в том, что перенос одного вещества (иона) против электрохимического потенциала («в гору») обусловлен одновременным переносом другого иона через мембрану в направлении снижения электрохимического потенциала («под гору»). Схематически это представлено на рисунке. Работу транспортных АТФ-аз и перенос протонов при работе дыхательной цепи митохондрий часто называют первичным активным транспортом, а сопряженный с ним перенос веществ - вторичным активным транспортом.

Явление переноса. Общее уравнение переноса.

Группа явлений, обусловленных хаотическим движением молекул и приводящих при этом к передаче массы, кинетической энергии и импульса, называется явлением переноса .

К ним относят диффузию - перенос вещества, теплопроводимость - перенос кинетической энергии и внутреннее трение - перенос импульса.

Общее уравнение переноса, описывающее эти явления, можно получить на основе молекулярно-кинетической теории.

Пусть через площадку площадью «S» (рисунок) переносится некоторая физическая величина в результате хаотического движения молекул.

На расстояниях, равных средней длине свободного пробега , вправо и влево от площадки построим прямоугольные параллелепипеды небольшой толщины «l » (l << ). Объем каждого параллелепипеда равен

V = S l.

Если концентрация молекул равна «п », то внутри выделенного параллелепипеда имеется «S l п » молекул.

Все молекулы из-за их хаотического движения можно условно представить шестью группами, каждая из которых перемещается вдоль или против направления одной из осей координат. То есть в направлении, перпендикулярном площадке «S », перемещается молекул. Так как объем «1» находится на расстоянии от площадки «S », то эти молекулы достигнут ее без соударения. Такое же число молекул достигнет площадки «S » слева.

Каждая молекула способна перенести некоторую величину «Z» (масса, импульс, кинетическая энергия), а все молекулы - или , где H = n Z - физическая величина, переносимая молекулами, заключенными в единичном объеме. В результате сквозь площадку «S » из объемов 1 и 2 за промежуток времени «Dt» переносится величина

Чтобы определить время «Dt», предположим, что все молекулы из выделенных объемов движутся с одинаковыми средними скоростями . Тогда молекулы в объеме 1 или 2, дошедшие до площадки «S », пересекают ее в течение промежутка времени

Разделив (1) на (2), получим, что переносимая за интервал времени «Dt» величина равна

Изменение величины «Н» на единице длины «dx» называют градиентом величины «Н». Так как (Н 1 - Н 2) - изменение «Н» на расстоянии, равном 2 , то

После подстановки (4) в (3) и умножения полученного уравнения на время найдем поток непереносимой физической величины «Н» за промежуток времени «Dt» сквозь площадь «S»:

Это общее уравнение переноса, используемое при изучении диффузии, теплопроводимости, вязкости.

Диффузия. Пассивный перенос неэлектолитов через биомембраны, уравнение Рика. Транспорт неэлектролитов через мембраны путем простой и облегченной (в комплексе с переносчиком) диффузии .

Диффузия - это процесс, который приводит к самопроизвольному уменьшению градиентов концентраций в растворе, пока не установится однородное распределение частиц. Процесс диффузии играет важную роль во многих химических и биологических системах. Именно диффузией, например, определяется в основном доступ двуокиси углерода к активным фотосинтетическим структурам в хлоропластах. Для понимания особенностей транспорта растворенных молекул через клеточные мембраны необходимы детальные сведения о диффузии. Рассмотрим некоторые основные принципы диффузии в растворах.

Представим себе сосуд, в левой части которого находится чистый растворитель, а в правой - раствор, приготовленный с тем же растворителем. Пусть сначала эти две части сосуда разделены плоской вертикальной стенкой. Если теперь убрать стенку, то вследствие беспорядочного движения молекул во всех направлениях граница между раствором и растворителем будет смещаться влево до тех пор, пока вся система не станет однородной. В 1855 году Рик, изучая диффузионные процессы, обнаружил, что скорость диффузии, то есть число молекул растворенного вещества «п», пересекающих вертикальную плоскость в единицу времени, прямо пропорционально площади сечения «S» и градиенту концентрации . Таким образом,

где D - коэффициент диффузии (измеряется в м 2 /с в «СИ»). Знак минус указывает на то, что диффузия идет из области высокой концентрации в область низкой концентрации. Это означает, что градиент концентрации в направлении диффузии отрицателен. Уравнение (1) известно под названием первого закона диффузии Рика. Физические законы представляют собой интуитивные заключения, которые нельзя вывести из более простых утверждений и следствия из которых не противоречат эксперименту. К числу таких заключений относятся законы механики и термодинамики; таков же и закон Рика.

Рассмотрим теперь процесс диффузии несколько подробнее. Выделим в пространстве элемент объема «S × dx », как показано на рисунке

Скорость, с которой молекулы растворенного вещества входят в элемент объема через сечение «х», равна Скорость изменения градиента концентрации по мере изменения «х» равна

Поэтому скорость, с которой молекулы растворенного вещества покидают элемент объема через сечение, удаленное от первого на «dx», равна

Скорость накопления молекул растворенного вещества в элементе объема представляет собой разность этих двух величин:

Однако та же самая скорость накопления частиц равна , так что можно написать

Уравнение (6) под названием уравнения диффузии или второго закона диффузии Рика, из которого следует, что изменение концентрации во времени на некотором расстоянии «х» от начальной плоскости пропорционально скорости изменения градиента концентрации в направлении «х» в момент «t».

Для решения уравнения (6) требуется использовать специальные методы (разработанные Рурье), описание которых опускаем, получаемый результат имеет простой вид:

где С 0 - исходная концентрация вещества в точке начала отсчета в нулевой момент времени.

По уравнению (7) можно построить график зависимости градиента концентрации от координаты «х» при различных временах «t». Оптическими методами (например, путем измерения показателя преломления) можно определить градиенты концентрации на различных расстояниях от границы, по которой началась диффузия.

Молекулярный механизм активного транспорта ионов

Известны четыре основных системы активного транспорта ионов в живой клетке, три из которых обеспечивают перенос ионов натрия, калия, кальция и протонов через биологические мембраны за счет энергии гидролиза АТФ в результате работы специальных ферментов переносчиков, которые называются транспортными АТФ-азами. Четвертый механизм - перенос протонов при работе дыхательной цепи митохондрий - пока изучен недостаточно. Наиболее сложно из транспортных АТФ-аз устроена Н + - АТФ-аза, состоящая из нескольких субъединиц, самая простая - Са 2+ АТФ-аза, состоящая из одной полипептидной цепи (субъединицы) с молекулярной массой около 100000. Рассмотрим механизм переноса ионов кальция этой АТФ-азой.

Первый этап работы Са 2+ АТФ-зы - связывание субстратов: Са 2+ и АТФ в комплексе с Мg 2+ (Мg АТФ). Эти два лиганда присоединяются к различным центрам на поверхности молекулы фермента, обращенной наружу пузырька саркоплазматического ретикулума (СР).

Лиганд - малая молекула (ион, гормон, лекарственный препарат и др.).

Второй этап работы фермента - гидролиз АТФ. При этом происходит образование энзим - фосфатного комплекса (Е-Р).

Третий этап работы фермента - переход центра связывания Са 2+ на другую сторону мембраны - транслокация.

Высвобождение энергии макроэргической связи происходит на четвертом этапе работы Са 2+ АТФ-азы при гидролизе Е-Р. Эта энергия отнюдь не растрачивается вхолостую (т.е. не переходит в тепло), а используется на изменение константы связывания ионов кальция с ферментом. Перенос кальция с одной стороны мембраны на другую связан, таким образом, с затратой энергии, которая может составить 37,4 - 17,8 = 19,6 кДж/моль. Ясно, что энергия гидролиза АТФ хватает на перенос двух ионов кальция.

Перенос кальция из области меньшей (1-4 х 10 -3 М) в область больших концентраций (1-10 х 10 -3 М) - это и есть та работа, которую совершает Са - транспортная АТФ-аза в мышечных клетках.

Для повторения цикла требуется возвращение кальций-связывающих центров изнутри наружу, то есть еще одно конформационное изменение а молекуле фермента.

Молекулярный механизм работы этих двух "насосов" во многом близок.

Основные этапы работы Na + K + АТФаз таковы:

1. Присоединение снаружи двух ионов K + и одной молекулы Mg 2+ АТФ:

2 K + + Mg АTФ + E ® (2 K +)(Mg АТФ)E

2. Гидролиз АТФ и образование энзим-фосфата:

(2 K +)(Mg АТФ)E ® Mg АТФ + (2 K +)E - P

3. Перенос центров связывания K + внутрь (транслокация 1):

(2 K +)E - P ® E - P(2 K +)

4. Отсоединение обоих ионов калия и замена этих ионов тремя ионами Na, находящимися внутри клетки:

E - P(2 K +) + 3 Na i + ® E - P(3 Na +) + 2 K + i

5. Гидролиз E - P:

E - P(3 Na +) ® E(3 Na +) + P (фосфат)

6. Перенос центров связывания вместе с ионами Na + наружу (транслокация 2):

E(3 Na +) ® (3 Na +)E

7. Отщепление 3 Na + и присоединение 2 K + снаружи:

2 K 0 + + 3 Na + (E) ® 3 Na + + (2 K +)E

Перенос 2 K + внутрь клетки и выброс 3 Na + наружу приводит в итоге к переносу одного положительного иона из цитоплазмы в окружающую среду, а это способствует появлению мембранного потенциала (со знаком "минус" внутри клетки).

Таким образом, Na + K + насос является электрогенным.

Проницаемость

Проницаемость - это способность клеток и тканей поглощать, выделять и транспортировать химические вещества, пропуская их через мембраны клеток, стенки сосудов и клетки эпителия. Живые клетки и ткани находятся в состоянии непрерывного обмена химическими веществами с окружающей средой, получая из нее продукты питания и выводя в нее продукты метаболизма. Основным диффузионным барьером на пути движения веществ является клеточная мембрана. В 1899 году Овертон обнаружил, что дегкость прохождения веществ через клеточную мембрану зависела от способности этих веществ растворяться в жирах. В то же время ряд полярных веществ проникал в клетки независимо от растворимости в жирах, что можно было объяснить существованием в мембранах водных пор.

В настоящее время различают пассивную проницаемость, активный транспорт веществ и особые случаи проницаемости, связанные с фагоцитозом и пиноцитозом.

Основные виды диффузии - это диффузия веществ путем растворения в липидах мембраны, диффузия веществ через полярные поры, диффузия ионов через незаряженные поры. Особыми видами диффузии являются облегченная и обменная. Она обеспечивается особыми жирорастворимыми веществами-переносчиками, которые способны связать переносимое вещество по одну сторону мембраны, диффундировать с ним через мембрану и освобождать по другую сторону мембраны. Роль специфических переносчиков иона выполняют некоторые антибиотики, получившие название ионофорных (валиномин, нигерицин, моненсин, поеновые антибиотики нистатин, аифотерицин В и ряд других).

Ионофоры могут быть разделены в свою очередь на три класса в зависимости от заряда переносчика и структуры кольца: нейтральный переносчик с замкнутым ковалентной связью кольцом (валиномицин, нактины, полиэфиры), заряженный переносчик с кольцом, замкнутым водородной связью (нигерицин, монензин). Заряженные переносчики с трудом проникают в заряженной форме через модельные и биологические мембраны, в то же время в нейтральной форме они свободно диффундируют в мембране. Нейтральная форма образуется путем формирования комплекса анионной формы переносчика с катионом. Таким образом, заряженные переносчики способны обменивать катионы, находящиеся преимущественно по одну сторону мембраны на катионы расвора, омывающего противоположную сторону мембраны.

Наиболее распространенным видом пассивной диффузии клеточных мембран является порная. В пользу реально существующего порного механизма проницаемости свидетельствуют данные об осмотических свойствах клеток.

Классическое уравнение осмотического давления:

где p - осмотическое давление, с - концентрация растворенного вещества, R - газовая константа, T - абсолютная температура, включает дополнительный член s, изменяющийся от нуля до 1. Эта константа, получившая название коэффициента отражения, соответствует легкости прохождения через мембрану растворенного вещества в сравнении с прохождением молекулы воды.

Вид проницаемости, свойственный только живым клеткам и тканям, получил название активного транспорта. Активный транспорт - это перенос вещества через клеточную мембрану из окружающего раствора (гомоцеллюлярный активный транспорт) или через клеточный активный транспорт, протекающий против градиента электрохимической активности вещества с затратой свободной энергии организма. В настоящее время доказано, что молекулярная система, отвечающая за активный транспорт веществ, находится в клеточной мембране.

В настоящее время доказано, что основным элементом ионного насоса является Na + K + АТФ-аза. Изучение свойств этого мембранного фермента показало, что фермент только в присутствии ионов калия и натрия, причем ионы натрия активизируют фермент со стороны цитоплазмы, а ионы - из окружающего раствора. Специфическим ингибитором фермента является снрдечный гликозид-суабаин. В мембранах митохондрий известна другая молекулярная система, обеспечивающая откачку ионов водорода фермент H + - АТФ-аза.

П. Митчел, автор хемиосмотической теории окислительного фосфолирования в митохондриях, ввел понятие вторичного активного транспорта веществ. Известны три способа трансмембранного переноса ионов в сопрягающих мембранах. Однонаправленный перенос ионов в направлении электрохимического градиента путем свободной диффузии или с помощью специфического переносчика - унипорт. В последнем случае унипорт идентичен облегченной диффузии. Более сложная ситуация возникает в том случае, когда два вещества взаимодействуют с одним и тем же переносчиком. Этот случай симпорт подразумевает обязательное сопряжение потоков двух веществ в процессе переноса их через мембрану в одном направлении. Симпорт двух ионов электрически нейтрален, но осмотический баланс при этом нарушается.

Следует подчеркнуть, что при симпорте электрохимический градиент, определяющий движение одного из ионов (например иона натрия или иона водорода) может быть причиной движения другого вещества (например молекул сазара или аминокислот), которое переносится общим переносчиком. Третий вид ионного сопряжения - актипорт - характеризует ситуацию, в которой два иона одного знака уравновешиваются через мембрану таким образом, что перенос одного из них требует переноса другого в противоположном направлении. Перенос в целом электронейтрален и осмотически уравновешен. Это вид переноса идентичен обменной диффузии.

Менее изучены два особых вида проницаемости - фагоцитоза - процесса захвата и поглощения крупных твердых частиц, и пиноцитоза - процесса захвата и поглощения частью клеточной поверхности окружающей жидкости с растворенными в ней веществами.

Все виды проницаемости в той или иной степени характерны для многоклеточных тканей мембран стенок кровеносных сосудов, эпителия почек, слизистой кишечника и желудка.

Для изучения пассивной и активной проницаемости используются различные кинетические методы. Наибольшее распространение получил метод меченных атомов.

Широко используются при исследовании проницаемости витальные красители. Сущность метода заключается в наблюдении с помощью микроскопа скорости проникновения молекул красителя внутрь клетки. В настоящее время широко используются флоурасцентные метки и среди них флуоресцин натрия, хлортетрациклин и др. Большая заслуга в развитии метода витальных красителей принадлежит Д.Н. Насонову, В.Я. Александрову и А.С. Трошину.

Осмотические свойства клеток и субклеточных частиц позволяет использовать это качество для изучения проницаемости воды и растворимых в ней веществ. Сущность осмотического метода заключается в том, что с помощью микроскопа или измерения светорассеяния суспензии частиц наблюдают изменение объема частиц в зависимости от тоничности окружающего раствора.

Все более широко для изучения клеточных мембран применяют потенциометрические методы. Широкий набор ионоспецифичных электродов позволяет исследовать кинетику транспорта многих ионов - K + , Na + , Ca 2+ , H + , CI - и др., а также органических ионов - ацетата, салицилатов и др.

Активный транспорт против пассивного транспорта

Каждое живое существо или вещь состоит из клеток. Тела растений и животных, от микроорганизмов, наименьших бактерий до самого большого животного, все состоят из клеток. Здоровье этих клеток жизненно важно для их роста и развития. Чтобы накормить наши клетки питательными веществами и другими веществами, которые им нужны, наши тела разработали транспортную систему. Они подразделяются на две, активные и пассивные транспортные системы.

Хотя эти две транспортные системы имеют одинаковую функцию, они работают по-разному друг от друга, и для того, чтобы лучше понять их различия, важно узнать, как работают клетки в наших телах.

Мы едим, чтобы питать наши тела, чтобы они были крепкими и здоровыми; и пища, которую мы берем в наше тело, превращается в вещества для легкого поглощения в клеточных мембранах. Концентрация веществ в наших клетках существенно отличается друг от друга.

Концентрация веществ внутри клеток обычно выше и более концентрирована, чем те, которые находятся за ее пределами. Это может также произойти в обратном порядке в зависимости от биологических факторов, влияющих на них. Из-за этой разницы в градиентах концентрации необходима транспортная система.

В тех случаях, когда клетка хочет транспортировать определенное вещество к себе, его белковые и натриевые насосы требуют больше энергии для того, чтобы функционировать и успешно транспортировать вещество. Этот химический источник энергии называется аденозинтрифосфатом (АТФ), важным компонентом активного транспорта. На самом деле существуют два типа активного транспорта: первичный активный транспорт, который использует АТФ и вторичный активный транспорт, который использует электрохимические градиенты.

В тех случаях, когда клетка хочет транспортировать определенное вещество изнутри себя наружу, учитывая тот факт, что транспортируемое вещество является более концентрированным, чем вещества снаружи, энергия не требуется. Это связано с тем, что транспорт будет следовать вдоль благоприятного градиента концентрации. Это называется пассивным транспортом.

Следовательно, активный транспорт - это перемещение вещества или веществ против его градиентов концентрации. Это обычно происходит, когда клеткам нужны высокие концентрации молекул, например, когда глюкоза транспортируется в кишечник и когда минеральные ионы переносятся на корни растений.

Пассивный транспорт - это движение веществ вдоль градиента концентрации, то есть от более высокого концентрационного градиента до более низкого. Движение происходит автоматически и зависит от поры или отверстий в клеточной мембране и ее содержания липидов и белков. Диффузия, облегченная диффузия, фильтрация и осмос, являются четырьмя основными видами пассивного транспорта.

1. Активный транспорт требует энергии и использует химические источники энергии, в то время как пассивный транспорт не потому, что он следует правилу нормальной диффузии или нормальному процессу смешивания веществ вместе. 2. Активный транспорт - это перенос веществ с более низкого концентрационного градиента на более высокий, в то время как пассивный транспорт - это перенос веществ с более высокого концентрационного градиента на более низкий. 3. Активный транспорт включает в себя движение против потока, в то время как пассивный транспорт идет по нему.

Транспорт веществ внутрь и наружу клетки, а также между цитоплазмой и различными субклеточными органеллами (митохондриями, ядром и т.д.) обеспечивается мембранами. Если бы мембраны были глухим барьером, то внутриклеточное пространство оказалось бы недоступным для питательных веществ, а продукты жизнедеятельности не могли бы быть удалены из клетки. В то же время при полной проницаемости было бы невозможно накопление определенных веществ в клетке. Транспортные свойства мембраны характеризуются полупроницаемостью : некоторые соединения могут проникать через нее, а другие - нет:

Проницаемость мембран для различных веществ

Одна из главных функций мембран - регуляция переноса веществ. Существуют два способа переноса веществ через мембрану: пассивный и активный транспорт:

Транспорт веществ через мембраны

Пассивный транспорт . Если вещество движется через мембрану из области с высокой концентрацией в сторону низкой концентрации (т.е. по градиенту концентрации этого вещества) без затраты клеткой энергии, то такой транспорт называется пассивным, или диффузией . Различают два типа диффузии: простую и облегченную .

Простая диффузия характерна для небольших нейтральных молекул (H2O, CO2, O2), а также гидрофобных низкомолекулярных органических веществ. Эти молекулы могут проходить без какого-либо взаимодействия с мембранными белками через поры или каналы мембраны до тех пор, пока будет сохраняться градиент концентрации.

Облегченная диффузия . Характерна для гидрофильных молекул, которые переносятся через мембрану также по градиенту концентрации, но с помощью специальных мембранных белков - переносчиков. Для облегченной диффузии, в отличие от простой, характерна высокая избирательность, так как белок переносчик имеет центр связывания комплементарный транспортируемому веществу, и перенос сопровождается конформационными изменениями белка. Один из возможных механизмов облегченной диффузии может быть следующим: транспортный белок (транслоказа ) связывает вещество, затем сближается с противоположной стороной мембраны, освобождает это вещество, принимает исходную конформацию и вновь готов выполнять транспортную функцию. Мало известно о том, как осуществляется передвижение самого белка. Другой возможный механизм переноса предполагает участие нескольких белков-переносчиков. В этом случае первоначально связанное соединение само переходит от одного белка к другому, последовательно связываясь то с одним, то с другим белком, пока не окажется на противоположной стороне мембраны.

Активный транспорт имеет место в том случае, когда перенос осуществляется против градиента концентрации. Такой перенос требует затраты энергии клеткой. Активный транспорт служит для накопления веществ внутри клетки. Источником энергии часто является АТР. Для активного транспорта кроме источника энергии необходимо участие мембранных белков. Одна из активных транспортных систем в клетке животных отвечает за перенос ионов Na+ и K+ через клеточную мембрану. Эта система называется Na+ - K+ - насос. Она отвечает за поддержание состава внутриклеточной среды, в которой концентрация К+ выше, чем Na+ :

Механизм действия Na+, K+-АТР-азы

Градиент концентрации калия и натрия поддерживается путем переноса К+ внутрь клетки, а Na+ наружу. Оба транспорта происходят против градиента концентрации. Такое распределение ионов определяет содержание воды в клетках, возбудимость нервных клеток и клеток мышц и другие свойства нормальных клеток. Na+ ,K+ -насос представляет собой белок - транспортную АТР-азу . Молекула этого фермента является олигомером и пронизывает мембрану. За полный цикл работы насоса из клетки в межклеточное вещество переносится три иона Na+, а в обратном направлении - два иона К+. При этом используется энергия молекулы АТР. Существуют транспортные системы для переноса ионов кальция (Са2+ - АТР-азы), протонные насосы (Н+ - АТР-азы) и др. Симпорт это активный перенос вещества через мембрану, осуществляемый за счет энергии градиента концентрации другого вещества. Транспортная АТР-аза в этом случае имеет центры связывания для обоих веществ. Антипорт - это перемещение вещества против градиента своей концентрации. При этом другое вещество движется в противоположном направлении по градиенту своей концентрации. Симпорт и антипорт могут происходить при всасывании аминокислот из кишечника и реабсорбции глюкозы из первичной мочи. При этом используется энергия градиента концентрации ионов Na+, создаваемого Na+, K+-АТР-азой.

К мембранным белкам относятся белки, которые встроены в клеточную мембрану или мембрану клеточной органеллы или ассоциированы с таковой. Около 25 % всех белков являются мембранными.

[показать]

Классификация[править | править вики-текст]

Мембранные белки могут быть классифицированы по топологическому или биохимическому принципу. Топологическая классификация основана на том, сколько раз белок пересекает липидный бислой. В соответсвии с этим критерием белки подразделяются намонотопические , битопические и политопические :

·монотопические белки взаимодействуют с одной поверхностью мембраны и не пересекаю её;

·битопические пронизывают мембрану насквозь и взаимодействуют с обеими её поверхностями;

·политопические пронизывают мембрану несколько раз (многократное взаимодействие с липидами).

Понятно, что первые относятся к периферическим белкам, а вторые и третьи к интегральным.

Различные категории политопических белков. Связывание с мембраной за счёт (1) единичной трансмембранной альфа-спирали, (2) множественных трансмембранных альфа-спиралей, (3) бета-складчатой структуры.

Различные категории интегральных монотопических белков. Связывание с мембраной за счёт (1) амфипатической альфа-спирали, параллельной плоскости мембраны, (2) гидрофобной петли, (3) ковалентно соединённогожирнокислотного остатка, (4) электростатического взаимодействия (прямого или кальций-опосредованного).

Топологическая классификация[править | править вики-текст]

По отношению к мембране мембранные белки делятся на поли- и монотопические.

·Политопические, или трансмембранные, белки полностью пронизывают мембрану и, таким образом, взаимодействуют с обеими сторонами липидного бислоя. Как правило, трансмембранный фрагмент белка является альфа-спиралью, состоящей из гидрофобных аминокислот (возможно от 1 до 20 таких фрагментов). Только у бактерий, а также вмитохондриях и хлоропластах трансмембранные фрагменты могут быть организованы как бета-складчатая структура(от 8 до 22 поворотов полипептидной цепи).

·Интегральные монотопические белки постоянно встроены в липидный бислой, но соединены с мембраной только на одной стороне, не проникая на противоположную сторону.

Биохимическая классификация[править | править вики-текст]

По биохимической классификации мембранные белки делятся на интегральные и периферические .

·Интегральные мембранные белки прочно встроены в мембрану и могут быть извлечены из липидного окружения только с помощью детергентов или неполярных растворителей. По отношению к липидному бислою интегральные белки могут быть трансмембранными политопическими или интегральными монотопическими.

·Периферические мембранные белки являются монотопическими белками. Они либо связаны слабыми связями с липидной мембраной, либо ассоциируют с интегральными белками за счёт гидрофобных, электростатических или других нековалентных сил. Таким образом, в отличие от интегральных белков они диссоциируют от мембраны при обработке соответствующим водным раствором (например, с низким или высоким pH, с высокой концентрацией соли или под действием хаотропного агента). Эта диссоциация не требует разрушения мембраны.

Мембранные белки могут быть встроены в мембрану за счёт жирнокислотных или пренильных остатков либогликозилфосфатидилинозитола, присоединённых к белку в процессе их посттрансляционной модификации.

7)Углеводная часть гликолипидов и гликопротеинов плазматической мембраны всегда находится на наружной поверхности мембраны, контактируя с межклеточным веществом. Углеводы плазматической мембраны выполняют роль специфических лигандов для белков. Они образуют участки узнавания, к которым присоединяются определенные белки; присоединившийся белок может изменить функциональное состояние клетки.

Функции углеводов.

В наружной мембране эритроцитов некоторые полисахариды содержат N-аце-тилнейраминовую кислоту на концах цепей. Если эритроциты выделить из крови, обработать in vitro нейраминидазой, отщепляющей N-ацетилнейраминовую кислоту от мембранных углеводов, и вновь ввести в кровь тому же животному, то обнаруживается, что время полужизни таких эритроцитов в крови уменьшается в несколько раз: они задерживаются в селезенке и разрушаются. Как выяснилось, в клетках селезенки есть рецептор, узнающий углевод, который утратил концевые остатки нейраминовой кислоты. Возможно, что такой механизм обеспечивает отбор селезенкой «состарившихся» эритроцитов и их разрушение.
Известно, что в суспензии клеток, выделенных из какой-либо ткани, через некоторое время образуются агрегаты клеток, причем в каждом агрегате, как правило, оказываются клетки одного типа. Например, в суспензии клеток, полученных из гаструлы, образуется три вида агрегатов: каждый из них содержит клетки, принадлежащие одному и тому же зародышевому листку - эктодерме, мезодерме или эндодерме. Узнавание между клетками обеспечивается, в частности, взаимодействием мембранных углеводов одной клетки с белками-рецепторами другой клетки (рис. 9.39). Эти механизмы узнавания могут участвовать в таких процессах, как гистогенез и морфогенез. Однако есть и другие механизмы, обеспечивающие межклеточные контакты.
Полисахариды клеточной мембраны наряду с белками выполняют роль антигенов при развитии клеточного иммунитета, в том числе при реакции отторжения трансплантата. Они также служат местами узнавания при заражении патогенными вирусами и микроорганизмами. Например, вирус гриппа при проникновении в клетку сначала присоединяется к ее мембране, взаимодействуя с полисахаридом определенной структуры.

8)леточные мембраны обладают избирательной проницаемостью: через них медленно диффундируют глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты, глицерол и ионы, причем сами мембраны в известной мере активно регулируют этот процесс - одни вещества пропускают, а другие нет. Существует четыре основных механизма для поступления веществ в клетку или вывода их из клетки наружу: диффузия, осмос, активный транспорт и экзо- или эндоцитоз. Два первых процесса носят пассивный характер, то есть не требуют затрат энергии; два последних - активные процессы, связанные с потреблением энергии.

Избирательная проницаемость мембраны при пассивном транспорте обусловлена специальными каналами - интегральными белками. Они пронизывают мембрану насквозь, образовывая своего рода проход. Для элементов K, Na и Cl есть свои каналы. Относительно градиента концентрации молекулы этих элементов движутся в клетку и из неё. При раздражении каналы натриевых ионов раскрываются, и происходит резкое поступление в клетку ионов натрия. При этом происходит дисбаланс мембранного потенциала. После чего мембранный потенциал восстанавливается. Каналы калия всегда открыты, через них в клетку медленно попадают ионы калия