Пасивният транспорт е транспортът на вещества по градиент на концентрация, който не изисква енергия. Пасивен транспорт на хидрофобни вещества се осъществява през липидния двоен слой. Всички канални протеини и някои транспортери преминават вещества през тях пасивно. Пасивният транспорт, включващ мембранни протеини, се нарича улеснена дифузия.
Други протеини-носители (понякога наричани протеини на помпата) транспортират вещества през мембраната, използвайки енергия, която обикновено се доставя от хидролизата на АТФ. Този вид транспорт се осъществява срещу градиента на концентрацията на транспортираното вещество и се нарича активен транспорт.
Симпорт, антипорт и унипорт
Мембранният транспорт на вещества също се различава по посоката на тяхното движение и количеството вещества, пренасяни от даден носител:
1) Uniport - транспорт на едно вещество в една посока в зависимост от градиента
2) Symport - транспорт на две вещества в една посока чрез един носител.
3) Антипорт - движение на две вещества в различни посоки чрез един носител.
Унипортосъществява, например, зависим от напрежението натриев канал, през който натриевите йони се движат в клетката по време на генерирането на потенциал за действие.
Симпортизвършва глюкозен транспортер, разположен от външната (с лице към чревния лумен) страна на чревните епителни клетки. Този протеин едновременно улавя молекула глюкоза и натриев йон и, променяйки конформацията, пренася и двете вещества в клетката. Това използва енергията на електрохимичния градиент, който от своя страна се създава поради хидролизата на АТФ от натриево-калиевата АТФаза.
Антипортизвършва се, например, от натриево-калиева АТФ-аза (или натрий-зависима АТФ-аза). Той транспортира калиеви йони в клетката. а от клетката – натриеви йони.
Работата на натриево-калиевата atPase като пример за антипорт и активен транспорт
Първоначално този транспортер свързва три йона към вътрешната страна на мембраната Na+ . Тези йони променят конформацията на активния център на ATPase. След такова активиране АТФ-азата е в състояние да хидролизира една АТФ молекула и фосфатният йон се фиксира върху повърхността на транспортера от вътрешната страна на мембраната.
Освободената енергия се изразходва за промяна на конформацията на АТФ-аза, след което три йона Na+ и йонът (фосфат) се озовава от външната страна на мембраната. Ето йоните Na+ се отделят и заместват с два йона К+ . След това конформацията на носителя се променя до първоначалната, а йоните К+ се появяват от вътрешната страна на мембраната. Ето йоните К+ се отделят и носачът е готов за работа отново.
По-накратко, действията на ATPase могат да бъдат описани, както следва:
1) „Взема“ три йона от вътрешността на клетката Na+, след това разделя молекулата на АТФ и прикрепя фосфат
2) „Изхвърля“ йони Na+ и добавя два йона К+ от външната среда.
3) Прекъсва фосфата, два йона К+ хвърля в клетката
В резултат на това се създава висока концентрация на йони в извънклетъчната среда Na+ , а вътре в клетката има висока концентрация К+ . работа Na + , К+ - ATPase създава не само разлика в концентрацията, но и разлика в заряда (работи като електрогенна помпа). От външната страна на мембраната се създава положителен заряд, а отвътре - отрицателен.
Въведение
Мембранният транспорт е транспортирането на вещества през клетъчната мембрана във или извън клетката, осъществявано чрез различни механизми – проста дифузия, улеснена дифузия и активен транспорт.
Най-важното свойство на биологичната мембрана е нейната способност да пропуска различни вещества в и извън клетката. Това е от голямо значение за саморегулацията и поддържането на постоянен клетъчен състав. Тази функция на клетъчната мембрана се изпълнява благодарение на селективната пропускливост, т.е. способността да пропуска някои вещества, а не други.
Пасивен транспорт
Има пасивен и активен транспорт. Пасивният транспорт се извършва без консумация на енергия по електрохимичен градиент. Пасивните включват дифузия (проста и улеснена), осмоза, филтрация. Активният транспорт изисква енергия и протича срещу концентрация или електрически градиенти.
Видове пасивен транспорт
Видове пасивен транспорт на вещества:
- Проста дифузия
- · Осмоза
- Йонна дифузия
- Улеснена дифузия
Проста дифузия
Дифузията е процесът, при който газ или разтворени вещества се разпространяват, за да запълнят целия наличен обем.
Молекулите и йоните, разтворени в течност, са в хаотично движение, сблъсквайки се една с друга, молекулите на разтворителя и клетъчната мембрана. Сблъсъкът на молекула или йон с мембрана може да има два резултата: молекулата или ще „отскочи“ от мембраната, или ще премине през нея. Когато вероятността от последното събитие е висока, се казва, че мембраната е пропусклива за веществото.
Ако концентрацията на вещество от двете страни на мембраната е различна, възниква поток от частици, насочен от по-концентриран разтвор към разреден. Дифузията се извършва, докато концентрацията на веществото от двете страни на мембраната се изравни. През клетъчната мембрана преминават както силно разтворими във вода (хидрофилни), така и слабо или напълно неразтворими в нея хидрофобни вещества.
Хидрофобни, силно липидоразтворими вещества дифундират поради разтваряне в мембранните липиди. Водата и силно разтворимите в нея вещества проникват през временни дефекти във въглеводородната област на мембраната, т.нар. прегъвания, както и през пори, постоянно съществуващи хидрофилни зони на мембраната.
Когато клетъчната мембрана е непропусклива или слабо пропусклива за разтворено вещество, но пропусклива за вода, тя е обект на осмотични сили. При по-ниска концентрация на дадено вещество в клетката, отколкото в околната среда, клетката се свива; ако концентрацията на разтвореното вещество в клетката е по-висока, водата се втурва в клетката.
Осмозата е движението на молекули вода (разтворител) през мембрана от зона с по-ниска към област с по-висока концентрация на разтворено вещество. Осмотичното налягане е минималното налягане, което трябва да се приложи към разтвор, за да се предотврати преминаването на разтворителя през мембраната в разтвор с по-висока концентрация на веществото.
Молекулите на разтворителя, подобно на молекулите на всяко друго вещество, се задвижват от сила, възникваща в резултат на разлика в химичните потенциали. Когато дадено вещество се разтвори, химическият потенциал на разтворителя намалява. Следователно в област, където концентрацията на разтвореното вещество е по-висока, химическият потенциал на разтворителя е по-нисък. Така молекулите на разтворителя, преминавайки от разтвор с по-ниска концентрация към разтвор с по-висока концентрация, се движат в термодинамичен смисъл „надолу“, „по градиента“.
Обемът на клетките до голяма степен се регулира от количеството вода, което съдържат. Клетката никога не е в пълно равновесие със своята среда. Непрекъснатото движение на молекули и йони през плазмената мембрана променя концентрацията на веществата в клетката и съответно осмотичното налягане на нейното съдържание. Ако една клетка отделя вещество, тогава, за да поддържа постоянно осмотично налягане, тя трябва или да отделя подходящо количество вода, или да абсорбира еквивалентно количество друго вещество. Тъй като средата около повечето клетки е хипотонична, за клетките е важно да се предотврати навлизането на големи количества вода в тях. Поддържането на постоянен обем дори в изотонична среда изисква консумация на енергия, поради което в клетката концентрацията на вещества, неспособни на дифузия (протеини, нуклеинови киселини и др.), Е по-висока, отколкото в перицелуларната среда. Освен това метаболитите постоянно се натрупват в клетката, което нарушава осмотичния баланс. Необходимостта от изразходване на енергия за поддържане на постоянен обем лесно се демонстрира в експерименти с охлаждащи или метаболитни инхибитори. При такива условия клетките набъбват бързо.
За да решат „осмотичния проблем“, клетките използват два метода: изпомпват компонентите на съдържанието си или водата, която влиза в тях, в интерстициума. В повечето случаи клетките използват първия вариант - изпомпват вещества, най-често йони, с помощта на натриева помпа (виж по-долу).
Като цяло обемът на клетките, които нямат твърди стени, се определя от три фактора:
- а) количеството вещества, съдържащи се в тях, които не могат да проникнат през мембраната;
- б) концентрацията в интерстициума на съединения, способни да преминат през мембраната;
- в) съотношението на скоростите на проникване и изпомпване на вещества от клетката.
Важна роля в регулирането на водния баланс между клетката и околната среда играе еластичността на плазмената мембрана, която създава хидростатично налягане, което предотвратява притока на вода в клетката. Ако има разлика в хидростатичното налягане в две области на средата, водата може да се филтрира през порите на преградата, разделяща тези зони.
Явленията на филтриране са в основата на много физиологични процеси, като образуването на първична урина в нефрона, обменът на вода между кръвта и тъканната течност в капилярите.
Йонна дифузия
Дифузията на йони се осъществява главно чрез специализирани мембранни протеинови структури - йонни канали, когато те са в отворено състояние. В зависимост от вида тъкан клетките могат да имат различен набор от йонни канали. Има натриеви, калиеви, калциеви, натриево-калциеви и хлоридни канали. Преносът на йони през канали има редица характеристики, които го отличават от простата дифузия. Това се отнася в най-голяма степен за калциевите канали.
Йонните канали могат да бъдат в отворено, затворено и неактивирано състояние. Преходът на канал от едно състояние в друго се контролира или чрез промяна на разликата в електрическия потенциал на мембраната, или чрез взаимодействието на физиологично активни вещества с рецепторите. Съответно йонните канали се разделят на волтаж-зависими и рецептор-зависими. Селективната пропускливост на йонен канал за конкретен йон се определя от наличието на специални селективни филтри в устието му.
Улеснена дифузия
В допълнение към водата и йоните, много вещества (от етанол до сложни лекарства) проникват през биологичните мембрани чрез проста дифузия. В същото време дори относително малки полярни молекули, например гликоли, монозахариди и аминокиселини, практически не проникват през мембраната на повечето клетки поради проста дифузия. Пренасянето им се осъществява чрез улеснена дифузия. Улеснената дифузия на веществото по неговия концентрационен градиент, която се осъществява с участието на специални белтъчни молекули-носители, се нарича дифузия.
Транспортът на Na+, K+, Cl-, Li+, Ca2+, HCO3- и H+ също може да се осъществи от специфични носители. Характерните особености на този тип мембранен транспорт са високата скорост на пренос на вещество в сравнение с простата дифузия, зависимостта от структурата на неговите молекули, наситеността, конкуренцията и чувствителността към специфични инхибитори - съединения, които инхибират улеснената дифузия.
Всички изброени характеристики на улеснената дифузия са резултат от спецификата на протеините-носители и техния ограничен брой в мембраната. Когато се достигне определена концентрация на транспортираното вещество, когато всички носители са заети от транспортирани молекули или йони, по-нататъшното й увеличаване няма да доведе до увеличаване на броя на транспортираните частици - феномен на насищане. Вещества, които са сходни по молекулярна структура и се транспортират от един и същ носител, ще се конкурират за носителя - феномен на конкуренция.
Има няколко вида транспорт на вещества чрез улеснена дифузия
Uniport, когато молекулите или йоните се транспортират през мембраната, независимо от наличието или преноса на други съединения (транспорт на глюкоза, аминокиселини през базалната мембрана на епителните клетки);
Symport, при който преносът им става едновременно и еднопосочно с други съединения (натрий-зависим транспорт на захари и аминокиселини Na+ K+, 2Cl- и cotran-sport);
Антипорт -- (транспортът на вещество се дължи на едновременния и противоположно насочен транспорт на друго съединение или йон (Na+/Ca2+, Na+/H+ Cl-/HCO3- - обмени).
Симпорт и антипорт са видове котранспорт, при които скоростта на трансфер се контролира от всички участници в транспортния процес.
Природата на транспортните протеини е неизвестна. Според принципа на действие те се делят на два вида. Носителите от първия тип извършват совалкови движения през мембраната, докато носителите от втория тип са вградени в мембраната, образувайки канал. Тяхното действие може да се моделира с помощта на йонофорни антибиотици, които транспортират алкални метали. И така, един от тях - (валиномицин) - действа като истински носител, който пренася калий през мембраната. Молекулите на грамицидин А, друг йонофор, се вкарват в мембраната една след друга, образувайки "канал" за натриеви йони.
Повечето клетки имат улеснена дифузионна система. Въпреки това, списъкът на метаболитите, транспортирани чрез този механизъм, е доста ограничен. Това са главно захари, аминокиселини и някои йони. Съединения, които са междинни метаболитни продукти (фосфорилирани захари, продукти на метаболизма на аминокиселините, макроерги), не се транспортират с помощта на тази система. По този начин улеснената дифузия служи за транспортиране на онези молекули, които клетката получава от околната среда. Изключение прави транспортът на органични молекули през епитела, който ще бъде разгледан отделно.
Мембранен транспорт -частен случай на явлението пренос на вещества през биологична мембрана.
Трансферните явления включват:
ü пренос на масата на материята (дифузия);
ü трансфер на импулс (вискозитет);
ü пренос на енергия (топлопроводимост);
ü пренос на заряд (електропроводимост).
Видове мембранен транспорт:
Пасивен -пренасянето на молекули и йони по протежение на градиент на химически (или електрохимични потенциали или прехвърляне на молекули от места с по-висока концентрация на вещество към места с по-ниска концентрация на вещество. Това е спонтанен процес (ΔG<0 - энергия Гиббса уменьшается).
Определя се плътността на потока на вещество през мембраната Уравнение на Теорел:
ü J - mol/(m 2 s)
ü - градиент на химичен или електрохимичен потенциал (означава промяна в химичния или електрохимичен потенциал, когато веществото се прехвърля през мембрана с дебелина х)
ü U е коефициентът на подвижност на молекулите.
ü C е концентрацията на веществото.
Определя се пасивен транспорт на неелектролити (например глюкоза) по време на нормална дифузия уравнението на Фик,което е получено въз основа на заместване и диференциране на израза за химичния потенциал на веществата - в уравнението на Теорел
ü - градиент на концентрация на веществото (е движещата сила за пренос на вещество)
ü RTU = D - коефициент на дифузия - m 2 / s.
ü R - Универсална газова константа.
знакът "-" показва, че общата плътност на потока на веществото е насочена към намаляване на концентрацията на веществото.
Определя се пасивен транспорт на електролити (йони K +, Na +, Ca 2+, Mg 2+ и др.) По време на обикновена дифузия уравнение на Нернст-Планк,което е получено въз основа на заместването и диференцирането на израза за електрохимичния потенциал на веществата - в уравнението на Теорел:
ü Z - йонен заряд;
ü F =96500 C/mol – число на Фарадей.
ü φ - електрически потенциал - V (волт);
ü - градиент на електрически потенциал;
и - са движещите сили на транспорта на електролита по време на пасивен транспорт.
Видове дифузия:
ü обикновен (пренос на газови молекули O 2, CO 2, H 2 O молекули и др.)
ü лек - извършва се по градиент на химичен (електрохимичен) потенциал с участието на протеин носител.
Свойства на улеснена дифузия:
ü Наличие на ефект на насищане (броят на протеините носители в мембраната е фиксиран);
ü Селективност (всяко вещество има свой собствен протеин-носител);
ü Чувствителност към инхибитори;
Наличието на носители променя кинетиката (скоростта) на транспорта и става подобно на уравненията на ензимната катализа, само носителят действа като ензим, а транспортираното вещество (S) действа като субстрат:
- уравнение на улеснена дифузия
Kt – транспортна константа съответства на константата на Михаелис и е равна на концентрацията на S при Js=Jmax/2.
Активен транспорт -преносът на вещества срещу градиент на химичен ((електрохимичен потенциал) или преносът на молекули от места с по-ниска концентрация на вещество към места с по-висока концентрация на вещество. Това не е спонтанен процес (ΔG>0 - Енергията на Гибс нараства), но е спрегната.
Основен активен транспорт -транспорт на вещества, свързани с реакцията на хидролиза на АТФ, по време на която се освобождава енергия, която се използва за транспортиране на вещества през мембраната срещу градиент на химичен потенциал.
Примери за PAT:
ü транспорт на K + и Na + във външните цитоплазмени мембрани;
ü H+ транспорт в митохондриите;
ü Пренос на Ca 2+ във външни цитоплазмени мембрани.
Вторичен активен транспорт -транспорт на вещества, свързан със спонтанния процес на пренос на Na + йони през мембраната по градиента на електрохимичния потенциал на веществата.
Примери за НДНТ:
ü транспорт на захари (аминокиселини) поради енергията на градиента на електрохимичния потенциал на Na + йони (симпорт);
ü Na + - Ca 2+ - обменът е транспортирането на Ca 2+ йони поради енергията на градиента на електрохимичния потенциал на Na + йони (антипорт).
Транспортните АТФази на прокариотни и еукаритични клетки се делят на 3 типа: P-тип, V-тип, F-тип.
ATP ензимите от този тип цитоплазмена мембрана включват:
ü Na,+K+ – АТФаза
ü Ca 2+ – АТФ-аза плазмена мембрана на еукариоти
ü Н+–АТФаза
Вътреклетъчни АТФази Р-тип:
Ca 2+ е АТФаза на ендо-(сарко) плазмения ретикулум на еукариотите.
K+ – АТФаза на външните мембрани на прокариотите. Те са проектирани доста просто, действат като помпа.
V-тип АТФазисе намират в мембрани във вакуоли на дрожди, в лизозоми, ендозоми и секреторни гранули на животински клетки (H+–ATPases).
F-тип АТФазиоткрити в бактериалните мембрани, хлоропластите и митохондриите.
Йонните канали (uniport) се класифицират:
А) по вид йони: натриеви, калиеви, калциеви и хлорни канали;
Б) според метода на регулиране:
1) потенциално чувствителен
2) хемочувствителен (контролиран от рецептор)
3) вътреклетъчни вещества (йони).
В процеса на пренос на катиони трябва да бъдат изпълнени две основни условия (фактори):
1. Стеричен– съвпадение на размерите на катионната и хидратната обвивка с размерите на канала.
2. Енергия– взаимодействие на катиона с карбоксил (отрицателно заредени групи на самия канал).
Липидните двойни слоеве са до голяма степен непроницаеми за по-голямата част от веществата и следователно транспортирането през липидната фаза изисква значителен разход на енергия.
Разграничете активен транспортИ пасивен транспорт(дифузия).
Пасивен транспорт
Пасивният транспорт е пренасянето на молекули по концентрационен или електрохимичен градиент, т.е. определя се само от разликата в концентрацията на транспортираното вещество от противоположните страни на мембраната или от посоката на електрическото поле и се осъществява без разход от АТФ енергия. Възможни са два вида дифузия: проста и улеснена.
Проста дифузияпротича без участието на мембранен протеин. Скоростта на простата дифузия е добре описана от обичайните закони на дифузия за вещества, разтворими в липидния двоен слой; той е право пропорционален на степента на хидрофобност на молекулата, т.е. нейната разтворимост в мазнини, както и градиента на концентрация. Механизмът на дифузия на водоразтворимите вещества е по-малко проучен. Преносът на вещества през липидния двоен слой, например съединения като етанол, е възможен през временни пори в мембраната, образувани от разкъсвания в липидния слой по време на движението на мембранните липиди. Механизмът на простата дифузия осъществява трансмембранен пренос на газове (напр.
Ориз. 22.5.
0 2 и C0 2), волове, някои прости органични йони и редица нискомолекулни мастноразтворими съединения. Трябва да се помни, че простата дифузия е безразборна и има ниска скорост.
Улеснена дифузия,за разлика от простата дифузия, тя се улеснява от участието на специфични мембранни протеини в този процес. Следователно, улеснената дифузия е процес на дифузия, свързан с химическа реакция на взаимодействие на транспортираното вещество с bslk-psrs-носителя. Този процес е специфичен и протича с по-висока скорост от простата дифузия.
Известни са два вида мембранни транспортни протеини: протеини носители т.нар транслокацииили прониква,И каналообразуващи протеини.Транспортните протеини свързват специфични вещества и ги транспортират през двуслойния слой по техния градиент на концентрация или електрохимичен потенциал и следователно този процес, както при простата дифузия, не изисква разход на енергия от АТФ.
Специфичният механизъм на функциониране на транслоказите по време на улеснена дифузия не е достатъчно проучен. Смята се, че след като транспортираното вещество се свърже с протеина-носител, настъпват редица конформационни промени на последния, позволяващи транспортирането на свързаното вещество от едната страна на мембраната към другата съгласно схемата (фиг. 22.5).
Друг възможен механизъм за трансфер е т.нар тип реле,когато транспортният протеин изобщо не е в състояние да премине двуслойния слой. В този случай транспортираното вещество може само да се движи от един протеин към друг, докато не се окаже на противоположната страна на мембраната.
Каналообразуващите протеини (или канални протеини) образуват трансмембранни хидрофилни канали, през които молекулите на разтвореното вещество с подходящ размер и заряд могат да преминат чрез улеснена дифузия. За разлика от транспорта, осъществяван от транслокази, транспортът по канали няма висока специфичност, но може да се случи с много по-висока скорост, която не достига насищане в широк диапазон от концентрации на транспортираното вещество (фиг. 22.6). Някои дивани са постоянно отворени, докато други се отварят само в отговор на свързването на транспортираното вещество. Това води до промяна в конформацията на транспортния протеин, в резултат на което в мембраната се отваря хидрофилен канал и веществото се освобождава от другата страна на мембраната (виж фиг. 22.6).
Ориз. 22.6.
Към днешна дата структурата и механизмът на функциониране на транспортните протеини не са достатъчно проучени, което до голяма степен се дължи на трудността при изолирането им в разтворена форма. Очевидно най-често срещаният начин за трансмембранен транспорт на вещества чрез механизма на улеснена дифузия е транспортирането с помощта на каналообразуващи вещества.
Ориз. 22.7.
Протеините - транспортери от всякакъв вид, приличат на мембранно свързани ензими, а процесът на улеснена дифузия е ензимна реакция в редица свойства: 1) транспортните протеини са силно специфични и имат свързващи места (места) за транспортираната молекула (по аналогия - субстрата); 2) когато всички места на свързване са заети (т.е. протеинът е наситен), скоростта на транспортиране достига максимална стойност, означена U tlx(фиг. 22.7); 3) протеинът носител има характерна за него константа на свързване Км,равна на концентрацията на транспортираното вещество, при което скоростта на транспортиране е половината от максималната стойност (аналогично K mза системата ензим-субстрат), транспортните протеини са чувствителни към промените в рН стойността на околната среда; 4) те се инхибират от конкурентни или неконкурентни инхибитори. Въпреки това, за разлика от ензимната реакция, молекулата на транспортираното вещество не претърпява ковалентна трансформация при взаимодействие с транспортния протеин (фиг. 22.7).
Улеснената дифузия обикновено е характерна за водоразтворимите вещества: въглехидрати, аминокиселини, метаболитно важни органични киселини и някои йони. Транспортът на стероидни хормони, редица мастноразтворими витамини и други молекули от този клас също се осъществява чрез улеснена дифузия. Практически насочените потоци от вещества в клетка чрез проста и улеснена дифузия никога не спират, тъй като веществата, влизащи в клетката, участват в метаболитни трансформации и тяхната загуба непрекъснато се попълва чрез трансмембранен транспорт по градиент на концентрация.
Различават се активен и пасивен пренос (транспорт) на неутрални молекули и йони през биомембрани. Активен транспорт - възниква, когато се изразходва енергия поради хидролиза на АТФ или пренос на протони по митохондриалната дихателна верига. Пасивният транспорт не е свързан с изразходването на химическа енергия от клетката: той възниква в резултат на дифузия на вещества към по-нисък електрохимичен потенциал.
Пример за активен транспорт е преносът на калиеви и натриеви йони през цитоплазмените мембрани K - в клетката и Na - от нея, преносът на калций през саркоплазмения ретикулум на скелетните и сърдечните мускули в ретикулумните везикули, преносът на водородни йони през мембраните на митохондриите от матрицата - навън: всички тези процеси възникват поради енергията на хидролизата на АТФ и се извършват от специални ензими - фази на транспортиране на АТФ. Най-известният пример за пасивен транспорт е движението на йони и калий през цитоплазмената мембрана на нервните влакна по време на разпространението на потенциал за действие.
Пасивен пренос на вещества през биомембрани.Дифузия на незаредени молекули.
Обичайно е да се разграничават следните видове пасивен трансфер на вещества (включително йони) през мембраните:
2. Трансфер през пори (канали)
3. Транспорт чрез използване на вектори поради:
а) дифузия на носителя заедно с веществото в мембраната (подвижен носител);
б) релейно прехвърляне на вещество от една молекула носител към друга, молекулите носител образуват временна верига през мембраната.
Транспортирането чрез механизми 2 и 3 понякога се нарича улеснена дифузия.
Транспорт на неелектролити чрез прости иулеснена дифузия
Различни вещества се транспортират през мембраните чрез два основни механизма: чрез дифузия (пасивен транспорт) и чрез активен транспорт. Пропускливостта на мембраните за различни разтворени вещества зависи от размера и заряда на тези молекули. Тъй като вътрешната област на мембраната е съставена от въглеводородни вериги, много малки неутрални и неполярни молекули могат да преминат през бимолекулната мембрана чрез обикновена дифузия. В противен случай можем да кажем, че тези молекули са разтворими в мембраната.
Най-важното от тези вещества е глюкозата, която се транспортира през мембраните само в комплекс с молекула-носител. Протеинът обикновено играе тази роля. Комплексът глюкоза-транспортьор е лесно разтворим в мембраната и следователно може да дифундира през мембраната. Този процес се нарича улеснена дифузия . Общата скорост на транспортиране на глюкоза се увеличава рязко в присъствието на хормона инсулин. Все още не е напълно ясно дали ефектът на инсулина е да увеличи концентрацията на транспортера или този хормон стимулира образуването на комплекс между глюкозата и транспортера.
Основният механизъм на пасивен транспорт на вещества, дължащ се на наличието на концентрационен градиент, е дифузията.
дифузия е спонтанен процес на проникване на вещество от област с по-висока в област с по-ниска концентрация в резултат на топлинно хаотично движение на молекули.
Математическо описание на процеса на дифузия от Рик. Според закона на Рик, скоростта на дифузия е право пропорционална на концентрационния градиент и площта С, през които се осъществява дифузия:
Знакът минус от дясната страна на уравнението показва, че дифузията се извършва от зона с по-висока концентрация към област с по-ниска концентрация на веществото.
"Д" Наречен коефициент на дифузия . Коефициентът на дифузия е числено равен на количеството вещество, дифундиращо за единица време през единица площ с градиент на концентрация, равен на единица. „D“ зависи от естеството на веществото и температурата. Той характеризира способността на веществото да дифундира.
Тъй като концентрационният градиент на клетъчната мембрана е труден за определяне, за да се опише дифузията на веществата през клетъчните мембрани, се използва по-просто уравнение, предложено от Kolleider и Berlund:
Където C 1И C 2- концентрации на веществото от различните страни на мембраната, Р- коефициент на пропускливост, подобен на коефициента на дифузия. За разлика от коефициента на дифузия, който зависи само от естеството на веществото и температурата, "R"зависи и от свойствата на мембраната и нейното функционално състояние.
Проникването на разтворени частици с електрически заряд през клетъчната мембрана зависи не само от концентрационния градиент на мембраната. В това отношение йонният транспорт може да се осъществи в посока, обратна на концентрационния градиент, в присъствието на противоположно насочен електрически градиент. Комбинацията от концентрация и електрически градиенти се нарича електрохимичен градиент. Пасивният транспорт на йони през мембраните винаги се осъществява по електрохимичен градиент.
Основните градиенти, присъщи на живите организми, са концентрационни, осмотични, електрически и хидростатични градиенти на налягането на течността.
В съответствие с този градиент съществуват следните видове пасивен транспорт на вещества в клетките и тъканите: дифузия, осмоза, електроосмоза и аномална осмоза, филтрация.
От голямо значение за живота на клетките е феноменът на конюгиран транспорт на вещества и йони, който се състои във факта, че прехвърлянето на едно вещество (йон) срещу електрохимичния потенциал („нагоре“) се причинява от едновременното пренасяне на друго йони през мембраната в посока на намаляване на електрохимичния потенциал („надолу“)“). Това е показано схематично на фигурата. Работата на транспортните АТФази и прехвърлянето на протони по време на работата на дихателната верига на митохондриите често се нарича първичен активен транспорт, а прехвърлянето на вещества, свързани с него, се нарича вторичен активен транспорт.
Феноменът на преноса. Общо транспортно уравнение.
Група явления, причинени от хаотичното движение на молекулите и водещи до пренос на маса, кинетична енергия и импулс, се наричат феномен на пренасяне .
Те включват дифузия - пренос на материя, топлопроводимост - пренос на кинетична енергия и вътрешно триене - пренос на импулс.
Общото транспортно уравнение, описващо тези явления, може да бъде получено на базата на молекулярно-кинетична теория.
Нека определено физическо количество се прехвърля през област от областта "S" (фигура) в резултат на хаотичното движение на молекулите.
На разстояния, равни на средния свободен път, отдясно и отляво на площадката ще изградим правоъгълни паралелепипеди с малка дебелина " л» ( л<< ). Объем каждого параллелепипеда равен
V = Сл.
Ако концентрацията на молекулите е " П", тогава вътре в избрания паралелепипед има " S l p» молекули.
Всички молекули, поради тяхното хаотично движение, могат условно да бъдат представени в шест групи, всяка от които се движи по или срещу посоката на една от координатните оси. Тоест в посока, перпендикулярна на сайта " С“, молекулите се движат. Тъй като том “1” се намира на разстояние от обекта “ С“, тогава тези молекули ще го достигнат без сблъсък. Същият брой молекули ще достигнат мястото " С"наляво.
Всяка молекула е в състояние да прехвърли определена стойност "Z" (маса, импулс, кинетична енергия) и всички молекули - или, където H=nZ- физическа величина, пренасяна от молекули, съдържащи се в единица обем. В резултат на това чрез платформата " С» от томове 1 и 2 през времевия период “Dt” се пренася стойността
За да определим времето "Dt", приемаме, че всички молекули от избраните обеми се движат с еднакви средни скорости. След това молекулите в обем 1 или 2, достигайки мястото " С“, пресечете го за определен период от време
Разделяйки (1) на (2), получаваме, че стойността, пренесена през интервала от време "Dt", е равна на
Промяната в стойността на “H” за единица дължина “dx” се нарича градиент на стойността на “H”. Тъй като (H 1 - H 2) е промяната в "H" на разстояние, равно на 2, тогава
След като заместим (4) в (3) и умножим полученото уравнение по време, намираме потока на непоносимата физическа величина „H“ за периода от време „Dt“ през областта „S“:
Това е общо транспортно уравнение, използвано при изследване на дифузия, топлопроводимост и вискозитет.
дифузия. Пасивен трансфер на неелектролити през биомембрани,Уравнението на Рик. Транспорт на неелектролити през мембраните чрезпроста и улеснена (в комбинация с носител) дифузия.
Дифузията е процес, който причинява спонтанно намаляване на градиентите на концентрация в разтвор, докато се установи равномерно разпределение на частиците. Процесът на дифузия играе важна роля в много химични и биологични системи. Именно дифузията, например, определя основно достъпа на въглероден диоксид до активните фотосинтетични структури в хлоропластите. За да се разбере транспортът на разтворени молекули през клетъчните мембрани, е необходима подробна информация за дифузията. Нека да разгледаме някои основни принципи на дифузия в разтвори.
Нека си представим съд, от лявата страна на който има чист разтворител, а от дясната страна има разтвор, приготвен със същия разтворител. Нека първо тези две части на съда да бъдат разделени от плоска вертикална стена. Ако сега премахнем стената, тогава поради произволното движение на молекулите във всички посоки, границата между разтвора и разтворителя ще се измести наляво, докато цялата система стане хомогенна. През 1855 г. Рик, докато изучава процесите на дифузия, открива, че скоростта на дифузия, тоест броят на молекулите на разтвореното вещество "n", пресичащи вертикална равнина за единица време, е право пропорционална на площта на напречното сечение "S" и концентрационен градиент. По този начин,
Където д- коефициент на дифузия (измерен в m 2 / s в “SI”). Знакът минус показва, че дифузията протича от зона с висока концентрация към област с ниска концентрация. Това означава, че концентрационният градиент в посока на дифузия е отрицателен. Уравнение (1) е известно като първия закон на Рик за дифузията. Физическите закони са интуитивни заключения, които не могат да бъдат извлечени от по-прости твърдения и чиито последствия не противоречат на експеримента. Такива заключения включват законите на механиката и термодинамиката; така е и със закона на Рик.
Нека сега разгледаме процеса на дифузия малко по-подробно. Нека изберем в пространството обемния елемент " S×dx“, както е показано на снимката
Скоростта, с която молекулите на разтвореното вещество навлизат в обемен елемент през напречното сечение "x" е равна на Скоростта на промяна на концентрационния градиент при промяна на "x" е равна на
Следователно скоростта, с която молекулите на разтвореното вещество напускат обемен елемент през участък, отдалечен от първия с „dx“, е равна на
Скоростта на натрупване на молекулите на разтвореното вещество в обемен елемент е разликата между тези две количества:
Същата скорост на натрупване на частици обаче е равна на , така че можем да запишем
Уравнение (6), наречено уравнение на дифузията или вторият закон на дифузията на Рик, от което следва, че промяната в концентрацията във времето на определено разстояние "x" от началната равнина е пропорционална на скоростта на промяна на концентрационния градиент в посока "x" в момента "t".
За решаване на уравнение (6) е необходимо да се използват специални методи (разработени от Rourier), описанието на които е пропуснато; полученият резултат има проста форма:
където C 0 е началната концентрация на веществото в референтната точка при нулев момент.
Използвайки уравнение (7), можете да начертаете зависимостта на концентрационния градиент от координатата "x" в различни времена "t". Чрез оптични методи (например чрез измерване на индекса на пречупване) е възможно да се определят концентрационни градиенти на различни разстояния от границата, по която е започнала дифузията.
Молекулен механизъм на активен йонен транспорт
В живата клетка има четири основни системи за активен йонен транспорт, три от които осигуряват преноса на натриеви, калиеви, калциеви и протонни йони през биологични мембрани поради енергията на хидролизата на АТФ в резултат на работата на специални ензими-носители, т.нар. транспортни АТФази. Четвъртият механизъм, трансферът на протони по време на функционирането на митохондриалната дихателна верига, все още не е достатъчно проучен. Най-сложната транспортна АТФаза е Н + - АТФаза, състояща се от няколко субединици, най-простата е Ca 2+ АТФаза, състояща се от една полипептидна верига (субединица) с молекулно тегло около 100 000. Нека разгледаме механизма на транспортиране на калциевите йони на тази АТФаза.
Първият етап от работата на Ca 2+ ATPase е свързването на субстрати: Ca 2+ и ATP в комплекс с Mg 2+ (Mg ATP). Тези два лиганда се прикрепят към различни места на повърхността на ензимната молекула, обърната към външната страна на везикула на саркоплазмения ретикулум (SR).
Лигандът е малка молекула (йон, хормон, лекарство и др.).
Вторият етап от работата на ензима е хидролизата на АТФ. В този случай се образува ензимно-фосфатен комплекс (E-P).
Третият етап от работата на ензима е преходът на Ca 2+ свързващия център към другата страна на мембраната - транслокация.
Освобождаването на високоенергийна енергия на връзката става на четвъртия етап от работата на Ca 2+ ATPase по време на хидролизата на E-P. Тази енергия в никакъв случай не се губи (т.е. не се превръща в топлина), а се използва за промяна на константата на свързване на калциевите йони с ензима. Прехвърлянето на калций от едната страна на мембраната към другата е свързано с енергиен разход, който може да възлиза на 37,4 - 17,8 = 19,6 kJ/mol. Ясно е, че енергията на хидролизата на АТФ е достатъчна за транспортиране на два калциеви йона.
Прехвърлянето на калций от област с по-ниски концентрации (1-4 x 10 -3 M) към област с по-високи концентрации (1-10 x 10 -3 M) е работата, която Ca, транспортната АТФаза, прави в мускулните клетки.
За да се повтори цикълът, калциево-свързващите центрове трябва да се върнат отвътре навън, т.е. друга конформационна промяна в ензимната молекула.
Молекулярният механизъм на действие на тези две „помпи“ е до голяма степен подобен.
Основните етапи на Na + K + АТФази са както следва:
1. Прикрепване отвън на два K + йона и една Mg 2+ ATP молекула:
2 K + + Mg ATP + E ® (2 K +)(Mg ATP)E
2. Хидролиза на АТФ и образуване на ензим фосфат:
(2 K +)(Mg ATP)E ® Mg ATP + (2 K +)E - P
3. Трансфер на K+ свързващи центрове навътре (транслокация 1):
(2 K +)E - P ® E - P(2 K +)
4. Прекъсване на двата калиеви йона и замяна на тези йони с три Na йона, разположени вътре в клетката:
E - P(2 K +) + 3 Na i + ® E - P(3 Na +) + 2 K + i
5. Хидролиза E - P:
E - P(3 Na +) ® E(3 Na +) + P (фосфат)
6. Прехвърляне на свързващи центрове заедно с Na + йони навън (транслокация 2):
E(3Na+)® (3Na+)E
7. Елиминиране на 3 Na + и добавяне на 2 K + отвън:
2 K 0 + + 3 Na + (E) ® 3 Na + + (2 K +)E
Прехвърлянето на 2 K + в клетката и освобождаването на 3 Na + навън в крайна сметка води до прехвърляне на един положителен йон от цитоплазмата в околната среда и това допринася за появата на мембранен потенциал (със знак минус вътре в клетка).
По този начин помпата Na + K + е електрогенна.
Пропускливост
Пропускливостта е способността на клетките и тъканите да абсорбират, секретират и транспортират химикали, преминавайки през клетъчните мембрани, съдовите стени и епителните клетки. Живите клетки и тъкани са в състояние на непрекъснат обмен на химикали с околната среда, приемат храна от нея и отделят метаболитни продукти в нея. Основната дифузионна бариера за движението на веществата е клетъчната мембрана. През 1899 г. Овъртън открива, че лесното преминаване на вещества през клетъчната мембрана зависи от способността на тези вещества да се разтварят в мазнини. В същото време редица полярни вещества проникват в клетките, независимо от тяхната разтворимост в мазнини, което може да се обясни с наличието на водни пори в мембраните.
Понастоящем се прави разлика между пасивна пропускливост, активен транспорт на вещества и специални случаи на пропускливост, свързани с фагоцитоза и пиноцитоза.
Основните видове дифузия са дифузия на вещества чрез разтваряне в мембранни липиди, дифузия на вещества през полярни пори и дифузия на йони през незаредени пори. Улесняват се специални видове дифузия и обмен. Осигурява се от специални мастноразтворими носители, които са в състояние да свързват транспортираното вещество от едната страна на мембраната, да дифундират с него през мембраната и да го освобождават от другата страна на мембраната. Ролята на специфични йонни носители се изпълнява от някои антибиотици, наречени йонофори (валиномин, нигерицин, монензин, поенови антибиотици нистатин, айфотерицин В и редица други).
Йонофорите от своя страна могат да бъдат разделени на три класа в зависимост от заряда на носителя и структурата на пръстена: неутрален носител с пръстен, затворен с ковалентна връзка (валиномицин, нактини, полиестери), зареден носител с пръстен, затворен от водородна връзка (нигерицин, монензин). Заредените носители трудно проникват през модела и биологичните мембрани в заредена форма, докато в неутрална форма те дифундират свободно в мембраната. Неутралната форма се образува чрез образуване на комплекс от анионната форма на носителя с катиона. По този начин заредените носители са способни да обменят катиони, разположени предимно от едната страна на мембраната, за катиони от разтвора, измиващ противоположната страна на мембраната.
Най-често срещаният тип пасивна дифузия на клетъчните мембрани е порното. Данните за осмотичните свойства на клетките подкрепят наистина съществуващ механизъм за пропускливост на порите.
Класическото уравнение на осмотичното налягане:
където p е осмотичното налягане, c е концентрацията на разтвореното вещество, R е газовата константа, T е абсолютната температура, включва допълнителен член s, вариращ от нула до 1. Тази константа, наречена коефициент на отражение, съответства на лекота на преминаване на разтвореното вещество през мембраната в сравнение с преминаването на водна молекула.
Типът пропускливост, характерен само за живите клетки и тъкани, се нарича активен транспорт. Активният транспорт е прехвърлянето на вещество през клетъчната мембрана от околния разтвор (хомоклетъчен активен транспорт) или чрез клетъчен активен транспорт, протичащ срещу градиента на електрохимичната активност на веществото с изразходването на свободна енергия на тялото. Вече е доказано, че молекулярната система, отговорна за активния транспорт на веществата, се намира в клетъчната мембрана.
Вече е доказано, че основният елемент на йонната помпа е Na + K + ATPase. Изследването на свойствата на този мембранен ензим показа, че ензимът е само в присъствието на калиеви и натриеви йони, а натриевите йони активират ензима от цитоплазмата и йоните от околния разтвор. Специфичен инхибитор на ензима е киселинният гликозид суабаин. В митохондриалните мембрани е известна друга молекулярна система, която осигурява изпомпването на водородни йони от ензима H + - ATPase.
П. Мичъл, авторът на хемиосмотичната теория за окислителното фосфолиране в митохондриите, въвежда концепцията за вторичен активен транспорт на вещества. Съществуват три известни метода за трансмембранен транспорт на йони в съединителните мембрани. Еднопосочен транспорт на йони по посока на електрохимичния градиент чрез свободна дифузия или използване на специфичен носител - uniport. В последния случай унипортът е идентичен с улеснената дифузия. По-сложна ситуация възниква, когато две вещества взаимодействат с един и същ преносител. Този случай на симпорт предполага задължително свързване на потоците от две вещества в процеса на тяхното преминаване през мембраната в една посока. Симппортът на два йона е електрически неутрален, но осмотичният баланс е нарушен.
Трябва да се подчертае, че по време на симпорт електрохимичният градиент, който определя движението на един от йоните (например натриев йон или водороден йон), може да причини движението на друго вещество (например молекули сазар или аминокиселини), който се транспортира от общ превозвач. Третият тип йонна конюгация, actiport, характеризира ситуация, в която два йона с един и същи знак са балансирани през мембраната по такъв начин, че прехвърлянето на единия от тях изисква прехвърляне на другия в обратна посока. Трансферът обикновено е електрически неутрален и осмотично балансиран. Този тип пренос е идентичен на обменната дифузия.
По-малко проучени са два специални вида пропускливост - фагоцитоза - процес на улавяне и абсорбция на големи твърди частици и пиноцитоза - процес на улавяне и абсорбция от част от клетъчната повърхност на околната течност с разтворени в нея вещества.
Всички видове пропускливост са в една или друга степен характерни за многоклетъчните тъкани на мембраните на стените на кръвоносните съдове, бъбречния епител, чревната и стомашната лигавица.
За изследване на пасивната и активна пропускливост се използват различни кинетични методи. Най-широко използваният метод е методът на белязаните атоми.
Виталните багрила се използват широко в изследванията на пропускливостта. Същността на метода е да се наблюдава с помощта на микроскоп скоростта на проникване на молекулите на багрилото в клетката. Понастоящем широко се използват флуоресцентни етикети, сред които натриев флуоресцеин, хлортетрациклин и др. Голяма заслуга за развитието на метода с жизненоважно багрило принадлежи на D.N. Насонов, В.Я. Александров и А.С. Трошин.
Осмотичните свойства на клетките и субклетъчните частици позволяват да се използва това качество за изследване на пропускливостта на водата и разтворимите в нея вещества. Същността на осмотичния метод е, че с помощта на микроскоп или измерване на разсейването на светлината на суспензия от частици се наблюдава промяна в обема на частиците в зависимост от тоничността на околния разтвор.
Потенциометричните методи все повече се използват за изследване на клетъчните мембрани. Широка гама от йон-специфични електроди ви позволява да изследвате кинетиката на транспорта на много йони - K +, Na +, Ca 2+, H +, CI - и др., Както и органични йони - ацетат, салицилати и др. .
