Pasivni transport je transport tvari duž gradijenta koncentracije koji ne zahtijeva energiju. Hidrofobne supstance se pasivno transportuju kroz lipidni dvosloj. Svi proteinski kanali i neki nosači pasivno prolaze kroz sebe. Pasivni transport koji uključuje membranske proteine ​​naziva se olakšana difuzija.

Drugi proteini nosači (ponekad se nazivaju proteini pumpe) transportuju supstance kroz membranu na račun energije, koja se obično dobija hidrolizom ATP-a. Ova vrsta transporta odvija se protiv gradijenta koncentracije transportirane tvari i naziva se aktivni transport.

Symport, antiport i uniport

Membranski transport tvari također se razlikuje po smjeru njihovog kretanja i količini tvari koju nosi ovaj nosač:

1) Uniport - transport jedne supstance u jednom pravcu u zavisnosti od gradijenta

2) Simport - transport dve supstance u jednom pravcu kroz jedan nosač.

3) Antiport - kretanje dvije supstance u različitim smjerovima kroz jedan nosač.

Uniport provodi, na primjer, natrijev kanal zavisan od napona kroz koji se natrijum joni kreću u ćeliju tokom stvaranja akcionog potencijala.

Symport vrši transporter glukoze koji se nalazi na vanjskoj (okrenutoj prema lumenu crijeva) strani ćelija crijevnog epitela. Ovaj protein istovremeno hvata molekulu glukoze i natrijev ion i, mijenjajući njegovu konformaciju, prenosi obje tvari u ćeliju. U ovom slučaju koristi se energija elektrokemijskog gradijenta, koja se, zauzvrat, stvara zbog hidrolize ATP-a natrijum-kalijum ATP-azom.

Antiport izvodi, na primjer, natrijum-kalijum ATPazu (ili natrijum zavisnu ATPazu). On transportuje jone kalijuma u ćeliju. a van ćelije - joni natrijuma.

Rad natrijum-kalijum atPaze kao primer antiportnog i aktivnog transporta

U početku, ovaj nosač pričvršćuje tri jona na unutrašnjost membrane N / A+ . Ovi ioni mijenjaju konformaciju aktivnog mjesta ATPaze. Nakon takve aktivacije, ATPaza može hidrolizirati jednu molekulu ATP-a, a fosfatni ion se fiksira na površini nosača s unutarnje strane membrane.

Oslobođena energija se troši na promjenu konformacije ATPaze, nakon čega tri iona N / A+ i jon (fosfat) nalaze se na vanjskoj strani membrane. Evo jona N / A+ se odvoji, a zamenjuju ga dva jona K+ . Tada se konformacija nosača mijenja u originalnu, a ioni K+ pojavljuju se na unutrašnjoj strani membrane. Evo jona K+ se odvoje, a nosač je ponovo spreman za rad.

Ukratko, djelovanje ATPaze može se opisati na sljedeći način:

1) „Uzima“ tri jona iz unutrašnjosti ćelije N / A+ , zatim razdvaja ATP molekul i vezuje fosfat za sebe

2) "Izbacuje" jone N / A+ i dodaje dva jona K+ iz spoljašnje sredine.

3) Uklanja fosfat, dva jona K+ baca u ćeliju

Kao rezultat, stvara se visoka koncentracija iona u vanćelijskom okruženju. N / A+ , a unutar ćelije - visoka koncentracija K+ . Posao N / A + , K+ - ATPaza stvara ne samo razliku u koncentracijama, već i razliku u nabojima (radi kao elektrogena pumpa). Pozitivan naboj se stvara na vanjskoj strani membrane, a negativan na unutrašnjoj strani.

Uvod

Membranski transport - transport supstanci kroz ćelijsku membranu u ćeliju ili iz nje, koji se vrši različitim mehanizmima - jednostavnom difuzijom, olakšanom difuzijom i aktivnim transportom.

Najvažnije svojstvo biološke membrane je njena sposobnost da prenosi različite supstance u i iz ćelije. Ovo je od velikog značaja za samoregulaciju i održavanje konstantnog sastava ćelije. Ova funkcija stanične membrane ostvaruje se zahvaljujući selektivnoj permeabilnosti, odnosno sposobnosti da neke supstance propuštaju, a druge ne.

Pasivni transport

Razlikovati pasivni i aktivni transport. Pasivni transport se odvija bez potrošnje energije duž elektrohemijskog gradijenta. Pasivne uključuju difuziju (jednostavnu i olakšanu), osmozu, filtraciju. Aktivni transport zahtijeva energiju i događa se uprkos koncentraciji ili električnom gradijentu.

Vrste pasivnog transporta

Vrste pasivnog transporta supstanci:

• jednostavna difuzija
• Osmoza
• jonska difuzija
• Olakšana difuzija

jednostavna difuzija

Difuzija je proces kojim se plin ili otopljena tvar širi i ispunjava cijeli raspoloživi volumen.

Molekuli i joni rastvoreni u tečnosti su u haotičnom kretanju, sudarajući se jedni sa drugima, molekulima rastvarača i ćelijskom membranom. Sudar molekula ili jona sa membranom može imati dvostruki ishod: molekul se ili "odbije" od membrane ili prođe kroz nju. Kada je vjerovatnoća posljednjeg događaja velika, kaže se da je membrana propusna za datu supstancu.

Ako je koncentracija tvari na obje strane membrane različita, dolazi do protoka čestica usmjerenih iz koncentriranije otopine u razrijeđenu. Difuzija se događa sve dok se koncentracija tvari na obje strane membrane ne izjednači. Kroz ćelijsku membranu prolaze i jako topljive u vodi (hidrofilne) tvari i hidrofobne, slabo ili potpuno netopive tvari.

Hidrofobne, visoko topljive u lipidima tvari difundiraju zbog rastvaranja u membranskim lipidima. Voda i tvari rastvorljive u njoj prodiru kroz privremene defekte u ugljikovodičnom području membrane, tzv. pregibe, kao i kroz pore, trajno postojeće hidrofilne dijelove membrane.

U slučaju kada je ćelijska membrana nepropusna ili slabo propusna za otopljenu tvar, ali propusna za vodu, ona je izložena osmotskim silama. Pri nižoj koncentraciji supstance u ćeliji nego u okolini, ćelija se smanjuje; ako je koncentracija otopljene tvari u ćeliji veća, voda juri u ćeliju.

Osmoza je kretanje molekula vode (otapala) kroz membranu iz područja niže u područje veće koncentracije otopljene tvari. Osmotski pritisak je najmanji pritisak koji se mora primeniti na rastvor da bi se sprečilo da otapalo teče kroz membranu u rastvor sa višom koncentracijom supstance.

Molekule rastvarača, kao i molekule bilo koje druge supstance, pokreće se silom koja proizlazi iz razlike u hemijskim potencijalima. Kada se supstanca rastvori, hemijski potencijal rastvarača se smanjuje. Stoga je u području gdje je koncentracija otopljene tvari veća, hemijski potencijal rastvarača je manji. Dakle, molekuli rastvarača, krećući se iz rastvora sa nižom koncentracijom u rastvor sa višom koncentracijom, kreću se u termodinamičkom smislu „dole“, „duž gradijenta“.

Volumen ćelija je u velikoj mjeri reguliran količinom vode koju sadrže. Ćelija nikada nije u stanju potpune ravnoteže sa okolinom. Kontinuirano kretanje molekula i iona kroz plazma membranu mijenja koncentraciju tvari u ćeliji i, shodno tome, osmotski tlak njenog sadržaja. Ako ćelija luči neku supstancu, onda da bi održala konstantnu vrednost osmotskog pritiska, mora ili osloboditi odgovarajuću količinu vode, ili apsorbovati ekvivalentnu količinu druge supstance. Pošto je okruženje koje okružuje većinu ćelija hipotonično, važno je da ćelije spreče ulazak velikih količina vode u njih. Održavanje konstantnog volumena čak i u izotoničnom okruženju zahtijeva potrošnju energije, stoga je koncentracija tvari nesposobnih za difuziju (proteini, nukleinske kiseline itd.) u ćeliji veća nego u pericelularnoj sredini. Osim toga, metaboliti se stalno akumuliraju u ćeliji, što narušava osmotsku ravnotežu. Potreba za trošenjem energije za održavanje konstantne zapremine lako se pokazuje u eksperimentima sa hlađenjem ili metaboličkim inhibitorima. U takvim uslovima ćelije brzo bubre.

Za rješavanje "osmotskog problema" ćelije koriste dvije metode: ispumpavaju komponente svog sadržaja ili vodu koja ih ulazi u intersticij. U većini slučajeva ćelije koriste prvu priliku - ispumpavanje tvari, češće iona, koristeći za to natrijevu pumpu (vidi dolje).

Općenito, volumen ćelija koje nemaju čvrste zidove određuju tri faktora:

• a) količinu materija sadržanih u njima i nesposobnih da prodru kroz membranu;
• b) koncentracija u intersticijumu spojeva sposobnih da prođu kroz membranu;
• c) odnos brzina prodiranja i ispumpavanja supstanci iz ćelije.

Važnu ulogu u regulaciji ravnoteže vode između ćelije i okoline igra elastičnost plazma membrane, koja stvara hidrostatički pritisak koji sprečava ulazak vode u ćeliju. Ako postoji razlika u hidrostatskim pritiscima u dva područja medija, voda se može filtrirati kroz pore barijere koja razdvaja ove oblasti.

Fenomeni filtracije su u osnovi mnogih fizioloških procesa, kao što je stvaranje primarnog urina u nefronu, izmjena vode između krvi i tkivne tekućine u kapilarama.

Difuzija jona

Difuzija jona se odvija uglavnom kroz specijalizovane proteinske strukture membrane - jonske kanale, kada su u otvorenom stanju. U zavisnosti od vrste tkiva, ćelije mogu imati različit set jonskih kanala. Postoje natrijum, kalijum, kalcijum, natrijum-kalcijum i hloridni kanali. Transport jona kroz kanale ima niz karakteristika koje ga razlikuju od jednostavne difuzije. Ovo posebno važi za kalcijumske kanale.

Jonski kanali mogu biti u otvorenom, zatvorenom i inaktiviranom stanju. Prijelaz kanala iz jednog stanja u drugo kontrolira se ili promjenom razlike električnog potencijala kroz membranu, ili interakcijom fiziološki aktivnih supstanci s receptorima. Shodno tome, jonski kanali se dijele na naponsko zavisne i receptorske. Selektivna permeabilnost jonskog kanala za određeni ion određena je prisustvom posebnih selektivnih filtera na njegovom ušću.

Olakšana difuzija

Kroz biološke membrane, pored vode i jona, jednostavnom difuzijom prodiru mnoge tvari (od etanola do složenih lijekova). Istovremeno, čak i relativno male polarne molekule, kao što su glikoli, monosaharidi i aminokiseline, praktički ne prodiru kroz membranu većine stanica zbog jednostavne difuzije. Njihov prijenos se vrši olakšanom difuzijom. Olakšava se difuzija tvari duž gradijenta koncentracije, koja se provodi uz sudjelovanje posebnih proteinskih molekula nosača.

Transport Na+, K+, Cl-, Li+, Ca2+, HCO3- i H+ može se vršiti i posebnim nosačima. Karakteristike ovog tipa membranskog transporta su visoka brzina prijenosa tvari u odnosu na jednostavnu difuziju, ovisnost o strukturi njenih molekula, zasićenost, konkurencija i osjetljivost na specifične inhibitore - spojeve koji inhibiraju olakšanu difuziju.

Sve gore navedene karakteristike olakšane difuzije rezultat su specifičnosti proteina nosača i njihovog ograničenog broja u membrani. Kada se dostigne određena koncentracija prenesene supstance, kada su svi nosači zauzeti transportovanim molekulima ili ionima, njeno dalje povećanje neće dovesti do povećanja broja transportovanih čestica – fenomena zasićenja. Supstance koje su slične po molekularnoj strukturi i koje se transportuju istim nosačem takmičiće se za nosača – fenomen konkurencije.

Postoji nekoliko vrsta transporta supstanci putem olakšane difuzije.

Uniport, kada se molekuli ili ioni prenose kroz membranu, bez obzira na prisustvo ili prenos drugih jedinjenja (transport glukoze, aminokiselina kroz bazalnu membranu epitelnih ćelija);

Symport, u kojem se njihov prijenos vrši istovremeno i jednosmjerno s drugim spojevima (natrijum ovisan transport šećera i aminokiselina Na+ K+, 2Cl- i kotransport);

Antiport - (transport supstance je zbog istovremenog i suprotno usmerenog transporta drugog jedinjenja ili jona (Na + / Ca2 +, Na + / H + Cl- / HCO3- - razmene).

Symport i antiport su vrste kotransporta u kojima brzinu prenosa kontrolišu svi učesnici u transportnom procesu.

Priroda proteina nosača je nepoznata. Prema principu djelovanja dijele se na dvije vrste. Nosači prvog tipa vrše šatl kretanja kroz membranu, a drugog tipa ugrađuju se u membranu, formirajući kanal. Njihovo djelovanje može se simulirati uz pomoć antibiotskih jonofora, nosača alkalnih metala. Dakle, jedan od njih - (valinomicin) - deluje kao pravi nosač, prenoseći kalijum kroz membranu. Molekuli gramicidina A, drugog jonofora, ubacuju se u membranu jedan za drugim, formirajući "kanal" za jone natrijuma.

Većina ćelija ima olakšan sistem difuzije. Međutim, lista metabolita koji se transportuju ovim mehanizmom prilično je ograničena. U osnovi, to su šećeri, aminokiseline i neki joni. Jedinjenja koja su međuprodukti metabolizma (fosforilirani šećeri, produkti metabolizma aminokiselina, makroergi) se ne transportuju ovim sistemom. Dakle, olakšana difuzija služi za transport onih molekula koje ćelija prima iz okoline. Izuzetak je transport organskih molekula kroz epitel, koji će se posebno razmatrati.

membranski transport - poseban slučaj fenomena prijenosa tvari kroz biološku membranu.

Događaji transfera uključuju:

ü prijenos mase materije (difuzija);

ü prijenos impulsa (viskozitet);

ü prijenos energije (toplotna provodljivost);

prijenos naelektrisanja (provodljivost).

Vrste membranskog transporta:

pasivno - prijenos molekula i jona duž hemijskog (ili elektrohemijskog) gradijenta potencijala ili prijenos molekula sa mjesta sa većom koncentracijom supstance na mesta sa nižom koncentracijom supstance. Ovo je spontani proces (ΔG<0 - энергия Гиббса уменьшается).

Određuje se gustina protoka supstance kroz membranu Teorelova jednačina:

ü J - mol / (m 2 s)

ü - gradijent hemijskog ili elektrohemijskog potencijala (označava promjenu hemijskog ili elektrohemijskog potencijala tokom prenosa supstance kroz membranu debljine x)

ü U - koeficijent pokretljivosti molekula.

ü C je koncentracija supstance.

Pasivni transport neelektrolita (na primjer, glukoze) tokom normalne difuzije je određen Fikova jednadžba, koji se izvodi na osnovu supstitucije i diferencijacije izraza za hemijski potencijal supstanci - u Teorelovu jednačinu

ü - koncentracijski gradijent supstance (je pokretačka sila za prijenos tvari)

ü RTU \u003d D - koeficijent difuzije - m 2 / s.

ü R - Univerzalna plinska konstanta.

znak “-” označava da je ukupna gustoća protoka tvari usmjerena u smjeru smanjenja koncentracije tvari.

Određuje se pasivni transport elektrolita (joni K+, Na+, Ca 2+, Mg 2+ itd.) tokom normalne difuzije Nernst-Planckova jednadžba, koji se izvodi na osnovu supstitucije i diferencijacije izraza za elektrohemijski potencijal supstanci - u Teorelovu jednačinu:

ü Z - naboj jona;

ü F =96500 C/mol - Faradejev broj.

ü φ - električni potencijal - V (volt);

ü - gradijent električnog potencijala;

i - su pokretačke snage za transport elektrolita u pasivnom transportu.

Vrste difuzije:

ü obične (transfer molekula gasa O 2, CO 2, H 2 O molekula itd.)

ü olakšano - provodi se duž gradijenta hemijskog (elektrohemijskog) potencijala uz učešće proteina nosača.

Olakšana svojstva difuzije:

ü Prisustvo efekta zasićenja (broj proteina nosača u membrani je fiksan);

ü Selektivnost (za svaku supstancu sopstveni protein nosač);

ü Osetljivost na inhibitore;

Prisutnost nosača mijenja kinetiku (brzinu) transporta i postaje slična jednadžbi enzimske katalize, samo se nosač ponaša kao enzim, a prenesena tvar (S) djeluje kao supstrat:

- jednačina olakšane difuzije

Kt - transportna konstanta odgovara Michaelisovoj konstanti i jednaka je koncentraciji S na Js=Jmax/2.

aktivni transport - prijenos tvari protiv gradijenta hemikalije ((elektrohemijski potencijal ili prijenos molekula sa mjesta sa nižom koncentracijom supstance na mesta sa većom koncentracijom supstance. Ovo nije spontan proces (ΔG> 0 - Gibbsova energija se povećava), ona je konjugirana.

Primarni aktivni transport - transport supstanci povezan sa reakcijom hidrolize ATP-a, tokom koje se oslobađa energija koja se koristi za transport supstanci kroz membranu protiv gradijenta hemijskog potencijala.

PAT primjeri:

ü transport K+ i Na+ u vanjske citoplazmatske membrane;

ü H+ transport u mitohondrijama;

ü Transport Ca 2+ u vanjskim citoplazmatskim membranama.

Sekundarni aktivni transport - transport supstanci povezan sa spontanim procesom prenosa Na + jona kroz membranu duž gradijenta elektrohemijskog potencijala supstanci.

Primjeri BAT-a:

ü transport šećera (aminokiselina) zbog energije gradijenta elektrohemijskog potencijala Na+ jona (simport);

ü Na + - Ca 2+ - razmjena je transport Ca 2+ jona zbog energije gradijenta elektrohemijskog potencijala Na + jona (antiport).

Transportne ATPaze prokariotskih i eukaritskih ćelija dijele se u 3 tipa: P-tip, V-tip, F-tip.

ATP-zami citoplazmatske membrane ovog tipa uključuju:

ü Na, + K + - ATPaza

ü Ca 2+ - ATPaza eukariotske plazma membrane

ü H+–ATPaza

Intracelularne ATP-aze P-tip:

Ca 2+ je ATPaza endo-(sarko) plazma retikuluma eukariota.

K+ je ATPaza vanjskih membrana prokariota. Oni su prilično jednostavni, djeluju kao pumpa.

V-tip ATPaze nalaze se u membranama u vakuolama kvasca, u lizosomima, endosomima, sekretornim granulama životinjskih ćelija (H+-ATP-aze).

ATPaze F tipa nalazi se u bakterijskim membranama, hloroplastima, mitohondrijima.

Jonski kanali (uniport) se klasifikuju:

A) prema vrsti jona: natrijum, kalijum, kalcijum i hloridni kanali;

B) prema načinu regulacije:

1) potencijalno osjetljivi

2) hemosenzitivni (kontrolisani receptori)

3) intracelularne supstance (joni).

U procesu prenosa katjona moraju biti ispunjena dva glavna uslova (faktora):

1. Sterić– podudarnost veličina kationa i hidratacijske ljuske sa veličinama kanala.

2. Energija– interakcija kationa sa karboksilom (negativno nabijenim grupama) samog kanala.

Lipidni dvoslojevi su uglavnom nepropusni za ogromnu većinu supstanci, pa stoga transport kroz lipidnu fazu zahtijeva značajne energetske troškove.

Razlikovati aktivni transport I pasivni transport(difuzija).

Pasivni transport

Pasivni transport je prijenos molekula duž koncentracijskog ili elektrohemijskog gradijenta, odnosno određen je samo razlikom u koncentraciji prenesene tvari na suprotnim stranama membrane ili smjerom električnog polja i provodi se bez trošenje ATP energije. Moguća su dva tipa difuzije: jednostavna i olakšana.

jednostavna difuzija javlja se bez sudjelovanja membranskog proteina. Brzina jednostavne difuzije je dobro opisana uobičajenim zakonima difuzije za supstance rastvorljive u lipidnom dvosloju; direktno je proporcionalan stepenu hidrofobnosti molekula, odnosno njegovoj rastvorljivosti u mastima, kao i gradijentu koncentracije. Mehanizam difuzije supstanci rastvorljivih u vodi je manje proučavan. Prenos supstanci preko lipidnog dvosloja, kao što su jedinjenja kao što je etanol, moguć je kroz privremene pore u membrani koje nastaju usled prekida lipidnog sloja tokom kretanja membranskih lipida. Mehanizmom jednostavne difuzije vrši se transmembranski transport gasova (npr.

Rice. 22.5.

0 2 i C0 2), vodu, neke jednostavne organske jone i niz jedinjenja male molekularne težine rastvorljivih u mastima. Treba imati na umu da je jednostavna difuzija neselektivna i da ima malu brzinu.

Olakšana difuzija, za razliku od jednostavne difuzije, ona je olakšana učešćem specifičnih membranskih proteina u ovom procesu. Posljedično, olakšana difuzija je proces difuzije povezan s kemijskom reakcijom interakcije transportirane tvari s nosačem. Ovaj proces je specifičan i odvija se brže od jednostavne difuzije.

Poznata su dva tipa membranskih transportnih proteina: proteini nosači, tzv translocases ili permeaze, I proteini koji formiraju kanale. Transportni proteini vezuju specifične supstance i nose ih kroz dvosloj duž gradijenta koncentracije ili elektrohemijskog potencijala, te stoga ovaj proces, kao kod jednostavne difuzije, ne zahteva ATP energiju.

Specifičan mehanizam funkcionisanja translokaza tokom olakšane difuzije nije dobro shvaćen. Vjeruje se da nakon vezivanja prenesene tvari na protein nosač dolazi do niza konformacijskih promjena potonjeg, omogućavajući da se vezana supstanca transportuje s jedne strane membrane na drugu prema šemi (slika 22.5 ).

Druga moguća varijanta mehanizma transfera je prema tzv tip releja, kada transportni protein uopšte nije u stanju da pređe dvosloj. U tom slučaju, transportirana supstanca može sama preći s jednog proteina na drugi sve dok se ne nađe na suprotnoj strani membrane.

Proteini kanala (ili proteini kanala) formiraju transmembranske hidrofilne kanale kroz koje molekule otopljene tvari odgovarajuće veličine i naboja mogu proći olakšanom difuzijom. Za razliku od transporta koji se obavlja translokazama, transport kroz kanale nema visoku specifičnost, ali se može obaviti mnogo većom brzinom, dostižući zasićenje u širokom rasponu koncentracija transportirane tvari (slika 22.6). Neki kanapei su trajno otvoreni, dok se drugi otvaraju samo kao odgovor na vezivanje transportirane tvari. To dovodi do promjene u konformaciji transportnog proteina, zbog čega se u membrani otvara hidrofilni kanal i supstanca se oslobađa s druge strane membrane (vidi sliku 22.6).

Rice. 22.6.

Do sada, struktura i mehanizam funkcionisanja transportnih proteina nisu dovoljno proučavani, što je u velikoj meri posledica teškoća njihovog izolovanja u solubilizovanom obliku. Po svemu sudeći, najčešći način transmembranskog transporta supstanci mehanizmom olakšane difuzije je transport uz pomoć supstanci koje formiraju kanale.

Rice. 22.7.

Proteini - nosioci svih vrsta, podsjećaju na enzime povezane s membranama, a proces olakšane difuzije je enzimska reakcija po nizu svojstava: 1) transportni proteini su visoko specifični i imaju mjesta vezivanja (mjesta) za transportirani molekul (po analogiji , supstrat); 2) kada su sva mjesta vezivanja zauzeta (tj. protein je zasićen), brzina transporta dostiže svoju maksimalnu vrijednost, označenu U tlh(Sl. 22.7); 3) protein nosač ima karakterističnu konstantu vezivanja K m jednaka koncentraciji transportirane tvari, pri kojoj je brzina transporta polovina njene maksimalne vrijednosti (slično K m za sistem enzim-supstrat), transportni proteini su osetljivi na promene pH vrednosti medijuma; 4) inhibiraju ih kompetitivni ili nekompetitivni inhibitori. Međutim, za razliku od enzimske reakcije, molekul transportirane supstance ne prolazi kroz kovalentnu transformaciju kada je u interakciji sa transportnim proteinom (slika 22.7).

Olakšana difuzija obično je karakteristična za tvari topive u vodi: ugljikohidrate, aminokiseline, metabolički važne organske kiseline i neke ione. Olakšana difuzija takođe prenosi steroidne hormone, brojne vitamine rastvorljive u mastima i druge molekule ove klase. Praktično usmjereni tokovi supstanci u ćeliji jednostavnom i olakšanom difuzijom nikada ne prestaju, jer tvari koje ulaze u ćeliju su uključene u metaboličke transformacije, a njihov gubitak se konstantno nadopunjuje transmembranskim prijenosom duž gradijenta koncentracije.

Postoje aktivni i pasivni prijenos (transport) neutralnih molekula i jona kroz biomembrane. Aktivni transport – nastaje kada se energija troši zbog hidrolize ATP-a ili prijenosa protona kroz respiratorni lanac mitohondrija. Pasivni transport nije povezan sa trošenjem hemijske energije ćelije: on se odvija kao rezultat difuzije supstanci prema nižem elektrohemijskom potencijalu.

Primjer aktivnog transporta je prijenos jona kalija i natrijuma kroz citoplazmatske membrane K – u ćeliju, i Na – iz nje, prijenos kalcija kroz sarkoplazmatski retikulum skeletnih i srčanih mišića u retikulum vezikule, prijenos vodonikovih jona kroz membrane mitohondrija iz matriksa - napolje: svi ovi procesi nastaju usled energije hidrolize ATP-a i izvode se posebnim enzimima - transportnim ATP fazama. Najpoznatiji primjer pasivnog transporta je kretanje jona i kalija kroz citoplazmatsku membranu nervnih vlakana tokom širenja akcionog potencijala.

Pasivan prijenos tvari kroz biomembrane.Difuzija nenabijenih molekula.

Uobičajeno je razlikovati sljedeće vrste pasivnog prijenosa tvari (uključujući ione) kroz membrane:

2. Prenos kroz pore (kanale)

3. Prevoz prevoznicima zbog:

a) difuzija nosača zajedno sa supstancom u membrani (pokretni nosač);

b) relejni transfer supstance sa jednog molekula nosača na drugi, molekuli nosači formiraju privremeni lanac preko membrane.

Transport mehanizmom 2 i 3 ponekad se naziva olakšana difuzija.

Transport neelektrolita jednostavnim iolakšanu difuziju

Različite supstance se transportuju kroz membrane pomoću dva glavna mehanizma: difuzijom (pasivni transport) i aktivnim transportom. Permeabilnost membrana za različite otopljene tvari ovisi o veličini i naboju ovih molekula. Budući da se unutrašnjost membrane sastoji od ugljikovodičnih lanaca, mnogi mali, neutralni i nepolarni molekuli mogu proći kroz bimolekularnu membranu normalnom difuzijom. Drugim riječima, za ove molekule se može reći da su rastvorljivi u membrani.

Najvažnija od ovih supstanci je glukoza, koja se prenosi kroz membrane samo u kombinaciji s molekulom nosačem. Ovu ulogu obično igraju proteini. Kompleks nosača glukoze je lako rastvorljiv u membrani i stoga može difundirati kroz membranu. Takav proces se zove olakšanu difuziju . Ukupna brzina transporta glukoze dramatično se povećava u prisustvu hormona inzulina. Još uvijek nije sasvim jasno da li djelovanje inzulina povećava koncentraciju transportera ili ovaj hormon stimulira stvaranje kompleksa između glukoze i transportera.

Glavni mehanizam pasivnog transporta supstanci, zbog prisustva gradijenta koncentracije, je difuzija.

Difuzija - ovo je spontani proces prodiranja tvari iz područja veće koncentracije u područje koncentracije puhala kao rezultat toplinskog haotičnog kretanja molekula.

Matematički opis procesa difuzije Dar Rick. Prema Rickovom zakonu, brzina difuzije je direktno proporcionalna koncentraciji i gradijentu površine S, kroz koje dolazi do difuzije:

Znak minus na desnoj strani jednadžbe pokazuje da se difuzija događa iz područja veće koncentracije u područje niže koncentracije tvari.

"D" pozvao koeficijent difuzije . Koeficijent difuzije je numerički jednak količini tvari koja difundira u jedinici vremena kroz jediničnu površinu pri gradijentu koncentracije jednakom jedan. "D" zavisi od prirode supstance i temperature. Karakterizira sposobnost tvari da difundira.

Budući da je teško odrediti koncentracijski gradijent ćelijske membrane, jednostavnija jednačina koju su predložili Kolleider i Berlund koristi se za opisivanje difuzije tvari kroz ćelijske membrane:

Gdje Od 1 I Od 2- koncentracija supstance na suprotnim stranama membrane, R- koeficijent propusnosti, sličan koeficijentu difuzije. Za razliku od koeficijenta difuzije, koji zavisi samo od prirode supstance i temperature, "R" zavisi i od svojstava membrane i njenog funkcionalnog stanja.

Prodor otopljenih čestica s električnim nabojem kroz staničnu membranu ne ovisi samo o koncentracijskom gradijentu membrane. S tim u vezi, transport jona može se dogoditi u smjeru suprotnom od gradijenta koncentracije, u prisustvu suprotno usmjerenog električnog gradijenta. Kombinacija koncentracije i električnog gradijenta naziva se elektrohemijski gradijent. Pasivni transport jona kroz membrane uvek prati elektrohemijski gradijent.

Glavni gradijenti koji su svojstveni živim organizmima su koncentracijski, osmotski, električni i fluidni hidrostatski gradijenti tlaka.

U skladu sa ovim gradijentom, razlikuju se sljedeće vrste pasivnog transporta tvari u ćelijama i tkivima: difuzija, osmoza, elektroosmoza i abnormalna osmoza, filtracija.

Od velikog značaja za život ćelija je fenomen spregnutog transporta supstanci i jona, koji se sastoji u tome da je prenos jedne supstance (jona) protiv elektrohemijskog potencijala („uzbrdo“) posledica istovremenog prenosa drugog. jona kroz membranu u smjeru smanjenja elektrohemijskog potencijala („nizbrdo“). Ovo je šematski prikazano na slici. Rad transportnih ATPaza i prijenos protona tokom rada respiratornog lanca mitohondrija često se naziva primarni aktivni transport, a transport supstanci povezanih s njim se naziva sekundarno aktivni transport.

fenomen transfera. Opća transportna jednačina.

Grupa pojava uzrokovanih haotičnim kretanjem molekula i koje dovode do prijenosa mase, kinetičke energije i impulsa naziva se fenomen transfera .

To uključuje difuziju - prijenos materije, provođenje topline - prijenos kinetičke energije i unutrašnje trenje - prijenos količine gibanja.

Opšta jednačina transporta koja opisuje ove pojave može se dobiti na osnovu molekularne kinetičke teorije.

Neka se određena fizička veličina prenese kroz područje "S" (slika) kao rezultat haotičnog kretanja molekula.

Na udaljenostima jednakim srednjem slobodnom putu, desno i lijevo od mjesta, konstruiramo pravokutne paralelepipede male debljine " l» ( l<< ). Объем каждого параллелепипеда равен

V = Sl.

Ako je koncentracija molekula " P”, tada se unutar odabranog paralelepipeda nalazi “ S l p» molekule.

Sve molekule zbog njihovog haotičnog kretanja mogu se uvjetno predstaviti sa šest grupa, od kojih se svaka kreće duž ili protiv smjera jedne od koordinatnih osa. Odnosno, u smjeru okomitom na lokaciju " S, pomiče molekule. Budući da se volumen "1" nalazi na udaljenosti od lokacije " S“, tada će ovi molekuli doći do njega bez sudara. Isti broj molekula će doći do tog područja" S" na lijevo.

Svaki molekul može prenijeti određenu vrijednost "Z" (masa, impuls, kinetička energija), a svi molekuli - ili , gdje H = nZ- fizička količina koju nose molekuli zatvoreni u jediničnoj zapremini. Kao rezultat, preko platforme S» iz svezaka 1 i 2 za vremenski interval «Dt» vrijednost se prenosi

Da bismo odredili vrijeme "Dt", pretpostavljamo da se svi molekuli iz dodijeljenih volumena kreću istom prosječnom brzinom. Zatim molekuli zapremine 1 ili 2 koji su dosegli područje " S, pređite ga tokom vremenskog intervala

Deljenjem (1) sa (2) dobijamo da je vrednost preneta u vremenskom intervalu "Dt" jednaka

Promjena vrijednosti "H" po jedinici dužine "dx" naziva se gradijent vrijednosti "H". Pošto je (H 1 - H 2) promjena u "H" na udaljenosti jednakoj 2, onda

Nakon zamjene (4) u (3) i množenja rezultirajuće jednačine sa vremenom, nalazimo tok nepodnošljive fizičke veličine "H" za vremenski interval "Dt" kroz područje "S":

Ovo je opšta transportna jednačina koja se koristi u proučavanju difuzije, toplotne provodljivosti, viskoziteta.

Difuzija. Pasivni transport neelektrolita kroz biomembrane,Rickova jednadžba. Transport neelektrolita kroz membranejednostavna i olakšana (u kombinaciji sa nosačem) difuzija.

Difuzija je proces koji dovodi do spontanog smanjenja gradijenata koncentracije u otopini dok se ne uspostavi ujednačena raspodjela čestica. Proces difuzije igra važnu ulogu u mnogim hemijskim i biološkim sistemima. Difuzija je, na primjer, ta koja uglavnom određuje pristup ugljičnog dioksida aktivnim fotosintetskim strukturama u hloroplastima. Da bi se razumjele karakteristike transporta otopljenih molekula kroz ćelijske membrane, potrebno je detaljno poznavanje difuzije. Razmotrimo neke osnovne principe difuzije u otopinama.

Zamislite posudu, na čijoj se lijevoj strani nalazi čisti rastvarač, a na desnoj - otopina pripremljena sa istim rastvaračem. Neka se najprije ova dva dijela posude razdvoje ravnim okomitim zidom. Ako sada uklonimo zid, onda će se zbog nasumičnog kretanja molekula u svim smjerovima granica između otopine i rastvarača pomjeriti ulijevo dok cijeli sistem ne postane homogen. Godine 1855. Rick je, proučavajući procese difuzije, otkrio da je brzina difuzije, odnosno broj molekula otopljene tvari "n" koji prelaze vertikalnu ravninu u jedinici vremena, direktno proporcionalna površini poprečnog presjeka "S" i gradijentu koncentracije . dakle,

Gdje D- koeficijent difuzije (mjeren u m 2 / s u "SI"). Znak minus označava da je difuzija iz područja visoke koncentracije u područje niske koncentracije. To znači da je gradijent koncentracije u smjeru difuzije negativan. Jednačina (1) je poznata kao Rikov prvi zakon difuzije. Fizički zakoni su intuitivni zaključci koji se ne mogu izvesti iz jednostavnijih izjava i čije posljedice nisu u suprotnosti s eksperimentom. Ovi zaključci uključuju zakone mehanike i termodinamike; tako i Rikov zakon.

Razmotrimo sada proces difuzije detaljnije. Izdvojimo u prostoru element volumena " S x dx“, kao što je prikazano na slici

Brzina kojom molekuli otopljene tvari ulaze u element zapremine kroz dio "x" jednaka je Brzina promjene gradijenta koncentracije kako se mijenja "x" jednaka je

Stoga je brzina kojom molekuli otopljene tvari napuštaju element volumena kroz dio udaljen od prvog za "dx" jednak

Brzina akumulacije molekula otopljene tvari u elementu volumena je razlika između ove dvije veličine:

Međutim, ista brzina akumulacije čestica je jednaka , tako da se može pisati

Jednadžba (6) se naziva jednačina difuzije ili Rickov drugi zakon difuzije, iz čega slijedi da je promjena koncentracije tokom vremena na određenoj udaljenosti "x" od početne ravni proporcionalna brzini promjene gradijenta koncentracije u smjer "x" u trenutku "t".

Za rješavanje jednačine (6) potrebno je koristiti posebne metode (razvijene od strane Ruriera), čiji je opis izostavljen, a dobijeni rezultat ima jednostavan oblik:

gdje je C 0 početna koncentracija tvari u referentnoj tački u nultom trenutku vremena.

Prema jednačini (7), moguće je nacrtati zavisnost gradijenta koncentracije o koordinati “x” u različito vrijeme “t”. Optičke metode (na primjer, mjerenjem indeksa prelamanja) mogu odrediti gradijente koncentracije na različitim udaljenostima od granice duž koje je difuzija započela.

Molekularni mehanizam transporta aktivnih jona

Postoje četiri glavna sistema aktivnog transporta jona u živoj ćeliji, od kojih tri obezbeđuju prenos jona natrijuma, kalijuma, kalcijuma i protona kroz biološke membrane zahvaljujući energiji hidrolize ATP-a kao rezultat rada posebnih enzima nosača tzv. transport ATPaze. Četvrti mehanizam - prijenos protona tokom rada respiratornog lanca mitohondrija - još nije dovoljno proučen. Od transportnih ATP-aza, H + - ATP-aza, koja se sastoji od nekoliko podjedinica, je najsloženija, najjednostavnija je Ca 2+ ATP-aza, koja se sastoji od jednog polipeptidnog lanca (podjedinice) molekulske težine oko 100 000. Razmotrimo mehanizam prenosa jona kalcijuma ove ATPaze.

Prvi korak u radu Ca 2+ ATP-zy je vezivanje supstrata: Ca 2+ i ATP u kompleksu sa Mg 2+ (Mg ATP). Ova dva liganda se vežu za različita mjesta na površini molekule enzima okrenuta prema van od vezikule sarkoplazmatskog retikuluma (SR).

Ligand - mali molekul (jon, hormon, lijek, itd.).

Druga faza rada enzima je hidroliza ATP-a. U tom slučaju dolazi do stvaranja enzim-fosfatnog kompleksa (E-P).

Treća faza rada enzima je tranzicija centra vezivanja Ca 2+ na drugu stranu membrane - translokacija.

Oslobađanje energije veze visoke energije javlja se u četvrtoj fazi rada Ca 2+ ATP-aze tokom hidrolize E-P. Ova energija se nikako ne troši (tj. ne pretvara se u toplinu), već se koristi za promjenu konstante vezivanja jona kalcija s enzimom. Prijenos kalcija s jedne strane membrane na drugu povezan je s potrošnjom energije, koja može biti 37,4 - 17,8 = 19,6 kJ/mol. Jasno je da je energija hidrolize ATP dovoljna za prijenos dva jona kalcijuma.

Prenos kalcijuma iz područja nižih (1-4 x 10 -3 M) u područje visokih koncentracija (1-10 x 10 -3 M) je rad koji Ca, transportna ATPaza, radi u mišićnim ćelijama.

Za ponavljanje ciklusa potrebno je vraćanje centara za vezivanje kalcijuma iznutra prema van, odnosno još jedna konformaciona promena u molekulu enzima.

Molekularni mehanizam rada ove dvije "pumpe" je po mnogo čemu blizak.

Glavni koraci u radu Na + K + ATPaza su sljedeći:

1. Pristupanje sa vanjske strane dva K+ jona i jednog Mg 2+ ATP molekula:

2 K + + Mg ATP + E ® (2 K +) (Mg ATP) E

2. Hidroliza ATP-a i stvaranje enzima fosfata:

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

3. Prenos centara vezivanja K+ unutra (translokacija 1):

(2K +)E - P ® E - P(2K +)

4. Odvajanje oba jona kalijuma i zamena ovih jona sa tri Na jona koja se nalaze unutar ćelije:

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

5. Hidroliza E - P:

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

6. Transfer centara vezivanja zajedno sa Na+ jonima prema van (translokacija 2):

E(3Na+) ® (3Na+)E

7. Uklanjanje 3 Na+ i dodavanje 2 K+ spolja:

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

Prijenos 2 K+ unutar ćelije i oslobađanje 3 Na+ van u konačnici dovodi do prijenosa jednog pozitivnog jona iz citoplazme u okolinu, a to doprinosi pojavi membranskog potencijala (sa predznakom minus unutar ćelije). ćelija).

Stoga je Na + K + pumpa elektrogena.

Propustljivost

Permeabilnost je sposobnost ćelija i tkiva da apsorbuju, oslobađaju i transportuju hemikalije, prolazeći ih kroz ćelijske membrane, vaskularne zidove i epitelne ćelije. Žive ćelije i tkiva su u stanju stalne razmene hemikalija sa okolinom, primaju hranu iz nje i u nju uklanjaju metaboličke produkte. Glavna difuziona barijera za kretanje supstanci je ćelijska membrana. Godine 1899. Overton je otkrio da lakoća prolaska tvari kroz ćelijsku membranu ovisi o sposobnosti ovih tvari da se otapaju u mastima. Istovremeno, brojne polarne supstance su prodrle u ćelije bez obzira na njihovu rastvorljivost u mastima, što se može objasniti postojanjem vodenih pora u membranama.

Trenutno postoje pasivna permeabilnost, aktivni transport supstanci i posebni slučajevi permeabilnosti povezani sa fagocitozom i pinocitozom.

Glavne vrste difuzije su difuzija tvari otapanjem u membranskim lipidima, difuzija tvari kroz polarne pore, difuzija iona kroz nenabijene pore. Posebne vrste difuzije su olakšane i razmjena. Obezbeđuju ga specijalne supstancije topive u mastima koje su u stanju da vežu transportovanu supstancu na jednoj strani membrane, difunduju sa njom kroz membranu i oslobađaju je na drugoj strani membrane. Ulogu specifičnih nosača jona obavljaju neki antibiotici, zvani jonofori (valinomin, nigericin, monenzin, poenoični antibiotici nistatin, aifotericin B i niz drugih).

Jonofori se pak mogu podijeliti u tri klase ovisno o naboju nosača i strukturi prstena: neutralni nosač sa zatvorenim prstenom kovalentne veze (valinomicin, naktini, poliesteri), nabijeni nosač s prstenom zatvorenim vodonikom. veza (nigericin, monenzin). Nabijeni nosači teško prodiru u nabijenom obliku kroz modelne i biološke membrane, dok u neutralnom obliku slobodno difundiraju u membrani. Neutralni oblik nastaje kompleksiranjem anjonskog oblika nosača sa kationom. Dakle, nabijeni nosači mogu zamijeniti katione koji se nalaze pretežno na jednoj strani membrane za katione rastvora koji peru suprotnu stranu membrane.

Najčešći tip pasivne difuzije ćelijskih membrana je porozna. Podaci o osmotskim svojstvima ćelija svjedoče u prilog stvarno postojećem poroznom mehanizmu permeabilnosti.

Klasična jednačina osmotskog pritiska:

gdje je p osmotski tlak, c je koncentracija otopljene tvari, R je plinska konstanta, T je apsolutna temperatura, uključuje dodatni član s, koji varira od nule do 1. Ova konstanta, nazvana koeficijent refleksije, odgovara lakoća prolaska otopljene supstance kroz membranu u poređenju sa prolaskom molekula vode.

Vrsta permeabilnosti, karakteristična samo za žive ćelije i tkiva, naziva se aktivni transport. Aktivni transport je prijenos tvari kroz staničnu membranu iz okolnog rastvora (homocelularni aktivni transport) ili putem ćelijskog aktivnog transporta, koji teče protiv gradijenta elektrohemijske aktivnosti supstance uz trošenje slobodne energije tijela. Sada je dokazano da se molekularni sistem odgovoran za aktivni transport supstanci nalazi u ćelijskoj membrani.

Sada je dokazano da je glavni element jonske pumpe Na + K + ATPaza. Proučavanje svojstava ovog membranskog enzima pokazalo je da je enzim aktivan samo u prisustvu jona kalijuma i natrijuma, pri čemu joni natrijuma aktiviraju enzim sa strane citoplazme, a joni iz okolnog rastvora. Specifičan inhibitor enzima je kiseli glikozid suabain. U membranama mitohondrija poznat je još jedan molekularni sistem koji osigurava pumpanje vodonikovih jona pomoću enzima H + - ATPaze.

P. Mitchell, autor hemiosmotske teorije oksidativne fosforilacije u mitohondrijima, uveo je koncept sekundarnog aktivnog transporta supstanci. Postoje tri metode transmembranskog transporta jona u konjugirajućim membranama. Jednosmjerni prijenos iona u smjeru elektrohemijskog gradijenta slobodnom difuzijom ili uz pomoć specifičnog nosača - uniporta. U potonjem slučaju, uniport je identičan olakšanoj difuziji. Složenija situacija nastaje kada dvije supstance stupe u interakciju s istim nosačem. Ovaj slučaj simporta podrazumijeva obaveznu konjugaciju tokova dvije supstance u procesu njihovog prijenosa kroz membranu u jednom smjeru. Simport dva jona je električno neutralan, ali je u ovom slučaju poremećena osmotska ravnoteža.

Treba naglasiti da tokom symporta, elektrohemijski gradijent koji određuje kretanje jednog od jona (na primjer, jona natrijuma ili jona vodika) može uzrokovati kretanje druge tvari (na primjer, molekula karara ili aminokiselina), koju nosi zajednički prevoznik. Treći tip ionske konjugacije - aktiport - karakterizira situaciju u kojoj su dva jona istog znaka balansirana preko membrane na način da prijenos jednog od njih zahtijeva prijenos drugog u suprotnom smjeru. Prijenos je općenito električno neutralan i osmotski uravnotežen. Ovaj tip prijenosa je identičan razmjenskoj difuziji.

Manje su proučavane dvije posebne vrste permeabilnosti – fagocitoza – proces hvatanja i apsorpcije velikih čvrstih čestica i pinocitoza – proces hvatanja i apsorpcije dijela ćelijske površine okolne tekućine sa tvarima otopljenim u njoj.

Sve vrste permeabilnosti su u određenoj mjeri karakteristične za višećelijska tkiva membrana zidova krvnih žila, epitela bubrega, crijevne sluznice i želuca.

Za proučavanje pasivne i aktivne propusnosti koriste se različite kinetičke metode. Metoda označenog atoma je najčešće korištena.

Vitalne boje se široko koriste u proučavanju propusnosti. Suština metode je promatranje brzine prodiranja molekula boje u ćeliju pomoću mikroskopa. Trenutno se široko koriste fluorescentne oznake, među njima natrijum fluorescein, hlortetraciklin, itd. D.N. Nasonov, V.Ya. Aleksandrov i A.S. Troshin.

Osmotska svojstva ćelija i subćelijskih čestica omogućavaju korištenje ove kvalitete za proučavanje propusnosti vode i tvari topljivih u njoj. Suština osmotske metode leži u činjenici da se korištenjem mikroskopa ili mjerenjem raspršenja svjetlosti suspenzije čestica uočava promjena volumena čestica ovisno o toničnosti okolnog rastvora.

Potenciometrijske metode se sve više koriste za proučavanje ćelijskih membrana. Širok spektar jono-specifičnih elektroda omogućava vam da proučavate kinetiku transporta mnogih jona - K+, Na+, Ca2+, H+, CI - i drugih, kao i organskih jona - acetata, salicilata, itd.