Passiv transport är transport av ämnen längs en koncentrationsgradient som inte kräver energi. Passiv transport av hydrofoba ämnen sker genom lipiddubbelskiktet. Alla kanalproteiner och vissa transportörer passerar ämnen genom dem passivt. Passiv transport som involverar membranproteiner kallas underlättad diffusion.

Andra bärarproteiner (ibland kallade pumpproteiner) transporterar ämnen över membranet med hjälp av energi, som vanligtvis tillförs genom hydrolys av ATP. Denna typ av transport sker mot koncentrationsgradienten av det transporterade ämnet och kallas aktiv transport.

Simport, antiport och uniport

Membrantransport av ämnen skiljer sig också i riktningen för deras rörelse och mängden ämnen som bärs av en given bärare:

1) Uniport - transport av ett ämne i en riktning beroende på gradienten

2) Symport - transport av två ämnen i en riktning genom en bärare.

3) Antiport - rörelse av två ämnen i olika riktningar genom en bärare.

Uniport utför till exempel en spänningsberoende natriumkanal genom vilken natriumjoner rör sig in i cellen under genereringen av en aktionspotential.

Simport utför en glukostransportör placerad på den yttre sidan (mot tarmens lumen) av tarmepitelcellerna. Detta protein fångar samtidigt en glukosmolekyl och en natriumjon och, förändrad konformation, överför båda substanserna in i cellen. Detta använder energin från den elektrokemiska gradienten, som i sin tur skapas på grund av hydrolysen av ATP av natrium-kalium ATPas.

Antiport utförs till exempel av natrium-kalium-ATPas (eller natriumberoende ATPas). Det transporterar kaliumjoner in i cellen. och från cellen - natriumjoner.

Arbetet med natrium-kalium atPase som ett exempel på antiport och aktiv transport

Till en början fäster denna transportör tre joner på insidan av membranet Na+ . Dessa joner ändrar konformationen av det aktiva stället för ATPas. Efter sådan aktivering kan ATPaset hydrolysera en ATP-molekyl och fosfatjonen fixeras på ytan av transportören på insidan av membranet.

Den frigjorda energin spenderas på att ändra konformationen av ATPas, varefter tre joner Na+ och jonen (fosfatet) hamnar på utsidan av membranet. Här jonerna Na+ spjälkas av och ersätts av två joner K+ . Sedan ändras bärarkonformationen till den ursprungliga, och jonerna K+ visas på insidan av membranet. Här jonerna K+ delas av och bäraren är redo att fungera igen.

Mer kortfattat kan ATPases handlingar beskrivas enligt följande:

1) Den "tar" tre joner inifrån cellen Na+, delar sedan ATP-molekylen och fäster fosfat

2) "Kastar ut" joner Na+ och lägger till två joner K+ från den yttre miljön.

3) Kopplar bort fosfat, två joner K+ kastar in i cellen

Som ett resultat skapas en hög koncentration av joner i den extracellulära miljön Na+ , och inuti cellen finns en hög koncentration K+ . Jobb Na + , K+ - ATPas skapar inte bara en koncentrationsskillnad, utan också en laddningsskillnad (det fungerar som en elektrogen pump). En positiv laddning skapas på utsidan av membranet och en negativ laddning på insidan.

Introduktion

Membrantransport är transport av ämnen genom cellmembranet in i eller ut ur cellen, utförd med olika mekanismer - enkel diffusion, underlättad diffusion och aktiv transport.

Den viktigaste egenskapen hos ett biologiskt membran är dess förmåga att passera olika ämnen in i och ut ur cellen. Detta är av stor betydelse för självreglering och upprätthållande av en konstant cellsammansättning. Denna funktion hos cellmembranet utförs på grund av selektiv permeabilitet, det vill säga förmågan att släppa igenom vissa ämnen och inte andra.

Passiv transport

Det finns passiva och aktiva transporter. Passiv transport sker utan energiförbrukning längs en elektrokemisk gradient. Passiva inkluderar diffusion (enkel och underlättad), osmos, filtrering. Aktiv transport kräver energi och sker mot koncentration eller elektriska gradienter.

Typer av passiv transport

Typer av passiv transport av ämnen:

• Enkel diffusion
• · Osmos
• Jondiffusion
• Underlättad diffusion

Enkel diffusion

Diffusion är den process genom vilken gas eller lösta ämnen sprids för att fylla hela den tillgängliga volymen.

Molekyler och joner lösta i en vätska är i kaotisk rörelse, kolliderar med varandra, lösningsmedelsmolekyler och cellmembranet. Kollisionen av en molekyl eller jon med ett membran kan ha två utfall: molekylen kommer antingen att "studsa av" membranet eller passera genom det. När sannolikheten för den senare händelsen är hög sägs membranet vara genomsläppligt för ämnet.

Om koncentrationen av ett ämne på båda sidor av membranet är olika, uppstår ett flöde av partiklar, riktat från en mer koncentrerad lösning till en utspädd. Diffusion sker tills koncentrationen av ämnet på båda sidor av membranet är utjämnad. Både ämnen som är mycket lösliga i vatten (hydrofila) och hydrofoba ämnen som är dåligt eller helt olösliga i det passerar genom cellmembranet.

Hydrofoba, mycket lipidlösliga ämnen diffunderar på grund av upplösning i membranlipider. Vatten och ämnen som är mycket lösliga i det penetrerar genom tillfälliga defekter i membranets kolväteregion, den sk. veck, såväl som genom porer, permanent existerande hydrofila områden av membranet.

När cellmembranet är ogenomträngligt eller dåligt permeabelt för lösta ämnen, men permeabelt för vatten, utsätts det för osmotiska krafter. Vid en lägre koncentration av ett ämne i cellen än i miljön krymper cellen; om koncentrationen av lösta ämnen i cellen är högre, forsar vatten in i cellen.

Osmos är rörelsen av vatten (lösningsmedel) molekyler genom ett membran från ett område med lägre till ett område med högre koncentration av ett löst ämne. Osmotiskt tryck är det lägsta tryck som måste appliceras på en lösning för att förhindra att lösningsmedlet strömmar genom membranet till en lösning med en högre koncentration av ämnet.

Lösningsmedelsmolekyler, liksom molekyler av vilket annat ämne som helst, sätts i rörelse av en kraft som uppstår som ett resultat av en skillnad i kemiska potentialer. När ett ämne löser sig minskar lösningsmedlets kemiska potential. Därför, i ett område där koncentrationen av lösta ämnen är högre, är lösningsmedlets kemiska potential lägre. Sålunda rör sig lösningsmedelsmolekyler, som rör sig från en lösning med en lägre koncentration till en lösning med en högre koncentration, i termodynamisk mening "nedåt", "längs gradienten".

Volymen av celler regleras till stor del av mängden vatten de innehåller. Cellen är aldrig i fullständig jämvikt med sin omgivning. Den kontinuerliga rörelsen av molekyler och joner över plasmamembranet förändrar koncentrationen av ämnen i cellen och följaktligen det osmotiska trycket av dess innehåll. Om en cell utsöndrar ett ämne måste den för att upprätthålla ett konstant osmotiskt tryck antingen utsöndra en lämplig mängd vatten eller absorbera en motsvarande mängd av ett annat ämne. Eftersom miljön som omger de flesta celler är hypoton, är det viktigt för cellerna att förhindra att stora mängder vatten kommer in i dem. Att bibehålla en konstant volym även i en isoton miljö kräver energiförbrukning, därför i cellen är koncentrationen av ämnen som inte kan spridas (proteiner, nukleinsyror, etc.) högre än i den pericellulära miljön. Dessutom ackumuleras ständigt metaboliter i cellen, vilket stör den osmotiska balansen. Behovet av att förbruka energi för att upprätthålla en konstant volym är lätt påvisad i experiment med kylande eller metabola inhibitorer. Under sådana förhållanden sväller cellerna snabbt.

För att lösa det "osmotiska problemet" använder celler två metoder: de pumpar komponenterna i deras innehåll eller vattnet som kommer in i dem i mellanrummet. I de flesta fall använder celler det första alternativet - pumpa ut ämnen, oftast joner, med hjälp av en natriumpump (se nedan).

I allmänhet bestäms volymen av celler som inte har stela väggar av tre faktorer:

• a) mängden ämnen som finns i dem som inte kan penetrera membranet;
• b) koncentrationen i interstitium av föreningar som kan passera genom membranet;
• c) förhållandet mellan penetrationshastigheten och pumpningen av ämnen från cellen.

En viktig roll i regleringen av vattenbalansen mellan cellen och omgivningen spelas av plasmamembranets elasticitet, vilket skapar ett hydrostatiskt tryck som hindrar vattenflödet in i cellen. Om det finns en skillnad i hydrostatiskt tryck i två områden av mediet, kan vatten filtreras genom porerna i barriären som separerar dessa områden.

Filtreringsfenomen ligger till grund för många fysiologiska processer, såsom bildandet av primär urin i nefronet, utbyte av vatten mellan blod och vävnadsvätska i kapillärer.

Jondiffusion

Diffusion av joner sker huvudsakligen genom specialiserade membranproteinstrukturer - jonkanaler, när de är i öppet tillstånd. Beroende på typen av vävnad kan celler ha en annan uppsättning jonkanaler. Det finns natrium-, kalium-, kalcium-, natrium-kalcium- och kloridkanaler. Transporten av joner genom kanaler har ett antal egenskaper som skiljer den från enkel diffusion. Detta gäller i allra högsta grad kalciumkanaler.

Jonkanaler kan vara i öppna, stängda och inaktiverade tillstånd. Övergången av en kanal från ett tillstånd till ett annat styrs antingen av en förändring i den elektriska potentialskillnaden på membranet eller av interaktionen av fysiologiskt aktiva substanser med receptorer. Följaktligen är jonkanaler uppdelade i spänningsstyrda och receptorstyrda. Den selektiva permeabiliteten för en jonkanal för en specifik jon bestäms av närvaron av speciella selektiva filter vid dess mun.

Underlättad diffusion

Förutom vatten och joner tränger många ämnen (från etanol till komplexa läkemedel) genom biologiska membran genom enkel diffusion. Samtidigt penetrerar inte ens relativt små polära molekyler, till exempel glykoler, monosackarider och aminosyror, praktiskt taget inte membranet hos de flesta celler på grund av enkel diffusion. Deras överföring utförs genom underlättad diffusion. Underlättad diffusion av ett ämne längs dess koncentrationsgradient, som utförs med deltagande av speciella proteinbärarmolekyler, kallas diffusion.

Transport av Na+, K+, Cl-, Li+, Ca2+, HCO3- och H+ kan också utföras av specifika bärare. De karakteristiska egenskaperna för denna typ av membrantransport är den höga överföringshastigheten för ämnet jämfört med enkel diffusion, beroende av strukturen hos dess molekyler, mättnad, konkurrens och känslighet för specifika inhibitorer - föreningar som hämmar underlättad diffusion.

Alla de listade egenskaperna för underlättad diffusion är resultatet av specificiteten hos bärarproteiner och deras begränsade antal i membranet. När en viss koncentration av det transporterade ämnet uppnås, när alla bärare är upptagna av transporterade molekyler eller joner, kommer dess ytterligare ökning inte att leda till en ökning av antalet transporterade partiklar - ett mättnadsfenomen. Ämnen som liknar molekylstrukturen och som transporteras av samma bärare kommer att konkurrera om bäraren - ett konkurrensfenomen.

Det finns flera typer av transport av ämnen genom underlättad diffusion

Uniport, när molekyler eller joner transporteras över membranet oavsett närvaro eller överföring av andra föreningar (transport av glukos, aminosyror genom basalmembranet hos epitelceller);

Symport, där deras överföring sker samtidigt och enkelriktat med andra föreningar (natriumberoende transport av sockerarter och aminosyror Na+ K+, 2Cl- och cotran-sport);

Antiport -- (transport av ett ämne beror på den samtidiga och motsatt riktade transporten av en annan förening eller jon (Na+/Ca2+, Na+/H+ Cl-/HCO3- - utbyten).

Simport och antiport är typer av samtransport där överföringshastigheten kontrolleras av alla deltagare i transportprocessen.

Transportproteinernas natur är okänd. Baserat på deras funktionsprincip är de indelade i två typer. Bärare av den första typen gör skyttelrörelser genom membranet, medan bärare av den andra typen är inbäddade i membranet och bildar en kanal. Deras verkan kan modelleras med hjälp av jonofora antibiotika som transporterar alkalimetaller. Så en av dem - (valinomycin) - fungerar som en sann bärare som transporterar kalium över membranet. Molekyler av gramicidin A, en annan jonofor, sätts in i membranet efter varandra och bildar en "kanal" för natriumjoner.

De flesta celler har ett underlättat diffusionssystem. Listan över metaboliter som transporteras via denna mekanism är dock ganska begränsad. Dessa är främst sockerarter, aminosyror och vissa joner. Föreningar som är intermediära metaboliska produkter (fosforylerade sockerarter, produkter från aminosyrametabolism, makroerg) transporteras inte med detta system. Således tjänar underlättad diffusion till att transportera de molekyler som cellen tar emot från omgivningen. Ett undantag är transporten av organiska molekyler genom epitelet, vilket kommer att diskuteras separat.

Membrantransport - ett specialfall av fenomenet överföring av ämnen genom ett biologiskt membran.

Överföringsfenomen inkluderar:

ü överföring av massa av materia (diffusion);

ü momentumöverföring (viskositet);

ü energiöverföring (värmeledningsförmåga);

ü laddningsöverföring (elektrisk ledningsförmåga).

Typer av membrantransport:

Passiv -överföring av molekyler och joner längs en gradient av kemiska (eller elektrokemiska potentialer eller överföring av molekyler från platser med en högre koncentration av ett ämne till platser med en lägre koncentration av ett ämne. Detta är en spontan process (ΔG<0 - энергия Гиббса уменьшается).

Ett ämnes flödestäthet genom membranet bestäms Theorell ekvation:

ü J - mol/(m 2 s)

ü - gradient av kemisk eller elektrokemisk potential (avser en förändring av kemisk eller elektrokemisk potential när ett ämne överförs genom ett membran av tjocklek x)

ü U är mobilitetskoefficienten för molekyler.

ü C är koncentrationen av ämnet.

Passiv transport av icke-elektrolyter (till exempel glukos) under normal diffusion bestäms Ficks ekvation, som härleds baserat på substitution och differentiering av uttrycket för ämnens kemiska potential - in i Theorells ekvation

ü - ämneskoncentrationsgradient (är drivkraften för ämnesöverföring)

ü RTU = D - diffusionskoefficient - m 2 / s.

ü R - Universell gaskonstant.

"-"-tecknet indikerar att ämnets totala flödestäthet är inriktat på att minska koncentrationen av ämnet.

Passiv transport av elektrolyter (joner K+, Na+, Ca 2+, Mg 2+, etc.) under vanlig diffusion bestäms Nernst-Plancks ekvation, som härleds baserat på substitution och differentiering av uttrycket för ämnens elektrokemiska potential - till Theorells ekvation:

ü Z - jonladdning;

ü F =96500 C/mol - Faraday-tal.

ü φ - elektrisk potential - V (volt);

ü - elektrisk potentialgradient;

och - är drivkrafterna för elektrolyttransport under passiv transport.

Typer av diffusion:

ü vanligt (överföring av gasmolekyler O 2, CO 2, H 2 O-molekyler, etc.)

ü lätt - utförs längs en gradient av kemisk (elektrokemisk) potential med deltagande av ett bärarprotein.

Underlättade diffusionsegenskaper:

ü Närvaron av en mättnadseffekt (antalet bärarproteiner i membranet är fixerat);

ü Selektivitet (varje substans har sitt eget bärarprotein);

ü Känslighet för inhibitorer;

Närvaron av bärare förändrar transportens kinetik (hastighet), och den blir lik ekvationerna för enzymatisk katalys, endast bäraren fungerar som ett enzym och den transporterade substansen (S) fungerar som ett substrat:

- underlättad diffusionsekvation

Kt – transportkonstanten motsvarar Michaelis-konstanten och är lika med koncentrationen av S vid Js=Jmax/2.

Aktiv transport -överföring av ämnen mot en gradient av kemisk ((elektrokemisk potential) eller överföring av molekyler från platser med en lägre koncentration av ett ämne till platser med en högre koncentration av ett ämne. Detta är inte en spontan process (ΔG>0 - Gibbs energi ökar), men är konjugerad.

Primär aktiv transport - transport av ämnen associerade med ATP-hydrolysreaktionen, under vilken energi frigörs som används för att transportera ämnen över membranet mot en gradient av kemisk potential.

Exempel på PAT:

ü transport av K+ och Na+ i externa cytoplasmatiska membran;

ü H+ transport i mitokondrier;

ü transport av Ca 2+ i externa cytoplasmatiska membran.

Sekundär aktiv transport - transport av ämnen associerade med den spontana processen för överföring av Na+-joner genom membranet längs gradienten av ämnens elektrokemiska potential.

Exempel på BAT:

ü transport av sockerarter (aminosyror) på grund av energin i gradienten av den elektrokemiska potentialen för Na + joner (symport);

ü Na + - Ca 2+ - utbyte är transporten av Ca 2+ joner på grund av energin från gradienten av den elektrokemiska potentialen för Na + joner (antiport).

Transport ATPaser av prokaryota och eukarytiska celler delas in i 3 typer: P-typ, V-typ, F-typ.

ATP-enzymer av denna typ av cytoplasmatiska membran inkluderar:

ü Na,+K+ – ATPas

ü Ca 2+ – ATPas plasmamembran av eukaryoter

ü H+–ATPas

Intracellulära ATPaser P-typ:

Ca 2+ är ett ATPas av endo-(sarco) plasmaretikulum hos eukaryoter.

K+ – ATPas i de yttre membranen av prokaryoter. De är utformade helt enkelt, de fungerar som en pump.

ATPaser av V-typ finns i membran i jästvakuoler, i lysosomer, endosomer och sekretoriska granuler från djurceller (H+–ATPaser).

ATPaser av F-typ finns i bakteriemembran, kloroplaster och mitokondrier.

Jonkanaler (uniport) klassificeras:

A) per typ av joner: natrium-, kalium-, kalcium- och klorkanaler;

B) enligt regleringsmetoden:

1) potentialkänslig

2) kemokänslig (receptorkontrollerad)

3) intracellulära substanser (joner).

I processen för katjonöverföring måste två huvudvillkor (faktorer) uppfyllas:

1. Sterisk– sammanfallande av dimensionerna på katjonen och hydratiseringsskalet med dimensionerna på kanalen.

2. Energi– interaktion av katjonen med karboxyl (negativt laddade grupper i själva kanalen).

Lipiddubbelskikt är i stort sett ogenomträngliga för de allra flesta ämnen, och därför kräver transport genom lipidfasen betydande energiförbrukning.

Skilja på aktiv transport Och passiv transport(diffusion).

Passiv transport

Passiv transport är överföringen av molekyler längs en koncentration eller elektrokemisk gradient, det vill säga den bestäms endast av skillnaden i koncentrationen av det transporterade ämnet på motsatta sidor av membranet eller av det elektriska fältets riktning och utförs utan kostnad av ATP-energi. Två typer av diffusion är möjliga: enkel och underlättad.

Enkel diffusion sker utan deltagande av ett membranprotein. Hastigheten för enkel diffusion beskrivs väl av de vanliga diffusionslagarna för ämnen som är lösliga i lipiddubbelskiktet; den är direkt proportionell mot graden av hydrofobicitet hos molekylen, dvs dess fettlöslighet, såväl som koncentrationsgradienten. Mekanismen för diffusion av vattenlösliga ämnen är mindre studerad. Överföringen av ämnen över lipiddubbelskiktet, till exempel föreningar som etanol, är möjlig genom tillfälliga porer i membranet som bildas av brott i lipidskiktet under membranlipidernas rörelse. Mekanismen för enkel diffusion utför transmembranöverföring av gaser (till exempel,

Ris. 22.5.

0 2 och C0 2), oxar, några enkla organiska joner och ett antal fettlösliga föreningar med låg molekylvikt. Man bör komma ihåg att enkel diffusion är urskillningslös och har en låg hastighet.

Underlättad diffusion, i motsats till enkel diffusion underlättas det av deltagandet av specifika membranproteiner i denna process. Följaktligen är underlättad diffusion en diffusionsprocess associerad med en kemisk reaktion av interaktionen mellan det transporterade ämnet och bslk-psrs-bäraren. Denna process är specifik och sker med en högre hastighet än enkel diffusion.

Två typer av membrantransportproteiner är kända: bärarproteiner kallas translokaser eller genomsyrar, Och kanalbildande proteiner. Transportproteiner binder specifika ämnen och transporterar dem genom dubbelskiktet längs deras koncentrationsgradient eller elektrokemiska potential, och därför kräver denna process, som med enkel diffusion, inte utgifterna för ATP-energi.

Den specifika funktionsmekanismen för translokaser under underlättad diffusion har inte studerats tillräckligt. Man tror att efter att den transporterade substansen binder till bärarproteinet sker ett antal konformationsförändringar av det senare, vilket gör att den bundna substansen kan transporteras från ena sidan av membranet till den andra enligt schemat (fig. 22.5).

En annan möjlig överföringsmekanism är den sk relätyp, när transportproteinet inte alls kan passera dubbelskiktet. I det här fallet kan den transporterade substansen själv flytta från ett protein till ett annat tills det hamnar på motsatt sida av membranet.

Kanalbildande proteiner (eller kanalproteiner) bildar transmembrana hydrofila kanaler genom vilka lösta molekyler av lämplig storlek och laddning kan passera genom underlättad diffusion. Till skillnad från transport som utförs av translokaser har transport via kanaler inte hög specificitet, men kan ske i mycket högre hastighet, vilket inte når mättnad över ett brett spektrum av koncentrationer av det transporterade ämnet (Fig. 22.6). Vissa soffor är ständigt öppna, medan andra öppnas endast som svar på bindningen av det transporterade ämnet. Detta leder till en förändring i konformationen av transportproteinet, vilket gör att en hydrofil kanal öppnas i membranet och substansen frigörs på andra sidan av membranet (se fig. 22.6).

Ris. 22.6.

Hittills har strukturen och funktionsmekanismen för transportproteiner inte studerats tillräckligt, vilket till stor del beror på svårigheten att isolera dem i solubiliserad form. Uppenbarligen är det vanligaste sättet för transmembrantransport av ämnen genom mekanismen för underlättad diffusion transport med kanalbildande ämnen.

Ris. 22.7.

Proteiner - transportörer av alla typer, liknar membranbundna enzymer, och processen för underlättad diffusion är en enzymatisk reaktion i ett antal egenskaper: 1) transportproteiner är mycket specifika och har bindningsställen (ställen) för den transporterade molekylen (analogt). - substratet); 2) när alla bindningsställen är upptagna (dvs proteinet är mättat), når transporthastigheten ett maximalt värde, betecknat U tlx(Fig. 22.7); 3) bärarproteinet har en bindningskonstant som är karakteristisk för sig K m, lika med koncentrationen av det transporterade ämnet, vid vilken transporthastigheten är halva dess maximala värde (på liknande sätt K m för enzym-substratsystemet) är transportproteiner känsliga för förändringar i miljöns pH-värde; 4) de hämmas av konkurrerande eller icke-konkurrerande inhibitorer. Men till skillnad från en enzymatisk reaktion genomgår inte molekylen av den transporterade substansen en kovalent transformation när den interagerar med transportproteinet (Fig. 22.7).

Underlättad diffusion är vanligtvis karakteristisk för vattenlösliga ämnen: kolhydrater, aminosyror, metaboliskt viktiga organiska syror och vissa joner. Transporten av steroidhormoner, ett antal fettlösliga vitaminer och andra molekyler av denna klass sker också genom underlättad diffusion. Praktiskt riktade flöden av substanser i en cell genom enkel och underlättad diffusion slutar aldrig, eftersom substanser som kommer in i cellen är involverade i metaboliska transformationer, och deras förlust fylls ständigt på genom transmembrantransport längs en koncentrationsgradient.

Det sker aktiv och passiv överföring (transport) av neutrala molekyler och joner genom biomembran. Aktiv transport - inträffar när energi förbrukas på grund av ATP-hydrolys eller protonöverföring längs den mitokondriella andningskedjan. Passiv transport är inte associerad med att cellen förbrukar kemisk energi: den sker som ett resultat av diffusion av ämnen mot en lägre elektrokemisk potential.

Ett exempel på aktiv transport är överföringen av kalium- och natriumjoner genom de cytoplasmatiska membranen K - in i cellen, och Na - från den, överföringen av kalcium genom det sarkoplasmatiska retikulumet av skelett- och hjärtmuskler till retikulumvesiklerna, överföring av vätejoner genom mitokondriernas membran från matrisen - ut: alla dessa processer sker på grund av energin från ATP-hydrolys och utförs av speciella enzymer - ATP-transportfaser. Det mest kända exemplet på passiv transport är rörelsen av joner och kalium över det cytoplasmatiska membranet av nervfibrer under utbredningen av en aktionspotential.

Passiv överföring av ämnen genom biomembran.Diffusion av oladdade molekyler.

Det är vanligt att särskilja följande typer av passiv överföring av ämnen (inklusive joner) genom membran:

2. Överföring genom porer (kanaler)

3. Transport med vektorer på grund av:

a) diffusion av bäraren tillsammans med substansen i membranet (mobil bärare);

b) reläöverföring av ett ämne från en bärarmolekyl till en annan, bärarmolekylerna bildar en temporär kedja över membranet.

Transport med mekanismerna 2 och 3 kallas ibland för underlättad diffusion.

Transport av icke-elektrolyter med enkla ochunderlättad diffusion

Olika ämnen transporteras över membran genom två huvudmekanismer: genom diffusion (passiv transport) och genom aktiv transport. Permeabiliteten hos membran för olika lösta ämnen beror på storleken och laddningen av dessa molekyler. Eftersom den inre delen av membranet är sammansatt av kolvätekedjor kan många små neutrala och opolära molekyler passera genom det bimolekylära membranet genom vanlig diffusion. Annars kan vi säga att dessa molekyler är lösliga i membranet.

Det viktigaste av dessa ämnen är glukos, som transporteras över membran endast i komplex med en bärarmolekyl. Protein spelar vanligtvis denna roll. Glukos-transportörkomplexet är lättlösligt i membranet och kan därför diffundera över membranet. Denna process kallas underlättad diffusion . Den totala hastigheten för glukostransport ökar kraftigt i närvaro av hormonet insulin. Det är ännu inte helt klart om insulinets effekt är att öka koncentrationen av transportören eller om detta hormon stimulerar bildningen av ett komplex mellan glukos och transportören.

Huvudmekanismen för passiv transport av ämnen, på grund av närvaron av en koncentrationsgradient, är diffusion.

Diffusion är en spontan process för penetration av ett ämne från ett område med högre till ett område med lägre koncentration som ett resultat av termisk kaotisk rörelse av molekyler.

Matematisk beskrivning av diffusionsprocessen av Rick. Enligt Ricks lag är diffusionshastigheten direkt proportionell mot koncentrationsgradienten och arean S, genom vilken diffusion sker:

Minustecknet på höger sida av ekvationen indikerar att diffusion sker från ett område med högre koncentration till ett område med lägre koncentration av ämnet.

"D" kallad diffusionskoefficient . Diffusionskoefficienten är numeriskt lika med mängden ämne som diffunderar per tidsenhet genom en enhetsarea med en koncentrationsgradient lika med ett. "D" beror på ämnets natur och temperaturen. Det kännetecknar ett ämnes förmåga att diffundera.

Eftersom koncentrationsgradienten för ett cellmembran är svår att bestämma, för att beskriva diffusionen av ämnen genom cellmembran, används en enklare ekvation som föreslagits av Kolleider och Berlund:

Var C 1 Och C 2- koncentrationer av ämnet på olika sidor av membranet, R- permeabilitetskoefficient, liknande diffusionskoefficienten. Till skillnad från diffusionskoefficienten, som endast beror på ämnets natur och temperatur, "R" beror också på membranets egenskaper och dess funktionella tillstånd.

Penetrationen av lösta partiklar med en elektrisk laddning genom cellmembranet beror inte bara på membranets koncentrationsgradient. I detta avseende kan jontransport ske i riktning motsatt koncentrationsgradienten, i närvaro av en motsatt riktad elektrisk gradient. Kombinationen av koncentration och elektriska gradienter kallas en elektrokemisk gradient. Passiv transport av joner över membran sker alltid längs en elektrokemisk gradient.

De huvudsakliga gradienterna som är inneboende i levande organismer är koncentrationsgradienter, osmotiska, elektriska och hydrostatiska vätsketryckgradienter.

I enlighet med denna gradient finns det följande typer av passiv transport av ämnen i celler och vävnader: diffusion, osmos, elektroosmos och anomal osmos, filtrering.

Av stor betydelse för cellernas liv är fenomenet konjugattransport av ämnen och joner, som ligger i det faktum att överföringen av ett ämne (jon) mot den elektrokemiska potentialen ("uppförsbacke") orsakas av samtidig överföring av en annan jon genom membranet i riktning mot att minska den elektrokemiska potentialen ("nedförsbacke") "). Detta visas schematiskt i figuren. Arbetet med att transportera ATPaser och överföringen av protoner under driften av mitokondriernas andningskedja kallas ofta primär aktiv transport, och överföringen av ämnen som är associerade med den kallas sekundär aktiv transport.

Fenomenet överföring. Allmän transportekvation.

En grupp fenomen som orsakas av kaotiska rörelser av molekyler och som leder till överföring av massa, kinetisk energi och momentum kallas överföringsfenomen .

Dessa inkluderar diffusion - överföring av materia, värmeledningsförmåga - överföring av kinetisk energi och intern friktion - överföring av momentum.

Den allmänna transportekvationen som beskriver dessa fenomen kan erhållas på basis av molekylär kinetisk teori.

Låt en viss fysisk kvantitet överföras genom ett område av området "S" (figur) som ett resultat av den kaotiska rörelsen av molekyler.

På avstånd lika med den genomsnittliga fria vägen, till höger och vänster om platsen kommer vi att bygga rektangulära parallellepipeder med liten tjocklek " l» ( l<< ). Объем каждого параллелепипеда равен

V = Sl.

Om koncentrationen av molekyler är " P", sedan inuti den valda parallellepipeden finns " S l p» molekyler.

Alla molekyler, på grund av sin kaotiska rörelse, kan konventionellt representeras i sex grupper, som var och en rör sig längs eller mot riktningen av en av koordinataxlarna. Det vill säga i riktningen vinkelrät mot platsen " S", molekyler rör sig. Eftersom volym "1" ligger på avstånd från platsen " S", då kommer dessa molekyler att nå det utan kollision. Samma antal molekyler kommer att nå platsen " S"till vänster.

Varje molekyl kan överföra ett visst värde "Z" (massa, rörelsemängd, kinetisk energi) och alla molekyler - eller, där H=nZ- en fysisk mängd som bärs av molekyler som ingår i en volymenhet. Som ett resultat, genom plattformen " S» från volymerna 1 och 2 över tidsperioden "Dt" överförs värdet

För att bestämma tiden "Dt" antar vi att alla molekyler från de valda volymerna rör sig med samma medelhastigheter. Sedan når molekylerna i volym 1 eller 2 platsen " S", kryssa det över en tidsperiod

Genom att dividera (1) med (2) får vi att värdet som överförs över tidsintervallet "Dt" är lika med

Förändringen av värdet på "H" per längdenhet "dx" kallas gradienten för värdet på "H". Eftersom (H 1 - H 2) är förändringen i "H" på ett avstånd lika med 2, alltså

Efter att ha ersatt (4) i (3) och multiplicerat den resulterande ekvationen med tid, finner vi flödet av den oacceptabla fysiska storheten "H" över tidsperioden "Dt" genom området "S":

Detta är en allmän transportekvation som används i studiet av diffusion, värmeledningsförmåga och viskositet.

Diffusion. Passiv överföring av icke-elektrolyter genom biomembran,Ricks ekvation. Transport av icke-elektrolyter över membran genomenkel och underlättad (i kombination med en bärare) diffusion.

Diffusion är en process som leder till en spontan minskning av koncentrationsgradienter i en lösning tills en enhetlig fördelning av partiklar har etablerats. Diffusionsprocessen spelar en viktig roll i många kemiska och biologiska system. Det är till exempel diffusion som främst avgör koldioxidens tillgång till aktiva fotosyntetiska strukturer i kloroplaster. För att förstå transporten av lösta molekyler över cellmembran krävs detaljerad information om diffusion. Låt oss titta på några grundläggande principer för diffusion i lösningar.

Låt oss föreställa oss ett kärl, på den vänstra sidan av vilket det finns ett rent lösningsmedel, och på höger sida finns en lösning beredd med samma lösningsmedel. Låt först dessa två delar av kärlet separeras av en platt vertikal vägg. Om vi ​​nu tar bort väggen, så kommer gränsen mellan lösningen och lösningsmedlet, på grund av den slumpmässiga rörelsen av molekyler i alla riktningar, att flyttas åt vänster tills hela systemet blir homogent. 1855 upptäckte Rick, när han studerade diffusionsprocesser, att diffusionshastigheten, det vill säga antalet lösta molekyler "n" som korsar ett vertikalplan per tidsenhet, är direkt proportionell mot tvärsnittsarean "S" och koncentrationsgrad. Således,

Var D- diffusionskoefficient (mätt i m 2 / s i "SI"). Minustecknet indikerar att diffusionen fortsätter från ett område med hög koncentration till ett område med låg koncentration. Detta innebär att koncentrationsgradienten i diffusionsriktningen är negativ. Ekvation (1) är känd som Ricks första diffusionslag. Fysiska lagar är intuitiva slutsatser som inte kan härledas från enklare påståenden och vars konsekvenser inte motsäger experiment. Sådana slutsatser inkluderar mekanikens och termodynamikens lagar; så är Ricks lag.

Låt oss nu betrakta diffusionsprocessen något mer i detalj. Låt oss välja volymelementet i rymden " S×dx", som det visas på bilden

Hastigheten med vilken molekylerna i ett löst ämne kommer in i ett volymelement genom tvärsnittet "x" är lika med Hastigheten för förändring av koncentrationsgradienten när "x" ändras är lika med

Därför är hastigheten med vilken molekylerna i ett löst ämne lämnar ett volymelement genom en sektion som är avlägsen den första med "dx" lika med

Hastigheten för ackumulering av lösta molekyler i ett volymelement är skillnaden mellan dessa två kvantiteter:

Men samma partikelackumuleringshastighet är lika med , så vi kan skriva

Ekvation (6) kallas diffusionsekvationen eller Ricks andra diffusionslag, av vilken det följer att förändringen i koncentration över tiden på ett visst avstånd "x" från det initiala planet är proportionell mot förändringshastigheten för koncentrationsgradienten i riktning "x" vid tiden "t".

För att lösa ekvation (6) är det nödvändigt att använda speciella metoder (utvecklade av Rourier), vars beskrivning utelämnas; det resulterande resultatet har en enkel form:

där C 0 är den initiala koncentrationen av ämnet vid referenspunkten vid nolltid.

Med hjälp av ekvation (7) kan du plotta koncentrationsgradientens beroende av "x"-koordinaten vid olika tidpunkter "t". Med optiska metoder (till exempel genom att mäta brytningsindex) är det möjligt att bestämma koncentrationsgradienter på olika avstånd från den gräns längs vilken diffusionen började.

Molekylär mekanism för aktiv jontransport

Det finns fyra huvudsystem för aktiv jontransport i en levande cell, varav tre säkerställer överföringen av natrium-, kalium-, kalcium- och protonjoner genom biologiska membran på grund av energin från ATP-hydrolys som ett resultat av arbetet med speciella bärarenzymer som kallas transportera ATPaser. Den fjärde mekanismen, protonöverföring under den mitokondriella andningskedjans funktion, har ännu inte studerats tillräckligt. Det mest komplexa av transport-ATPaser är H + - ATPas, bestående av flera subenheter, den enklaste är Ca 2+ ATPas, bestående av en polypeptidkedja (subenhet) med en molekylvikt på cirka 100 000. Låt oss överväga mekanismen för kalciumjontransport av denna ATPas.

Det första steget i arbetet med Ca 2+ ATPas är bindningen av substrat: Ca 2+ och ATP i komplex med Mg 2+ (Mg ATP). Dessa två ligander fäster till olika platser på ytan av enzymmolekylen som är vänd mot utsidan av vesikeln sarkoplasmatiskt retikulum (SR).

Ligand är en liten molekyl (jon, hormon, läkemedel, etc.).

Det andra steget i enzymets arbete är ATP-hydrolys. I detta fall uppstår bildandet av ett enzym-fosfatkomplex (E-P).

Det tredje steget i enzymets arbete är övergången av Ca 2+ bindningscentrum till andra sidan av membranet - translokation.

Frisättningen av bindningsenergi med hög energi sker i det fjärde steget av arbetet med Ca 2+ ATPas under hydrolysen av E-P. Denna energi går inte till spillo (dvs. omvandlas inte till värme), utan används för att ändra bindningskonstanten för kalciumjoner till enzymet. Överföringen av kalcium från ena sidan av membranet till den andra är alltså förknippad med energiförbrukning, som kan uppgå till 37,4 - 17,8 = 19,6 kJ/mol. Det är tydligt att energin från ATP-hydrolys är tillräcklig för att transportera två kalciumjoner.

Överföringen av kalcium från ett område med lägre koncentrationer (1-4 x 10 -3 M) till ett område med högre koncentrationer (1-10 x 10 -3 M) är det arbete som Ca, transport ATPas, gör i muskelceller.

För att upprepa cykeln måste de kalciumbindande centran återvända från insidan till utsidan, det vill säga ytterligare en konformationsförändring i enzymmolekylen.

Den molekylära mekanismen för driften av dessa två "pumpar" är i stort sett lika.

Huvudstadierna av Na + K + ATPaser är följande:

1. Fastsättning från utsidan av två K+-joner och en Mg 2+ ATP-molekyl:

2 K++ Mg ATP + E® (2 K+)(Mg ATP)E

2. Hydrolys av ATP och bildning av enzymfosfat:

(2 K+)(Mg ATP)E® Mg ATP+ (2K+)E - P

3. Överföring av K+ bindningscentra inåt (translokation 1):

(2 K +)E - P ® E - P(2 K +)

4. Koppla bort båda kaliumjonerna och ersätt dessa joner med tre Na-joner placerade inuti cellen:

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

5. Hydrolys E - P:

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

6. Överföring av bindningscentra tillsammans med Na+-joner utåt (translokation 2):

E(3Na+)® (3Na+)E

7. Eliminering av 3 Na + och tillsats av 2 K + från utsidan:

2K0++3Na+(E)®3Na++(2K+)E

Överföringen av 2 K + in i cellen och frisättningen av 3 Na + utanför leder i slutändan till överföringen av en positiv jon från cytoplasman till miljön, och detta bidrar till uppkomsten av en membranpotential (med ett minustecken inuti cell).

Sålunda är Na+K+-pumpen elektrogen.

Permeabilitet

Permeabilitet är förmågan hos celler och vävnader att absorbera, utsöndra och transportera kemikalier, passera dem genom cellmembran, kärlväggar och epitelceller. Levande celler och vävnader är i ett tillstånd av kontinuerligt utbyte av kemikalier med miljön, tar emot mat från den och utsöndrar metaboliska produkter till den. Den huvudsakliga diffusionsbarriären för ämnens rörelse är cellmembranet. 1899 upptäckte Overton att ämnens lätthet att passera genom cellmembranet berodde på dessa ämnens förmåga att lösas upp i fett. Samtidigt trängde ett antal polära ämnen in i cellerna oavsett deras löslighet i fett, vilket skulle kunna förklaras av förekomsten av vattenporer i membranen.

För närvarande skiljer man mellan passiv permeabilitet, aktiv transport av ämnen och speciella fall av permeabilitet i samband med fagocytos och pinocytos.

Huvudtyperna av diffusion är diffusion av ämnen genom upplösning i membranlipider, diffusion av ämnen genom polära porer och diffusion av joner genom oladdade porer. Speciella typer av diffusion underlättas och utbyte. Det tillhandahålls av speciella fettlösliga bärarämnen som kan binda det transporterade ämnet på ena sidan av membranet, diffundera med det genom membranet och släppa ut det på andra sidan av membranet. Rollen för specifika jonbärare utförs av vissa antibiotika, kallade jonoforer (valinomin, nigericin, monensin, poene antibiotika nystatin, aifotericin B och ett antal andra).

Jonoforer kan i sin tur delas in i tre klasser beroende på bärarens laddning och ringens struktur: en neutral bärare med en ring sluten av en kovalent bindning (valinomycin, naktiner, polyestrar), en laddad bärare med en ring sluten av en vätebindning (nigericin, monensin). Laddade bärare har svårt att penetrera modell- och biologiska membran i laddad form, medan de i neutral form diffunderar fritt i membranet. Den neutrala formen bildas genom att bilda ett komplex av den anjoniska formen av bäraren med katjonen. Sålunda kan laddade bärare byta ut katjoner som är belägna övervägande på ena sidan av membranet mot katjoner av lösningen som tvättar den motsatta sidan av membranet.

Den vanligaste typen av passiv diffusion av cellmembran är porr. Data om de osmotiska egenskaperna hos celler stöder en verkligt existerande porpermeabilitetsmekanism.

Den klassiska ekvationen för osmotiskt tryck:

där p är det osmotiska trycket, c är koncentrationen av det lösta ämnet, R är gaskonstanten, T är den absoluta temperaturen, inkluderar ytterligare en term s, som varierar från noll till 1. Denna konstant, som kallas reflektionskoefficienten, motsvarar enkel passage av det lösta ämnet genom membranet i jämförelse med passagen för en vattenmolekyl.

Den typ av permeabilitet som endast är karakteristisk för levande celler och vävnader kallas aktiv transport. Aktiv transport är överföringen av ett ämne genom cellmembranet från den omgivande lösningen (homocellulär aktiv transport) eller genom cellulär aktiv transport, som strömmar mot gradienten av ämnets elektrokemiska aktivitet med utgiften av fri energi från kroppen. Det har nu bevisats att det molekylära systemet som ansvarar för den aktiva transporten av ämnen finns i cellmembranet.

Det har nu bevisats att huvudelementet i jonpumpen är Na + K + ATPas. Studiet av egenskaperna hos detta membranenzym visade att enzymet endast finns i närvaro av kalium- och natriumjoner, och natriumjoner aktiverar enzymet från cytoplasman och joner från den omgivande lösningen. En specifik hämmare av enzymet är den sura glykosiden suabain. I mitokondriella membran är ett annat molekylärt system känt som säkerställer pumpning av vätejoner av enzymet H + - ATPas.

P. Mitchell, författaren till den kemiosmotiska teorin om oxidativ fosfolering i mitokondrier, introducerade begreppet sekundär aktiv transport av ämnen. Det finns tre kända metoder för transmembrantransport av joner i parningsmembran. Enkelriktad transport av joner i riktning mot den elektrokemiska gradienten genom fri diffusion eller med användning av en specifik bärare - uniport. I det senare fallet är uniport identisk med underlättad diffusion. En mer komplex situation uppstår när två ämnen interagerar med samma transportör. Detta fall av symport innebär den obligatoriska konjugeringen av flöden av två ämnen i processen för deras överföring genom membranet i en riktning. Symporten av två joner är elektriskt neutral, men den osmotiska balansen är störd.

Det bör betonas att under symporten kan den elektrokemiska gradienten som bestämmer rörelsen för en av jonerna (till exempel en natriumjon eller en vätejon) orsaka rörelse av ett annat ämne (till exempel sazarmolekyler eller aminosyror), som transporteras av en gemensam transportör. Den tredje typen av jonkonjugation, actiport, kännetecknar en situation där två joner av samma tecken balanseras över membranet på ett sådant sätt att överföringen av en av dem kräver överföring av den andra i motsatt riktning. Överföringen är i allmänhet elektriskt neutral och osmotiskt balanserad. Denna typ av överföring är identisk med utbytesdiffusion.

Mindre studerade är två speciella typer av permeabilitet - fagocytos - processen för infångning och absorption av stora fasta partiklar, och pinocytos - processen för infångning och absorption av en del av cellytan av den omgivande vätskan med ämnen lösta i den.

Alla typer av permeabilitet är, i en eller annan grad, karakteristiska för flercelliga vävnader i membranen av väggarna i blodkärlen, njurepitel, tarmslemhinnor och magslemhinnor.

Olika kinetiska metoder används för att studera passiv och aktiv permeabilitet. Den mest använda metoden är metoden för märkta atomer.

Vitala färgämnen används i stor utsträckning i permeabilitetsstudier. Kärnan i metoden är att observera, med hjälp av ett mikroskop, hastigheten för penetration av färgämnesmolekyler in i cellen. För närvarande används fluorescerande märkningar i stor utsträckning, bland dem natriumfluorescein, klortetracyklin, etc. Mycket beröm för utvecklingen av den vitala färgämnesmetoden tillhör D.N. Nasonov, V.Ya. Alexandrov och A.S. Troshin.

De osmotiska egenskaperna hos celler och subcellulära partiklar gör det möjligt att använda denna kvalitet för att studera permeabiliteten hos vatten och ämnen som är lösliga i det. Kärnan i den osmotiska metoden är att, med hjälp av ett mikroskop eller mätning av ljusspridningen av en suspension av partiklar, observeras en förändring i volymen av partiklarna beroende på toniciteten hos den omgivande lösningen.

Potentiometriska metoder används alltmer för att studera cellmembran. Ett brett utbud av jonspecifika elektroder låter dig studera kinetiken för transport av många joner - K +, Na +, Ca 2+, H +, CI -, etc., såväl som organiska joner - acetat, salicylater, etc. .