Транспорт речовин через біологічні мембрани

ЗМІСТ

транспорт речовина біологічний мембрана клітина

ВСТУП

1. ТРАНСПОРТ РЕЧОВИН ЧЕРЕЗ БІОЛОГІЧНІ МЕМБРАНИ:

1.1 Пасивний транспорт:

1.2 Активний транспорт:

1.3 Вторинний активний транспорт:

ВИСНОВОК;

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ.

ВСТУП Метою цієї роботи є: розкрити суть явища транспорту речовин через біологічні мембрани, ознайомитися з видами транспорту, з їх механізмами дії: з тим, як регулює мембрана потоки речовин та вбудованими в мембрану транспортними системами. Визначити роль цих видів транспорту в життєдіяльності клітини.

Так як жива клітина — це елементарна комірка біологічної організації, що забезпечує всі функції організму, завдання — дослідити серед різноманітних явищ, що протікають в клітині, яке місце займають активний і пасивний транспорт речовин, осмос, фільтрація та біоелектрогенез. Повідомити, що ці явища так чи інакше визначаються бар'єрними властивостями клітинних мембран. Клітина — відкрита система, яка безперервно обмінюється з навколишнім середовищем речовиною та енергією. Отож одним із завдань є дослідження біологічного транспорту основою переносу речовин яких є дифузія через клітинну або багатоклітинну мембрану, способи дифузійного перенесення: дифузія жиророзчинних речовин через ліпідну частину мембрани, перенесення гідрофільних речовин через пори, утворені мембранними ліпідами і білками, полегшена дифузія за участю спеціальних молекул-переносників, виборчий транспорт іонів через іонні канали. А також створеного у процесі еволюції живою клітиною особливого спосібу перенесення, який отримав назву активного транспорту. В цьому випадку перенесення речовини йде проти перепаду концентрації і тому пов’язаний з використанням енергії, універсальним джерелом якої в клітині є молекула аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ).

1. ТРАНСПОРТ РЕЧОВИН ЧЕРЕЗ БІОЛОГІЧНІ МЕМБРАНИ Живі системи на всіх рівнях організації - відкриті системи. Елементарна комірка життя — клітка і клітинні органели теж відкриті системи. Тому транспорт речовин через біологічні мембрани — необхідна умова життя. З перенесенням речовин через мембрани пов’язані процеси метаболізму клітини, біоенергетичні процеси, утворення біопотенціалів, генерація нервового імпульсу та ін. Порушення транспорту речовин через біомембрани призводить до різних патологій. Лікування часто пов’язано з проникненням ліків через клітинні мембрани.

Транспорт речовин через біологічні мембрани можна розділити на два основних типи: пасивний і активний. Визначення пасивного та активного транспорту пов’язані з поняттям електрохімічного потенціалу. Відомо, що рушійною силою будь-якого перенесення є перепад енергії. Вільна енергія (енергія Гіббса) визначається при постійному тиску, температури і кількості переносимих частинок. Остання обставина зручно для опису переносу часток речовини через мембрану з однієї поверхні на іншу.

1.1 Види пасивного транспорту Пасивний транспорт йде в напрямку перепаду електрохімічного потенціалу речовини, відбувається спонтанно і не вимагає вільної енергії АТФ.

Дифузія — мимовільне переміщення речовини з місць з більшою їх концентрацією в місця з меншою концентрацією речовини внаслідок хаотичного теплового руху частинок (рис.1).

Рис. 1 Процес дифузії

Дифузія речовини через ліпідний бішар викликається градієнтом концентрації в мембрані. Так як виміряти концентрації важко, на практиці користуються формулою, яка зв’язує щільність потоку речовини через мембрану з концентраціями цієї речовини не всередині мембрани, а зовні в розчинах близько поверхонь мембрани — С1 і С2:

Jм = P (C1 — C2),

де Р — коефіцієнт проникності.

Чим тонше мембрана, тим краще речовина розчиняється в ліпідній фазі мембрани. Добре розчиняються у ліпідній фазі мембрани неполярні речовини, наприклад: органічні та жирні кислоти, ефіри. Природно, ці речовини порівняно легко проходять через клітинні мембрани, володіючи підвищеною спорідненістю з ліпідною фазою мембран. У той же час погано проходять через ліпідний бішар мембрани полярні речовини: вода, неорганічні солі, цукор, амінокислоти. Так, величини Р для води і сечовини рівні відповідно 10 мкм / с і 1 пм / с. На перший погляд здається, дивним порівняно велике значення Р для води, полярної речовини, нерозчинної у ліпідах. Очевидно, що в цьому випадку мова може йти про перенесення води через наповнені водою білкові і ліпідні пори. Проте останнім часом крім гідрофільних пор проникнення через мембрану дрібних полярних молекул пов’язують з утворенням між жирнокислотним хвостами фосфоліпідних молекул при їх тепловому русі невеликих вільних порожнин — Кінко (від англ. Kink — петля). Внаслідок теплового руху хвостів молекул фосфоліпідів Кінкі можуть переміщатися поперек мембрани і переносити потрапили в них дрібні молекули, в першу чергу молекули води.

Через гідрофільні ліпідні і білкові пори крізь мембрану проникають молекули нерозчинних у ліпідах речовин і водорозчинні гідратовані іони, оточені молекулами води. Для жирозчинних речовин та іонів мембрана виступає як молекулярне сито: чим більше розмір частинки, тим менше проникність мембрани для цієї речовини. Вибірковість перенесення забезпечується набором в мембрані пор певного радіуса, відповідних розміру проникаючої частинки. Цей розподіл залежить від мембранного потенціалу. Так, виборчі для іонів калію пори в мембрані еритроцитів мають порівняно низький коефіцієнт проникності, рівний 4 пм / с при мембранному потенціалі 80 мВ, який зменшується в чотири рази з пониженням потенціалу до 40 мВ. Проникність мембрани аксона кальмара для іонів калію при рівні потенціалу порушення визначається калієвими каналами, радіус яких чисельно оцінюється як сума кристалічного радіуса іона калію і товщини однієї гідратної оболонки (0,133 нм + 0,272 нм = 0,405 нм). Слід підкреслити, що селективність іонних каналів неабсолютна, канали доступні і для інших іонів, але з меншими значеннями Р .

Максимальна величина Р відповідає іонам калію. Іони з великими кристалічними радіусами (рубідій, цезій) мають менші Р, мабуть, тому, що їх розміри з одного гідратної оболонкою перевищують розмір каналу. Менш очевидна причина порівняно низького Р для іонів літію і натрію, що мають менший порівняно з калієм радіус. Виходячи з уявлення про мембрану як молекулярне сито можна було б думати, що вони повинні вільно проходити через калієві канали. Одне з можливих рішень цієї суперечності запропоновано Л. Муллінзом. Він припускає, що в розчині поза пори кожен іон має гідратну оболонку, яка складається з трьох сферичних шарів молекул води. При входженні в пору гідратований іон «роздягається», втрачаючи воду пошарово. Пора буде проникна для іона, якщо її діаметр точно відповідає діаметру будь-який з цих сферичних оболонок. Як правило, в порі іон залишається з одною гідратною оболонкою. Гідратовані іони натрію і літію, розміри яких не кратні розмірам пори, будуть мати утруднення при проходженні через неї. Відзначено своєрідне «квантування» гідратованих іонів за їх розмірами при проходженні через пори.

Полегшена дифузія відбувається за участю молекул переносників.(Рис. 2.)

Рис. 2. Полегшена дифузія Відомо, наприклад, що антибіотик валіноміцин — переносник іонів калію. Валіноміцин є пептидом з молекулярною масою 1111. У ліпідної фазі молекула валіноміцина має форму манжетки, засіяна всередині полярними групами, а зовні неполярними гідрофобними залишками молекул валіну .

Особливості хімічної будови валіноміцина дозволяють утворювати комплекс з іонами калію, що потрапляють всередину молекули-манжетки, і в той же час валіномицин розчинний у ліпідної фазі мембрани, так як зовні його молекула неполярна. Іони калію утримуються всередині молекули за рахунок сил іон-дипольної взаємодії. Молекули валіноміцина, що опинилися біля поверхні мембрани, можуть захоплювати з навколишнього розчину іони калію. Дифундуючи в мембрані, молекули переносять калій через мембрану і віддають іони в розчин по іншу сторону мембрани. Таким чином і відбувається човникове перенесення іонів калію через мембрану.

Відмінності полегшеної дифузії від простої:

1) перенесення іонів за участю переносника відбувається значно швидше в порівнянні з вільною дифузією;

2) полегшена дифузія має властивість насичення — при збільшенні концентрації з одного боку мембрани щільність потоку речовини зростає лише до певної межі, коли всі молекули переносника вже зайняті;

3) при полегшеній дифузії спостерігається конкуренція речовин, що переносяться, в тих випадках, коли одним переносником переносяться різні речовини, при цьому одні речовини переносяться краще, ніж інші, і додавання одних речовин утрудняє транспорт інших;

4) є речовини, що блокують полегшену дифузію, вони утворюють міцний комплекс з молекулами переносника, перешкоджаючи подальшому перенесенню.

Різновидом полегшеної дифузії є транспорт з допомогою нерухомих молекул переносників, фіксованих певним чином поперек мембрани. При цьому молекула речовини, що переноситься, передається від однієї молекули-переносника до іншої за типом естафети.

Осмос — переважне рух молекул води через напівпроникні мембрани (непроникні для розчиненої речовини і проникні для води) з місць з меншою концентрацією розчиненої речовини в місця з більшою концентрацією. Осмос, по суті, дифузія води з місць з її більшою концентрацією в місця з меншою концентрацією. (Рис.3) Осмос відіграє велику роль у багатьох біологічних явищах. Явище осмосу обумовлює гемоліз еритроцитів у гіпотонічних розчинах і тургор в рослинах.

Рис. 3 Явище осмосу

1.2 Активний транспорт речовин через біологічні мембрани. Дослід Усінга Активний транспорт — це такий процес, при якому перенесення відбувається з місця з меншим значенням електрохімічного потенціалу до місця з великим його значенням. Цей процес, що супроводжується зростанням енергії, не може йти спонтанно, а тільки в сполученні з процесом гідролізу АТФ, тобто за рахунок витрати енергії Гіббса, запасеної в макроергічних зв’язках АТФ.

Активний транспорт речовин через біологічні мембрани має величезне значення. За рахунок активного транспорту в організмі створюються різниці концентрацій, різниці електричних потенціалів, тиску, що підтримують життєві процеси, тобто з точки зору термодинаміки активний перенос утримує організм в нерівноважному стані, підтримує життя, так як рівновага — це смерть організму. Існування активного транспорту речовин через біологічні мембрани вперше було доведено в дослідах Усінга (1949 рік) на прикладі перенесення іонів натрію через шкіру жаби: експериментальна камера Усінга, заповнена нормальним розчином Рінгера, була розділена на дві частини свіжоізольованою шкірою жаби. У досвіді досліджували односпрямовані потоки іонів натрію через шкіру жаби в прямому і зворотному напрямках.

На ізольованій шкірі жаби, що розділяє розчин Рінгера, виникає різниця потенціалів jвн. — jзовн. (внутрішня сторона шкіри позитивна по відношенню до зовнішньої). В установці було спеціальний пристрій: електрична батарея з потенціометром — дільником напруги, за допомогою яких компенсувалася різниця потенціалів на шкірі жаби: Dj = jвн — jзовн. = 0, що контролювалося вольтметром. Крім того, концентрація іонів натрію з зовнішньої і внутрішньої сторін підтримувалася однаковою. За цих умов, як видно з рівняння Усінга-Теорелля: Jвн = Jзовн.

Сумарний потік іонів через мембрану мав би бути відсутнім. Його наявність свідчило б про перенесення іонів проти перепаду концентрації, тобто про активний перенесення. Для доказу цього в ліву частину експериментальної камери були додані радіоактивні ізотопи 22Na, а в праву — 24Na. 22Na розпадається з випромінюванням жорстких g-квантів, випромінювання 24Na фіксувалося по м’яких b-променів. Було показано, що потік 22Na більше потоку 24Na. Про наявність струму в ланцюзі свідчили і показання міліамперметра.

Ці експериментальні дані неспростовно свідчили про те, що перенесення іонів натрію через шкіру жаби не підпорядковується рівнянню пасивного транспорту. Більше того, виявилося, що сумарний потік іонів натрію виключно чутливий до чинників, що впливає на енергетичний обмін в клітинах шкіри: наявності кисню, дії разобщителей окисного фосфорилювання, дії низьких температур. Отже, мова повинна йти про особливий спосіб перенесення іонів, названому згодом активним. Пізніше було встановлено, що активне перенесення іонів натрію в шкірі жаби забезпечується іонними насосами, локалізованими в клітинах базального епітелію. Робота насоса блокувалася специфічним інгібітором оуабаіном.

Подальші дослідження показали, що в біологічних мембранах є кілька різновидів іонних насосів, що працюють за рахунок вільної енергії гідролізу АТФ, — спеціальні системи інтегральних білків (транспортні АТФази). В даний час відомі три типи електрогенних іонних насосів. Перенесення іонів транспортними АТФазами відбувається внаслідок сполучення процесів переносу з хімічними реакціями за рахунок енергії метаболізму клітин.

При роботі K ±Na ±АТФази за рахунок енергії макроергічних зв’язків, що звільняється при гідролізі кожної молекули АТФ, в клітку переносяться два іони калію і одночасно з клітки викачуються три іона натрію.

Таким чином, створюються підвищена в порівнянні з міжклітинної середовищем концентрація в клітині іонів калію і знижена концентрація іонів натрію, що має величезне фізіологічне значення. Са-АТФаза забезпечує активне перенесення двох іонів кальцію. Протонна помпа — двох протонів на одну молекулу АТФ.

Молекулярний механізм роботи іонних АТФаз до кінця не вивчений. Проте простежуються основні етапи цього складного ферментативного процесу. У випадку К-Na-АТФази (позначимо її для стислості Е) нараховуються сім етапів перенесення іонів, пов’язаних з гідролізом АТФ. Позначення Е1 і Е2 відповідають розташуванню активного центру ферменту на внутрішній і зовнішній поверхні мембрани відповідно (аденозиндифосфат — АДФ, неорганічний фосфат — P, зірочкою позначений активний комплекс):

1) E + АТФ E * АТФ,

2) E * АТФ + 3Na [E * АТФ] * Na3,

3) [E * АТФ] * Na3 [Е1 ~ P] * Na3 + АДФ,

4) [Е1 ~ P] * Na3 [Е2 ~ P] * Na3,

5) [Е2 ~ P] * Na3 + 2K [Е2 — P] * K2 + 3Na,

6) [Е2 — P] * K2 [Е1 — P] * K2,

7) [Е1 — P] * E + P + 2K.

На схемі видно, що ключовими етапами роботи ферменту є:

1) утворення комплексу ферменту з АТФ на внутрішній поверхні мембрани (ця реакція активується іонами магнію),

2) зв’язування комплексом трьох іонів натрію,

3) фосфорилювання ферменту з утворенням аденозиндифосфату,

4) переворот (фліп-флоп) ферменту всередині мембрани ,

5) реакція іонного обміну натрію на калій, яка відбувається на зовнішній поверхні мембрани,

6) зворотний переворот ферментного комплексу з переносом іонів калію всередину клітини ,

7) повернення ферменту в початковий стан із звільненням іонів калію і неорганічного фосфату (Р).

Таким чином, за повний цикл відбуваються викид з клітини трьох іонів натрію, збагачення цитоплазми двома іонами калію і гідроліз однієї молекули АТФ.

Рис. 4 К-Na насос.

1.3 Вторинний активний транспорт іонів Крім іонних насосів, розглянутих вище, відомі подібні системи, в яких накопичення речовин пов’язане не з гідролізом АТФ, а з роботою окислювально-відновних ферментів або фотосинтезом. Транспорт речовин у цьому випадку є вторинним, опосередкованим мембранним потенціалом і(або) градієнтом концентрації іонів при наявності в мембрані специфічних переносників. Такий механізм переносу отримав назву вторинного активного транспорту. Найбільш детально цей механізм розглянуто Пітером Мітчелом (1966 р.) в хеміосмотичній теорії окисного фосфорилювання. У плазматичних і субклітинних мембранах живих клітин можливе одночасне функціонування первинного і вторинного активного транспорту. Прикладом може служити внутрішня мембрана мітохондрій. Інгібування АТФази в ній не позбавляє частку здатності накопичувати речовини за рахунок вторинного активного транспорту. Такий спосіб накопичення особливо важливий для тих метаболітів, насоси для яких відсутні (цукру, амінокислоти).

Розглянемо транспорт одновалентних іонів за участю молекул-переносників. При цьому мається на увазі, що переносник в навантаженому або ненавантаженому стані однаково добре перетинає мембрану. Джерелом енергії служить мембранний потенціал і(або) градієнт концентрації одного з іонів.

Однонаправлене перенесення іона в комплексі із специфічним переносником отримав назву уніпортом. При цьому через мембрану переноситься заряд або комплексом, якщо молекула переносника електронейтральна, або порожнім переносником, якщо перенесення забезпечується зарядженим переносником. Результатом переносу буде накопичення іонів за рахунок зниження мембранного потенціалу. Такий ефект спостерігається при накопиченні іонів калію в присутності валіноміцина у енергізованних мітохондріях.

Зустрічне перенесення іонів за участю одномісною молекули-переносника отримав назву антипорта. Передбачається при цьому, що молекула-переносник утворює міцний комплекс з кожним з переносите іонів. Перенесення здійснюється в два етапи: спочатку один іон перетинає мембрану зліва направо, потім другий іон — у зворотному напрямку. Мембранний потенціал при цьому не змінюється. Що ж є рушійною силою цього процесу? Очевидно, різниця концентрацій одного з перенесених іонів. Якщо початково різниця концентрації другого іона була відсутня, то результатом перенесення стане накопичення другого іона за рахунок зменшення різниці концентрацій першого. Класичним прикладом антипорта служить перенесення через клітинну мембрану іонів калію і водню за участю молекули антибіотика нігеріцина.

Спільний односпрямований перенесення іонів за участю двомісного переносника називається симпорт. Передбачається, що в мембрані можуть перебувати дві електронейтральні частинки: переносник в комплексі з катіоном і аніоном і порожній переносник. Оскільки мембранний потенціал в такій схемі переносу не змінюється, то причиною перенесення може бути різниця концентрацій одного з іонів. Вважається, що за схемою симпорта здійснюється накопичення клітинами амінокислот. Калій-натрієвий насос створює початковий градієнт концентрації іонів натрію, які потім за схемою симпорта сприяють накопиченню амінокислот. Зі схеми симпорта випливає, що цей процес має супроводжуватися значним зміщенням осмотичного рівноваги, оскільки в одному циклі через мембрану переносяться дві частинки в одному напрямку.

ВИСНОВОК У процесі життєдіяльності кордони клітини перетинають різноманітні речовини, потоки яких ефективно регулюються. З цим завданням справляється клітинна мембрана з вбудованими в неї транспортними системами, що включають іонні насоси, систему молекул-переносників і високоселективні іонні канали.

Така велика кількість систем перенесення на перший погляд здається зайвою, адже робота тільки іонних насосів дозволяє забезпечити характерні особливості біологічного транспорту: високу вибірковість, перенесення речовин проти сил дифузії і електричного поля. Парадокс полягає, однак, у тому, що кількість потоків, які підлягають регулюванню, нескінченно велика, в той час як насосів всього три. У цьому випадку особливого значення набувають механізми іонного сполучення, що отримали назву вторинного активного транспорту, в яких важливу роль відіграють дифузійні процеси. Таким чином, поєднання активного транспорту речовин з явищами дифузійного переносу в клітинній мембрані - та основа, яка забезпечує життєдіяльність клітини.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Рубін А.Б. Біофізика. М.: Вища. шк., 1987.

2. Лайтфут Е. Явища переносу в живих системах. М.: Мир, 1977.

3. Біологічні мембрани: Збірник / Під ред. Д. С. Парсонса. М.: Атомиздат, 1978.

4. Антонов В. Ф. Біофізика мембран / / Соросівський Освітній Журнал. 1996. № 6. С. 1−15.

5. Біофізика / Под ред. В. Ф. Антонова. М.: Арктос-Віка-прес, 1996.

6. Котик А., Яначек К. Мембранний транспорт. М.: Мир, 1980.

7. Мембрани: Іонні канали: СБ ст. М.: Мир, 1981.