Mehanizmi transporta supstanci kroz biološke membrane. biološke membrane. Pumpa za natrijum i kalijum
tekstualna_polja
tekstualna_polja
arrow_upward
Kod životinja sa zatvorenim vaskularnim sistemom, ekstracelularna tečnost se konvencionalno deli na dve komponente:
1) intersticijske tečnosti
2) cirkulirajuća krvna plazma.
Intersticijalna tečnost je deo ekstracelularne tečnosti koji se nalazi izvan vaskularnog sistema i kupa ćelije.
Otprilike 1/3 ukupne tjelesne vode je ekstracelularna tečnost, a preostale 2/3 je intracelularna tečnost.
Koncentracije elektrolita i koloidnih supstanci značajno se razlikuju u plazmi, intersticijalnim i intracelularnim tečnostima. Najizraženije razlike su relativno nizak sadržaj anjonskih proteina u intersticijskoj tečnosti, u poređenju sa intracelularnom tečnošću i krvnom plazmom, te veće koncentracije natrijuma i hlora u intersticijskoj tečnosti i kalijuma u intracelularnoj tečnosti.
Nejednak sastav različitih tečnih medija u tijelu je u velikoj mjeri posljedica prirode barijera koje ih razdvajaju. Ćelijske membrane odvajaju intracelularnu tečnost od ekstracelularne tečnosti, dok zidovi kapilara odvajaju intersticijsku tečnost od plazme. Može doći do transporta supstanci preko ovih barijera pasivno kroz difuziju, filtraciju i osmozu, kao i kroz aktivni transport.
Pasivni transport
tekstualna_polja
tekstualna_polja
arrow_upward
Rice. 1.12 Vrste pasivnog i aktivnog transporta tvari kroz membranu.
Šematski, glavne vrste transporta supstanci kroz ćelijsku membranu prikazane su na slici 1.12.
Sl.1.12 Vrste pasivnog i aktivnog transporta supstanci kroz membranu.
3 - olakšana difuzija,
Pasivni prijenos supstanci kroz ćelijske membrane ne zahtijeva utrošak metaboličke energije.
Vrste pasivnog transporta
tekstualna_polja
tekstualna_polja
arrow_upward
Vrste pasivnog transporta supstanci:
- jednostavna difuzija
- Osmoza
- Difuzija jona
- Olakšana difuzija
jednostavna difuzija
tekstualna_polja
tekstualna_polja
arrow_upward
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 visoka, kaže se da membrana propusna za ovosupstance.
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. Oni prolaze kroz ćelijsku membranu kao visoko rastvorljivi u vodi. (hidrofilna) supstance i hidrofobno, slabo ili potpuno nerastvorljiv u njemu.
Hidrofobne, visoko topive u lipidima tvari difundiraju zbog rastvaranja u membranskim lipidima.
Voda i tvari rastvorljive u njoj prodiru kroz privremene defekte u ugljikovodičnom području membrane, tzv. kinky, a takođe i kroz pore, trajno postojeće hidrofilne regije 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
tekstualna_polja
tekstualna_polja
arrow_upward
Osmoza- kretanje molekula vode (otapala) kroz membranu iz područja niže u područje veće koncentracije otopljene tvari.
Osmotski pritisak naziva se najmanji pritisak koji se mora primijeniti na otopinu kako bi se spriječilo da otapalo teče kroz membranu u otopinu s višom koncentracijom tvari.
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, 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 jona kroz plazma membranu mijenja koncentraciju tvari u ćeliji i, shodno tome, osmotski tlak njenog sadržaja. Ako ćelija luči supstancu, onda da bi održala konstantnu vrijednost osmotskog tlaka, mora ili osloboditi odgovarajuću količinu vode, ili apsorbirati ekvivalentnu količinu druge tvari. 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: oni ispumpaju komponente svog sadržaja ili vodu koja ih ulazi u intersticij. U većini slučajeva ćelije koriste prvu priliku - ispumpavanje tvari, češće iona, koristeći za to natrijum pumpa(vidi dolje).
Općenito, volumen ćelija koje nemaju čvrste zidove određuju tri faktora:
1) količina materija koje se nalaze u njima i ne mogu da prodru kroz membranu;
2) koncentracija u intersticijumu jedinjenja koja mogu proći kroz membranu;
3) 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 hidrostatičkim 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
tekstualna_polja
tekstualna_polja
arrow_upward
Difuzija jona javlja se uglavnom kroz specijalizovane proteinske strukture membrane - ion kagotovina, kada su otvoreni. U zavisnosti od vrste tkiva, ćelije mogu imati različit set jonskih kanala.
Razlikovati natrijum, kalijum, kalcijum, natrijum-kalcijum i hloridne kanale. 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 neaktivnom 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 potencijalno zavisna i vođeni receptorima. Selektivna permeabilnost jonskog kanala za određeni ion određena je prisustvom posebnih selektivnih filtera na njegovom ušću.
Olakšana difuzija
tekstualna_polja
tekstualna_polja
arrow_upward
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 ćelija zbog jednostavne difuzije. Oni se prenose kroz olakšanu difuziju.
Difuzija se naziva svjetlost tvari duž gradijenta koncentracije, koji se provodi uz sudjelovanje posebnih proteinskih molekula nosača.
Transport Na + , K + , Cl - , Li + , Ca 2+ , HCO 3 - i H + takođe može da se izvrši specifični prevoznici. 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 - fenomen zasićenja. Supstance koje su slične po molekularnoj strukturi i koje transportuje isti nosač će se takmičiti za nosača - fenomen konkurencije.
Postoji nekoliko vrsta transporta supstanci putem olakšane difuzije (slika 1.13):
Rice. 1.13 Klasifikacija metoda transporta kroz membranu.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 kojima se njihov prijenos vrši istovremeno i jednosmjerno sa 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 + / Ca 2+, Na + / H + Cl - / HCO 3 - - razmene).
Symport i antiport su vrste kotransport, u kojoj brzinu prenosa kontrolišu svi učesnici u transportnom procesu.
Priroda proteina nosača je nepoznata. Po 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) - djeluje kao pravi nosač, prenoseći kalij 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.
aktivni transport
tekstualna_polja
tekstualna_polja
arrow_upward
aktivni transport vrši transport adenozin trifosfataza (ATPaze) i nastaje zbog energije hidrolize ATP-a.
Slika 1.12 prikazuje vrste pasivnog i aktivnog transporta tvari kroz membranu.
1,2 - jednostavna difuzija kroz dvoslojni i jonski kanal,
3 - olakšana difuzija,
4 - primarni aktivni transport,
5 - sekundarni aktivni transport.
Vrste aktivnog transporta
tekstualna_polja
tekstualna_polja
arrow_upward
Vrste aktivnog transporta supstanci:
primarni aktivni transport,
sekundarni aktivni transport.
primarni aktivni transport
tekstualna_polja
tekstualna_polja
arrow_upward
Prijenos tvari iz sredine niske koncentracije u medij s višom koncentracijom ne može se objasniti kretanjem po gradijentu, tj. difuziju. Ovaj proces se odvija zbog energije hidrolize ATP-a ili energije zbog gradijenta koncentracije bilo kojeg iona, najčešće natrijuma. Ako je izvor energije za aktivni transport tvari hidroliza ATP-a, a ne kretanje nekih drugih molekula ili jona kroz membranu, transport pozvaoprimarno aktivno.
Primarni aktivni prijenos se vrši transportnim ATPazama koje se nazivaju jonske pumpe. U životinjskim ćelijama najčešća je Na +, K + - ATPaza (natrijum pumpa), koja je sastavni protein plazma membrane i Ca 2+ - ATPaza, sadržana u plazma membrani sarko-(endo)-plazmatičnog retikuluma . Sva tri proteina imaju zajedničku osobinu - sposobnost fosforilacije i formiranja srednje fosforilirane forme enzima. U fosforilisanom stanju, enzim može biti u dvije konformacije, koje se obično nazivaju E 1 i E 2 .
Enzimska konformacija - ovo je način prostorne orijentacije (polaganja) polipeptidnog lanca njegove molekule. Ove dvije konformacije enzima karakteriziraju različiti afiniteti za transportirane jone, tj. različita sposobnost vezivanja transportovanih jona.
Na + /K + - ATPaza obezbeđuje konjugovani aktivni transport Na + iz ćelije i K + u citoplazmu. U molekulu Na + /K + - ATPaze postoji posebna oblast (mjesto) u kojoj dolazi do vezivanja jona Na i K. Konformacijom enzima E 1 ovo područje je okrenuto unutar plazma retikuluma. Za realizaciju ove faze konverzije Ca 2+ -ATPaze neophodno je prisustvo jona magnezijuma u sarkoplazmatskom retikulumu. Nakon toga, ciklus enzima se ponavlja.
sekundarni aktivni transport
tekstualna_polja
tekstualna_polja
arrow_upward
sekundarni aktivni transport je prijenos tvari preko membrane protiv njenog gradijenta koncentracije zbog energije gradijenta koncentracije druge tvari stvorene u procesu aktivnog transporta. U životinjskim ćelijama glavni izvor energije za sekundarni aktivni transport je energija gradijenta koncentracije jona natrijuma, koja nastaje radom Na + /K + - ATPaze. Na primjer, ćelijska membrana sluznice tankog crijeva sadrži protein koji vrši prijenos (simport) glukoze i Na+ do epiteliocita. Transport glukoze se vrši samo ako se Na+, koji se istovremeno vezuje sa glukozom za navedeni protein, prenosi duž elektrohemijskog gradijenta. Elektrohemijski gradijent za Na+ održava se aktivnim transportom ovih kationa iz ćelije.
U mozgu je rad Na + -pumpe povezan sa obrnutom apsorpcijom (reapsorpcija) medijatora - fiziološki aktivne supstance koje se oslobađaju iz nervnih završetaka pod dejstvom ekscitatornih faktora.
U kardiomiocitima i glatkim mišićnim ćelijama, funkcionisanje Na + , K + -ATPaze povezano je sa transportom Ca 2+ kroz plazma membranu, zbog prisustva u ćelijskoj membrani proteina koji vrši kontratransport (antiport) Na + i Ca 2+. Joni kalcija se transportuju kroz ćelijsku membranu u zamjenu za jone natrijuma i zbog energije gradijenta koncentracije natrijevih jona.
U ćelijama je pronađen protein koji razmjenjuje vanćelijske natrijeve ione za unutarćelijske protone - Na + /H + - izmjenjivač. Ovaj nosač igra važnu ulogu u održavanju konstantnog unutarćelijskog pH. Brzina kojom se vrši izmjena Na + /Ca 2+ i Na + /H + - proporcionalna je elektrohemijskom gradijentu Na + preko membrane. Sa smanjenjem ekstracelularne koncentracije Na + inhibicijom Na +, K + -ATPaze srčanim glikozidima ili u okruženju bez kalija, povećava se intracelularna koncentracija kalcija i protona. Ovo povećanje intracelularne koncentracije Ca 2+ uz inhibiciju Na + , K + -ATPaze leži u osnovi upotrebe srčanih glikozida u kliničkoj praksi za poboljšanje srčanih kontrakcija.
Razmjena supstanci između ćelije i njene okoline odvija se stalno. Mehanizmi transporta supstanci u ćeliju i van nje zavise od veličine transportovanih čestica. Male molekule i ione prenosi stanica direktno preko membrane u obliku pasivnog i aktivnog transporta.
Pasivni transport izvodi se bez utroška energije, duž gradijenta koncentracije jednostavnom difuzijom, filtracijom, osmozom ili olakšanom difuzijom.
Difuzija – prodiranje tvari kroz membranu duž gradijenta koncentracije; difuzni transport supstanci (voda, joni) odvija se uz učešće integralnih membranskih proteina, koji imaju molekularne pore, ili uz učešće lipidne faze (za supstance rastvorljive u mastima).
Olakšana difuzija - prenos uz pomoć posebnih proteina nosača (permeaza), koji se selektivno vezuju za jedan ili drugi ion ili molekul i prenose ih preko membrane. U ovom slučaju, čestice se kreću brže nego kod konvencionalne difuzije.
Osmoza - ulazak vode u ćelije iz hipotonične otopine.
Aktivan transport sastoji se u kretanju tvari protiv gradijenta koncentracije uz pomoć transportnih proteina (porina, ATP-aza, itd.), koji formiraju membranske pumpe, trošenjem ATP energije (kalijum-natrijum pumpa, regulacija koncentracije jona kalcijuma i magnezijuma u ćelijama, unos monosaharida, nukleotida, aminokiselina).
Prijenos makromolekula i većih čestica odvija se pinocitozom i fagocitozom zbog sposobnosti stanične membrane da formira izbočine. Rubovi ovih izbočina se zatvaraju, hvatajući tekućinu koja okružuje ćeliju (pinocitoza) ili čvrste čestice (fagocitoza) i formirajući mjehuriće okružene membranom.
pinocitoza - jedan od glavnih načina prodiranja u ćeliju makromolekularnih spojeva. Rezultirajuće pinocitne vakuole su veličine od 0,01 do 1-2 mikrona. Zatim vakuola uranja u citoplazmu i odvaja se. Istovremeno, zid pinocitne vakuole u potpunosti zadržava strukturu plazma membrane koja je dovela do toga. Pinocitoza i fagocitoza su u osnovi slični procesi u kojima se mogu razlikovati četiri faze: unos supstanci pino- ili fagocitozom, njihovo cijepanje pod djelovanjem enzima koje luče lizozomi, prijenos produkata cijepanja u citoplazmu (zbog promjena u permeabilnost vakuolnih membrana) i oslobađanje metaboličkih produkata.
U zavisnosti od vrste i pravca transporta postoje endocitoza (prenos u ćeliju direktnim pino ili fagocitozom) i egzocitoza (transfer iz ćelije reverznom pino - ili fagocitozom).
6. CITOPLAZMA, NJENA STRUKTURA, HEMIJSKI SASTAV.
Citoplazma - bitna komponenta ćelije. U njemu se odvijaju složeni i raznoliki procesi sinteze, disanja, rasta, u njemu su svojstveni fenomeni razdražljivosti i nasljednosti, tj. sva ona svojstva koja karakterišu život.
Citoplazma je viskozna prozirna bezbojna masa sa specifičnom težinom od 1,04 - 1,06. Svjetlost se lomi malo više od vode. Citoplazma je elastična, elastična, ne miješa se s vodom. U mnogim ćelijama može se uočiti njegovo kretanje: u ćelijama sa jednom velikom centralnom vakuolom - kružno (cikloza), u ćelijama sa mnogo vakuola i nitima citoplazme između njih - prugasto. Struja citoplazme uključuje kretanje ćelijskih organela.
Citoplazma se diferencira u masu bez strukture - hijaloplazmu i formirane formacije - stanične organele. Hijaloplazma (citoplazmatski matriks) - složen koloidni sistem formiran od proteina, nukleinskih kiselina, ugljenih hidrata, vode i drugih supstanci. U zavisnosti od fiziološkog stanja i uticaja spoljašnje sredine, hijaloplazma može biti u obliku sola (tečnosti) ili gela (elastičnija gusta supstanca). Hijaloplazma je unutrašnje okruženje ćelije u kojem se odvijaju reakcije unutarćelijskog metabolizma.
U hijaloplazmi ćelija, između nuklearne membrane i citoplazmatske membrane, nalazi se citoskelet. Formira ga razvijena mreža filamenata (proteinskih cijevi): mikrofilamenti (6-8 nm) formirani od proteina aktina; srednja vlakna (10 nm) koja se sastoje od različitih fibrilarnih proteina (citokeratina, itd.); mikrotubule (oko 25 nm) izgrađene od tubulina i sposobne da se skupljaju. Citoskelet određuje oblik ćelije, učestvuje u različitim kretanjima same ćelije (u toku deobe) i u unutarćelijskom kretanju organela i pojedinačnih jedinjenja.
Funkcije hijaloplazme:
1) je unutrašnja sredina ćelije, u kojoj se odvijaju mnogi hemijski procesi;
2) objedinjuje sve ćelijske strukture i obezbeđuje hemijsku interakciju između njih;
3) određuje lokaciju organela u ćeliji;
4) obezbeđuje unutarćelijski transport supstanci (aminokiselina, šećera i dr.) i kretanje organela (kretanje hloroplasta u biljnim ćelijama);
5) je zona kretanja molekula ATP;
6) određuje oblik ćelije.
Citoplazma je složen hemijski višekomponentni sistem koji sadrži 75-86% vode, 10-20% proteina, 2-3% lipida, 1-2% ugljenih hidrata, 1% mineralnih soli. Ovo je ukupni i približni sastav citoplazme, koji ne odražava složenost njene hemijske strukture.
Citoplazma u otopljenom stanju sadrži veliku količinu slobodnih aminokiselina i nukleotida, mnoge međuproizvode koji nastaju prilikom sinteze i razgradnje molekula. Pronađen je i veliki broj jona Na + , K + , Mg 2+, Cl - , HCO 3 2- , HPO 4 2- i drugih.
Slične informacije.
Pasivni transport uključuje jednostavnu i olakšanu difuziju - procese koji ne zahtijevaju utrošak energije. Difuzija- transport molekula i jona kroz membranu iz područja sa visokom u područje sa niskom koncentracijom, tj. Supstance se kreću duž gradijenta koncentracije. Difuzija vode kroz polupropusne membrane naziva se osmoza. Voda također može proći kroz pore membrane formirane od proteina i nositi molekule i ione tvari otopljenih u njoj. Mehanizam jednostavne difuzije je prijenos malih molekula (na primjer, O2, H2O, CO2); ovaj proces je male specifičnosti i odvija se brzinom proporcionalnom koncentracijskom gradijentu transportiranih molekula na obje strane membrane.
Olakšana difuzija se odvija kroz kanale i (ili) proteine nosače koji imaju specifičnost u odnosu na transportirane molekule. Jonski kanali su transmembranski proteini koji formiraju male vodene pore kroz koje se mali molekuli rastvorljivi u vodi i joni transportuju duž elektrohemijskog gradijenta. Proteini nosači su također transmembranski proteini koji prolaze kroz reverzibilne konformacijske promjene koje osiguravaju transport specifičnih molekula kroz plazmalemu. Funkcioniraju u mehanizmima i pasivnog i aktivnog transporta.
aktivni transport je energetski intenzivan proces zbog kojeg se prijenos molekula vrši uz pomoć proteina nosača protiv elektrohemijskog gradijenta. Primer mehanizma koji obezbeđuje suprotno usmeren aktivni transport jona je natrijum-kalijum pumpa (predstavljena proteinom nosačem Na + -K + -ATPaze), zbog koje se ioni Na + uklanjaju iz citoplazme, a ioni K + istovremeno se prenose u njega. Koncentracija K+ unutar ćelije je 10-20 puta veća od spoljašnje, a koncentracija Na je obrnuto. Ova razlika u koncentraciji jona je osigurana radom pumpe (Na * -K *>. Da bi se ova koncentracija održala, tri iona Na se prenose iz ćelije za svaka dva K * iona u ćeliju. Ovaj proces uključuje protein u membrana koja djeluje kao enzim koji razgrađuje ATP, oslobađajući energiju potrebnu za rad pumpe.
Učešće specifičnih membranskih proteina u pasivnom i aktivnom transportu ukazuje na visoku specifičnost ovog procesa. Ovaj mehanizam održava konstantnost volumena ćelije (regulacijom osmotskog pritiska), kao i membranskog potencijala. Aktivni transport glukoze u ćeliju obavlja se pomoću proteina nosača i kombinira se s jednosmjernim prijenosom Na+ jona.
Lagani transport iona posreduju posebni transmembranski proteini - jonski kanali koji obezbjeđuju selektivni prijenos određenih jona. Ovi kanali se sastoje od stvarnog transportnog sistema i mehanizma kapije koji otvara kanal na neko vreme kao odgovor na promenu membranskog potencijala, (b) mehaničko delovanje (na primer, u ćelijama dlake unutrašnjeg uha), vezivanje ligand (signalni molekul ili ion).
Membranski transport tvari se također razlikuje u pravcu njihovog kretanja i količini materija koje nosi ovaj nosač:
- Uniport - transport jedne supstance u jednom pravcu u zavisnosti od gradijenta
- Symport je transport dviju tvari u istom smjeru kroz jedan nosač.
- Antiport je kretanje dviju tvari 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 elektrohemijskog 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. U početku, ovaj nosač veže 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 sa unutrašnje 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 otcijepi, a zamjenjuju ga dva jona K+ . Tada se konformacija nosača mijenja u originalnu, a ioni K+ pojavljuju se na unutrašnjoj strani membrane. Evo jona K+ odvojiti, a nosač je ponovo spreman za rad
Transport materija:
Prijenos tvari putem biol. Membrana je povezana s važnim biološkim fenomenima kao što su intracelularna homeostaza jona, bioelektrični potencijali, ekscitacija i provođenje nervnog impulsa, skladištenje i transformacija energije.
Postoji nekoliko vrsta transporta:
1 . Uniport- ovo je transport supstance kroz membranu, bez obzira na prisustvo i prenos drugih jedinjenja.
2. Contransport- ovo je prijenos jedne supstance povezan s transportom druge: symport i antiport
a) gdje se poziva jednosmjerni prijenos symport - apsorpcija aminokiselina kroz membranu tankog crijeva,
b) suprotno usmjerene - antiport(natrijum-kalijum pumpa).
Transport tvari može biti - pasivni i aktivni transport (transfer)
Pasivni transport nije povezan s troškovima energije, provodi se difuzijom (usmjerenim kretanjem) po koncentraciji (od mac prema min), električnim ili hidrostatskim gradijentima. Voda se kreće duž gradijenta potencijala vode. Osmoza je kretanje vode kroz polupropusnu membranu.
aktivni transport izvedena protiv gradijenata (od min prema mac), povezana je sa potrošnjom energije (uglavnom energija hidrolize ATP-a) i povezana je sa radom specijalizovanih membranskih proteina nosača (ATP sintetaze).
Pasivni transfer može se izvesti:
a. Jednostavnom difuzijom kroz lipidne dvoslojeve membrane, kao i kroz specijalizovane formacije - kanale. Difuzijom kroz membranu prodiru u ćeliju:
nenaelektrisani molekuli, visoko rastvorljiv u lipidima, uklj. mnogo otrova i lijekova,
gasovi- kisik i ugljični dioksid.
joni- ulaze kroz penetrantne kanale membrane, koji su lipoproteinske strukture, služe za transport određenih jona (npr. katjona - Na, K, Ca, anjona Cl, P,) i mogu biti u otvorenom ili zatvorenom stanju. Provodljivost kanala ovisi o membranskom potencijalu, koji igra važnu ulogu u mehanizmu stvaranja i provođenja nervnog impulsa.
b. Olakšana difuzija . U nekim slučajevima, prijenos tvari poklapa se sa smjerom gradijenta, ali značajno premašuje brzinu jednostavne difuzije. Ovaj proces se zove olakšana difuzija; javlja se uz učešće proteina nosača. Proces olakšane difuzije ne zahtijeva energiju. Na ovaj način se transportuju šećeri, aminokiseline, azotne baze. Takav proces se događa, na primjer, kada epitelne ćelije apsorbiraju šećere iz lumena crijeva.
in. Osmoza – kretanje rastvarača kroz membranu
aktivni transport
Prenos molekula i jona protiv elektrohemijskog gradijenta (aktivni transport) povezan je sa značajnim troškovima energije. Često gradijenti dostižu velike vrijednosti, na primjer, gradijent koncentracije vodikovih jona na plazma membrani ćelija želučane sluznice je 106, gradijent koncentracije kalcijevih jona na membrani sarkoplazmatskog retikuluma je 104, dok je tok jona u odnosu na gradijent su značajne. Kao rezultat toga, energetski troškovi za transportne procese dostižu, na primjer, kod ljudi više od 1/3 ukupne energije metabolizma.
Sistemi aktivnog transporta jona pronađeni su u plazma membranama ćelija različitih organa, na primer:
natrijum i kalijum - natrijum pumpa. Ovaj sistem pumpa natrijum iz ćelije i kalijum u ćeliju (antiport) protiv njihovih elektrohemijskih gradijenta. Prenos jona vrši glavna komponenta natrijum pumpe - Na +, K + -zavisna ATP-aza usled ATP hidrolize. Za svaki hidrolizirani ATP molekul transportuju se tri jona natrijuma i dva jona kalija. .
Postoje dvije vrste Ca 2 + -ATP-az. Jedan od njih osigurava oslobađanje iona kalcija iz ćelije u međućelijsku sredinu, drugi - akumulaciju kalcijuma iz ćelijskog sadržaja u intracelularni depo. Oba sistema su u stanju da stvore značajan gradijent jona kalcijuma.
K+, H+-ATPaza je pronađena u sluznici želuca i crijeva. U stanju je da transportuje H+ kroz membranu mukoznih vezikula tokom hidrolize ATP-a.
Anion osjetljiva ATP-aza pronađena je u mikrozomima sluznice želuca žabe, sposobna za antiportiranje bikarbonata i klorida nakon hidrolize ATP-a.
Protonska pumpa u mitohondrijama i plastidima
lučenje HCI u želucu,
upijanje jona ćelijama korena biljaka
Povreda membranskih transportnih funkcija, posebno povećanje propusnosti membrane, dobro je poznati univerzalni znak oštećenja stanica. Više od 20 tzvtransportne bolesti, među koji:
bubrežna glikozurija,
cistinurija,
malapsorpcija glukoze, galaktoze i vitamina B12,
nasledna sferocitoza (hemolitička anemija, eritrociti su sferni, dok se površina membrane smanjuje, sadržaj lipida se smanjuje, povećava se permeabilnost membrane za natrijum. Sferociti se brže uklanjaju iz krvotoka od normalnih eritrocita).
U posebnoj grupi aktivnog transporta izdvaja se prenos supstanci (velikih čestica). - iendo- iegzocitoza.
Endocitoza(od grč. endo - unutra) ulazak tvari u ćeliju, uključuje fagocitozu i pinocitozu.
Fagocitoza (od grčkog Phagos - proždiranje) je proces hvatanja čvrstih čestica, stranih živih objekata (bakterija, ćelijskih fragmenata) od strane jednoćelijskih organizama ili višećelijskih ćelija, potonje se nazivaju fagociti ili proždire ćelije. Fagocitozu je otkrio I. I. Mechnikov. Obično, tokom fagocitoze, ćelija formira izbočine, citoplazma- pseudopodije koje teku oko zarobljenih čestica.
Ali formiranje pseudopodije nije potrebno.
Fagocitoza ima važnu ulogu u ishrani jednoćelijskih i nižih višećelijskih životinja, koje karakteriše unutarćelijska probava, a karakteristična je i za ćelije koje imaju važnu ulogu u fenomenima imuniteta i metamorfoze. Ovaj oblik apsorpcije karakterističan je za ćelije vezivnog tkiva - fagocite, koji obavljaju zaštitnu funkciju, aktivno fagocitiraju stanice placente, stanice koje oblažu tjelesnu šupljinu i pigmentni epitel očiju.
U procesu fagocitoze mogu se razlikovati četiri uzastopne faze. U prvoj (opcionoj) fazi, fagocit se približava objektu apsorpcije. Ovdje je bitna pozitivna reakcija fagocita na hemijsku stimulaciju hemotakse. U drugoj fazi se uočava adsorpcija apsorbovane čestice na površini fagocita. U trećoj fazi, plazma membrana u obliku vrećice obavija česticu, rubovi vrećice se zatvaraju i odvajaju od ostatka membrane, a nastala vakuola je unutar ćelije. U četvrtoj fazi, progutani predmeti se uništavaju i probavljaju unutar fagocita. Naravno, ove faze nisu razgraničene, već neprimjetno prelaze jedna u drugu.
Ćelije također mogu apsorbirati tekućine i makromolekularna jedinjenja na sličan način. Ova pojava se zvala p a ne ts i toz i (grč. rupo - piće i sutoz - ćelija). Pinocitoza je praćena snažnim kretanjem citoplazme u površinskom sloju, što dovodi do stvaranja invaginacije ćelijske membrane, koja se s površine proteže u obliku tubula u ćeliju. Na kraju tubula formiraju se vakuole koje se odvajaju i prelaze u citoplazmu. Pinocitoza je najaktivnija u ćelijama sa intenzivnim metabolizmom, posebno u ćelijama limfnog sistema, malignim tumorima.
Kroz pinocitozu u stanice prodiru makromolekularna jedinjenja: hranjive tvari iz krvotoka, hormoni, enzimi i druge tvari, uključujući i ljekovite. Elektronsko mikroskopske studije su pokazale da se mast apsorbira u epitelnim stanicama crijeva putem pinocitoze, fagocitoze bubrežnih tubularnih stanica i rastućih oocita.
Strana tijela koja su ušla u ćeliju fagocitozom ili pinocitozom izložena su litičkim enzimima unutar probavnih vakuola ili direktno u citoplazmi. Intracelularni rezervoari ovih enzima su lizozomi.
Funkcije endocitoze
sprovedeno, ishrana(jaja apsorbuju proteine žumanca na ovaj način: fagozomi su probavne vakuole protozoa)
Zaštitni i imunološki odgovori (leukociti gutaju strane čestice i imunoglobuline)
Transport(bubrežni tubuli apsorbuju proteine iz primarnog urina).
Selektivna endocitoza određene supstance (bjelančevine žumanca, imunoglobulini, itd.) nastaje u kontaktu ovih supstanci sa supstrat-specifičnim receptorskim mjestima na plazma membrani.
Materijali koji ulaze u ćeliju endocitozom se razgrađuju („probavljaju“), akumuliraju (npr. proteini žumanca) ili se ponovo izbacuju sa suprotne strane ćelije egzocitozom („citopempsis“).
Egzocitoza(od grčkog exo - van, spolja) - proces suprotan endocitozi: na primjer, iz endoplazmatskog retikuluma, Golgijevog aparata, raznih endocitnih vezikula, lizosomi se spajaju s plazma membranom, oslobađajući svoj sadržaj prema van.
UVOD
Još od vremena R. Virchowa poznato je da je živa ćelija elementarna ćelija biološke organizacije koja obezbeđuje sve funkcije organizma. Među raznovrsnim pojavama koje se javljaju u ćeliji, važno mjesto zauzimaju aktivni i pasivni transport supstanci, osmoza, filtracija i bioelektrogeneza. Sada je postalo očigledno da su ovi fenomeni na ovaj ili onaj način određeni barijernim svojstvima ćelijskih membrana. Ćelija je otvoreni sistem koji kontinuirano razmjenjuje materiju i energiju sa okolinom. U mnogim slučajevima biološkog transporta, osnova za prijenos tvari je njihova difuzija kroz ćelijsku ili višećelijsku membranu. Metode difuzijskog transfera su raznovrsne (slika 1): difuzija supstanci rastvorljivih u mastima kroz lipidni deo membrane, prenos hidrofilnih supstanci kroz pore koje formiraju lipidi i proteini membrane, olakšana difuzija uz učešće posebnih molekula nosača i selektivni transport jona kroz jonske kanale. Međutim, u procesu evolucije, živa stanica je stvorila poseban način prijenosa, nazvan aktivni transport. U ovom slučaju prijenos tvari ide protiv pada koncentracije i stoga je povezan s korištenjem energije čiji je univerzalni izvor u ćeliji molekula adenozin trifosforne kiseline.
TRANSPORT SUPSTANCI KROZ BIOLOŠKE MEMBRANE
Živi sistemi na svim nivoima organizacije su otvoreni sistemi. Elementarna ćelija života - ćelija i ćelijske organele su takođe otvoreni sistemi. Stoga je transport tvari kroz biološke membrane neophodan uvjet za život. Prenos supstanci kroz membrane povezan je sa procesima ćelijskog metabolizma, bioenergetskim procesima, formiranjem biopotencijala, generisanjem nervnog impulsa itd. Kršenje transporta supstanci kroz biomembrane dovodi do različitih patologija. Liječenje je često povezano s prodiranjem lijekova kroz ćelijske membrane.
Pasivni i aktivni transport supstanci
Prijenos tvari kroz biološke membrane može se podijeliti na dva glavna tipa: pasivni i aktivni. Definicije pasivnog i aktivnog transporta vezane su za koncept elektrohemijskog potencijala. Poznato je da je pokretačka snaga svakog prijenosa pad energije. Slobodna energija (Gibbsova energija) se određuje pri konstantnom pritisku, temperaturi i broju nošenih čestica. Posljednja okolnost je pogodna za opisivanje prijenosa čestica tvari kroz membranu s jedne površine na drugu.
Elektrohemijski potencijal - vrijednost numerički jednaka Gibbsovoj energiji po molu date tvari smještene u električnom polju. Za razblažene rastvore
gdje je R = 8,31 J / (K "mol) univerzalna plinska konstanta, F = 96 500 C / mol (Faradayev broj), Z je naboj iona elektrolita (u elementarnim jedinicama naboja), j je potencijal električno polje.
Pasivni transport ide u pravcu razlike u elektrohemijskom potencijalu supstance, javlja se spontano i ne zahteva slobodnu energiju ATP-a.
Aktivni transport je proces u kojem se odvija prijenos sa mjesta sa nižom vrijednošću elektrohemijskog potencijala na mjesto sa višom vrijednošću. Ovaj proces, praćen povećanjem energije, ne može teći spontano, već samo u sprezi sa procesom hidrolize ATP-a, odnosno zbog trošenja Gibbsove energije pohranjene u ATP makroergijskim vezama.
Gustoća protoka materije jm - količina materije u jedinici vremena kroz jedinicu površine - sa pasivnim transportom je u skladu sa Teorell-om
gdje je U pokretljivost čestica, C je koncentracija. Znak minus označava da se prijenos odvija u smjeru opadanja.
Zamjenjujući u (2) izraz za elektrohemijski potencijal (1), dobijamo Nernst-Planckovu jednačinu za razrijeđene otopine:
Dakle, mogu postojati dva razloga za prenos materije tokom pasivnog transporta: gradijent koncentracije dC/dx i gradijent elektrostatičkog potencijala dj/dx. U nekim slučajevima, zbog konjugacije ova dva razloga, može doći do pasivnog transfera materije sa mesta sa nižom koncentracijom na mesta sa višom koncentracijom usled energije električnog polja.
U slučaju neelektrolita (Z = 0) ili konstantnog električnog polja (dj / dx = 0), Teorelova jednačina prelazi u jednačinu
Prema Ajnštajnovoj relaciji, URT = D, gde je D koeficijent difuzije, a zamenom dobijamo Fikov zakon
Vrste pasivnog transporta
Na sl. 1 prikazuje glavne vrste difuzije tvari kroz membranu. Difuzija je spontano kretanje materije sa mesta sa većom koncentracijom materije na mesta sa nižom koncentracijom materije usled haotičnog toplotnog kretanja čestica. Difuzija supstance kroz lipidni dvosloj uzrokovana je gradijentom koncentracije preko membrane. Gustina protoka materije prema Fickovom zakonu
gdje je koncentracija tvari u membrani blizu jedne njene površine i - blizu druge, l je debljina membrane.
Budući da je teško izmjeriti koncentracije, u praksi koriste formulu koja povezuje gustinu protoka tvari kroz membranu sa koncentracijama te tvari ne unutar membrane, već izvan nje u otopinama blizu površine membrane - C1 i C2:
jm = P (C1 - C2),
gdje je P koeficijent propusnosti.
K - koeficijent raspodjele - pokazuje koliki je dio koncentracije na površini izvan membrane koncentracija na površini membrane, ali unutar nje.
Jednadžbe (6) i (8) pokazuju da je koeficijent propusnosti
Ovaj koeficijent je pogodan jer ima dimenziju linearne brzine (u m/s) i može se odrediti iz rezultata mjerenja membranskih potencijala.
Koeficijent propusnosti, kao što se može vidjeti iz formule, što je veći, što je veći koeficijent difuzije D, to je membrana tanja i supstanca se bolje otapa u lipidnoj fazi membrane (što je veći K). Nepolarne supstance su lako rastvorljive u lipidnoj fazi membrane, na primer: organske i masne kiseline, estri. Naravno, ove supstance relativno lako prolaze kroz ćelijske membrane, imaju povećan afinitet za lipidnu fazu membrana. U isto vrijeme, polarne tvari slabo prolaze kroz lipidni dvosloj membrane: voda, anorganske soli, šećeri, aminokiseline. Dakle, vrijednosti P za vodu i ureu su 10 µm/s i 1 pm/s, respektivno. Na prvi pogled izgleda teško objasniti relativno veliku vrijednost P za vodu, polarnu supstancu nerastvorljivu u lipidima. Očigledno, u ovom slučaju možemo govoriti o prijenosu vode kroz pore ispunjene proteinima i lipidima. Međutim, nedavno je, pored hidrofilnih pora, prodor malih polarnih molekula kroz membranu povezan sa stvaranjem između repova masnih kiselina fosfolipidnih molekula tokom njihovog termičkog kretanja malih slobodnih šupljina - kinks (od engleskog kink - petlja) . Zbog termičkog kretanja repova molekula fosfolipida, kinkovi se mogu kretati preko membrane i nositi male molekule koji su ušli u njih, prvenstveno molekule vode.
Molekuli supstanci netopivih u lipidima i hidratizirani joni topljivi u vodi, okruženi molekulima vode, prodiru kroz membranu kroz hidrofilne lipidne i proteinske pore. Za tvari i ione netopive u mastima, membrana djeluje kao molekularno sito: što je veća veličina čestica, to je manja propusnost membrane za ovu tvar. Selektivnost prijenosa je osigurana skupom pora određenog radijusa u membrani, što odgovara veličini penetrirajuće čestice. Ova distribucija zavisi od membranskog potencijala. Dakle, pore selektivne za jone kalija u membrani eritrocita imaju relativno nizak koeficijent propusnosti jednak 4 pm/s pri membranskom potencijalu od 80 mV, koji se smanjuje četiri puta sa smanjenjem potencijala na 40 mV. Propustljivost membrane aksona lignje za kalijeve ione na nivou ekscitacionog potencijala određena je kalijevim kanalima, čiji je poluprečnik numerički procenjen kao zbir poluprečnika kristala kalijumovog jona i debljine jedne hidratacione ljuske (0,133 nm + 0,272 nm = 0,405 nm). Treba naglasiti da selektivnost jonskih kanala nije apsolutna, kanali su dostupni i za druge jone, ali sa nižim P vrijednostima.
Maksimalna vrijednost P odgovara jonima kalija. Joni sa velikim kristalnim radijusima (rubidijum, cezijum) imaju manji P, očigledno zato što njihove dimenzije sa jednom hidratacionom ljuskom premašuju veličinu kanala. Manje je očigledan razlog za relativno nizak P za litijum i natrijum jone, koji imaju manji radijus u odnosu na kalijum. Na osnovu koncepta membrane kao molekularnog sita, moglo bi se misliti da bi one trebale slobodno proći kroz kalijumove kanale. Jedno od mogućih rješenja ove kontradikcije predložio je L. Mullins. On pretpostavlja da u rastvoru izvan pora svaki ion ima hidratantnu ljusku koja se sastoji od tri sferna sloja molekula vode. Prilikom ulaska u pore, hidratizirani jon se "svlači", gubeći vodu sloj po sloj. Pora će biti propusna za jon ako njen prečnik tačno odgovara prečniku bilo koje od ovih sfernih školjki. U pravilu, jon ostaje u porama s jednom hidratantnom ljuskom. Gornji proračun pokazuje da će radijus kalijumovih pora u ovom slučaju biti 0,405 nm. Hidrirani joni natrijuma i litijuma koji nisu višestruki od veličine pora teško će proći kroz njih. Uočena je posebna "kvantizacija" hidratisanih jona u smislu njihove veličine tokom prolaska kroz pore.
Olakšana difuzija se dešava uz učešće molekula nosača. Poznato je, na primjer, da je antibiotik valinomicin nosilac jona kalija. Valinomicin je peptid molekulske težine 1111. U lipidnoj fazi, molekula valinomicina ima oblik manžete obložene iznutra polarnim grupama, a spolja nepolarnim hidrofobnim ostacima molekula valina.
Karakteristike hemijske strukture valinomicina omogućavaju formiranje kompleksa sa jonima kalija koji ulaze u molekul manžete, a istovremeno je valinomicin rastvorljiv u lipidnoj fazi membrane, budući da je njegov spoljašnji molekul nepolaran. Joni kalija zadržavaju se unutar molekula zbog sila ion-dipol interakcije. Molekuli valinomicina na površini membrane mogu uhvatiti ione kalija iz okolnog rastvora. Difuzijom u membrani, molekuli prenose kalij preko membrane i doniraju ione otopini na drugoj strani membrane. Tako dolazi do transfera kalijevih jona kroz membranu.
Razlike između olakšane difuzije i jednostavne:
1) prenos jona uz učešće nosača je mnogo brži u poređenju sa slobodnom difuzijom;
2) olakšana difuzija ima svojstvo zasićenja - sa povećanjem koncentracije na jednoj strani membrane, gustina protoka supstance raste samo do određene granice, kada su svi molekuli nosači već zauzeti;
3) kod olakšane difuzije primećuje se konkurencija transportovanih materija u slučajevima kada se različite materije prevoze jednim prevoznikom; dok se neke tvari bolje podnose od drugih, a dodavanje nekih tvari otežava transport drugih;
4) postoje supstance koje blokiraju olakšanu difuziju, formiraju jak kompleks sa molekulima nosača, sprečavajući dalji prenos.
Neka vrsta olakšane difuzije je transport nepokretnim molekulama nosača fiksiranih na određeni način preko membrane. U ovom slučaju, molekul prenesene supstance se prenosi s jednog molekula nosača na drugi poput štafete.
Osmoza je preferencijalno kretanje molekula vode kroz polupropusne membrane (propusne za otopljene tvari i propusne za vodu) od mjesta s nižom koncentracijom otopljene tvari do mjesta s višom koncentracijom. Osmoza je u suštini difuzija vode sa mesta veće koncentracije na mesta niže koncentracije. Osmoza igra važnu ulogu u mnogim biološkim fenomenima. Fenomen osmoze uzrokuje hemolizu eritrocita u hipotonskim otopinama i turgor u biljkama.
Aktivan transport supstanci kroz biološke membrane. Koristeći iskustvo
Aktivan transport supstanci kroz biološke membrane je od velike važnosti. Zbog aktivnog transporta u organizmu stvaraju se razlike u koncentracijama, razlike u električnim potencijalima, pritisci koji podržavaju životne procese, odnosno sa stanovišta termodinamike, aktivni prijenos održava tijelo u neravnotežnom stanju, podržava život. , jer je ravnoteža smrt tijela. Postojanje aktivnog transporta supstanci kroz biološke membrane prvi put je dokazano u eksperimentima Usinga (1949) na primjeru prijenosa jona natrijuma kroz kožu žabe. Iskustvo je vrlo poučno i zaslužuje detaljno razmatranje.
Eksperimentalna Using komora, napunjena normalnom Ringerovom otopinom, podijeljena je na dva dijela sa svježe izoliranom žabljem kožom. U eksperimentu su proučavani jednosmjerni tokovi natrijevih jona kroz kožu žabe u naprijed i obrnutom smjeru.
Iz jednadžbe koja opisuje pasivni transport (2) slijedi Using-Theorell-ova jednačina za omjer ovih tokova u slučaju pasivnog transporta
Na izolovanoj koži žabe koja odvaja Ringerov rastvor nastaje razlika potencijala jin - jex (unutrašnja strana kože je pozitivna u odnosu na vanjsku). Instalacija je imala poseban uređaj: električnu bateriju s potenciometrom - razdjelnikom napona, uz pomoć kojeg se kompenzirala razlika potencijala na koži žabe: Dj = jin - jout = 0, što je kontrolirano voltmetrom. Osim toga, koncentracija natrijevih jona sa vanjske i unutrašnje strane je održavana istom. Pod ovim uslovima, kao što se može videti iz Using-Teorelove jednačine,
jm, ekst = jm, ekst.
Ukupni protok jona kroz membranu bi trebao biti odsutan. Njegovo prisustvo bi ukazivalo na prenos jona u odnosu na pad koncentracije, odnosno aktivni transfer. Da bi se to dokazalo, 22Na radioaktivni izotopi su dodani na lijevu stranu eksperimentalne komore, a 24Na na desnu. 22Na se raspada emisijom tvrdih g-kvanta, a emisija 24Na detektirana je mekim b-zracima. Pokazalo se da je fluks 22Na veći od fluksa 24Na. Očitavanja miliampermetra također su svjedočila o prisutnosti struje u kolu.
Ovi eksperimentalni podaci pružili su nepobitne dokaze da se prijenos natrijevih jona kroz kožu žabe ne pokorava jednadžbi pasivnog transporta. Štaviše, pokazalo se da je ukupni protok jona natrijuma izuzetno osetljiv na faktore koji utiču na energetski metabolizam u ćelijama kože: prisustvo kiseonika, dejstvo oksidativnih fosforilacionih rastavljača i delovanje niskih temperatura. Stoga bi trebalo da govorimo o posebnom načinu prenosa jona, kasnije nazvanom aktivnim. Kasnije je otkriveno da aktivni transport jona natrijuma u koži žabe obezbeđuju jonske pumpe lokalizovane u ćelijama bazalnog epitela. Pumpa je blokirana specifičnim inhibitorom, ouabainom.
Dalja istraživanja su pokazala da u biološkim membranama postoji nekoliko tipova jonskih pumpi koje rade zahvaljujući slobodnoj energiji hidrolize ATP-a - specijalnih sistema integralnih proteina (transportnih ATPaza). Trenutno su poznata tri tipa elektrogenih jonskih pumpi. Prijenos jona transportnim ATPazama nastaje zbog konjugacije procesa prijenosa s kemijskim reakcijama zbog energije metabolizma ćelije.
U toku rada K + -Na + -ATPaze, zbog energije visokoenergetskih veza koje se oslobađaju prilikom hidrolize svakog ATP molekula, dva jona kalijuma se prenose u ćeliju, a tri jona natrijuma se istovremeno ispumpavaju iz ćelije. Tako se stvara povećana koncentracija jona kalijuma u ćeliji u odnosu na međućelijski medij i smanjena koncentracija jona natrijuma, što je od velikog fiziološkog značaja. Ca-ATPaza osigurava aktivni prijenos dva jona kalcija, protonska pumpa - dva protona po ATP molekulu.
Molekularni mehanizam rada ionskih ATPaza nije u potpunosti shvaćen. Ipak, glavne faze ovog složenog enzimskog procesa mogu se pratiti. U slučaju K-Na-ATPaze (za kratkoću ćemo je označiti kao E), postoji sedam faza prenosa jona povezanih sa hidrolizom ATP-a. Oznake E1 i E2 odgovaraju lokaciji aktivnog mjesta enzima na unutrašnjoj i vanjskoj površini membrane, respektivno (adenozin difosfat - ADP, anorganski fosfat - P, aktivni kompleks je označen zvjezdicom):
1) E + ATP E*ATP,
2) E*ATP + 3Na *Na3,
3) *Na3 [E1 ~ P]*Na3 + ADP,
4) [E1 ~ P] * Na3 [E2 ~ P] * Na3,
5) [E2 ~ P] * Na3 + 2K [E2 - P] * K2 + 3Na,
6) [E2 - P] * K2 [E1 - P] * K2,
7) [E1 - P] * E + P + 2K.
Šema pokazuje da su ključne faze rada enzima: 1) formiranje enzimskog kompleksa sa ATP-om na unutrašnjoj površini membrane (ova reakcija se aktivira pomoću jona magnezijuma); 2) vezivanje kompleksom tri natrijumova jona; 3) fosforilacija enzima sa stvaranjem adenozin difosfata; 4) udar (flip-flop) enzima unutar membrane 5) reakcija jonske razmene natrijuma za kalijum koja se odvija na spoljnoj površini membrane; 6) obrnuti obrt enzimskog kompleksa sa transferom jona kalijuma u ćeliju i 7) povratak enzima u prvobitno stanje uz oslobađanje jona kalijuma i neorganskog fosfata (P). Tako se za kompletan ciklus iz ćelije oslobađaju tri jona natrijuma, citoplazma je obogaćena sa dva jona kalijuma, a jedan molekul ATP-a je hidrolizovan.
Sekundarni transport aktivnih jona
Pored gore spomenutih jonskih pumpi, poznati su slični sistemi u kojima se akumulacija tvari ne povezuje s hidrolizom ATP-a, već s radom redoks enzima ili fotosintezom. Transport supstanci je u ovom slučaju sekundaran, posredovan membranskim potencijalom i/ili gradijentom koncentracije jona u prisustvu specifičnih nosača u membrani. Ovaj transportni mehanizam naziva se sekundarni aktivni transport. Ovaj mehanizam najdetaljnije razmatra Peter Mitchell (1966) u hemiosmotskoj teoriji oksidativne fosforilacije. U plazmatskim i subćelijskim membranama živih ćelija moguće je istovremeno funkcioniranje primarnog i sekundarnog aktivnog transporta. Primjer je unutrašnja membrana mitohondrija. Inhibicija ATPaze u njemu ne lišava česticu sposobnosti akumulacije tvari zbog sekundarnog aktivnog transporta. Ovaj način akumulacije je posebno važan za one metabolite za koje ne postoje pumpe (šećeri, aminokiseline).
Trenutno su detaljno proučavane tri šeme sekundarnog aktivnog transporta. Radi jednostavnosti, razmatra se transport monovalentnih jona uz učešće molekula nosača. To znači da nosač u opterećenom ili neopterećenom stanju podjednako dobro prelazi membranu. Izvor energije je membranski potencijal i/ili gradijent koncentracije jednog od jona. Šeme su prikazane na sl. 5. Jednosmjerni prijenos jona u kombinaciji sa specifičnim nosačem naziva se uniport. U ovom slučaju, naboj se prenosi kroz membranu ili kompleksom, ako je molekula nosača električno neutralna, ili praznim nosačem, ako je prijenos osiguran nabijenim nosačem. Rezultat prijenosa bit će akumulacija jona zbog smanjenja membranskog potencijala. Ovaj efekat se primećuje tokom akumulacije jona kalijuma u prisustvu valinomicina u energiziranim mitohondrijama.
Protuprenos jona uz učešće jednog molekula nosača naziva se antiport. Ovdje se pretpostavlja da molekula nosača formira jak kompleks sa svakim od prenesenih jona. Prijenos se vrši u dvije faze: prvo, jedan ion prelazi membranu s lijeva na desno, zatim drugi ion prelazi membranu u suprotnom smjeru. U ovom slučaju se membranski potencijal ne mijenja.Šta je pokretačka snaga ovog procesa? Očigledno, razlika u koncentraciji jednog od prenesenih jona. Ako u početku nije bilo razlike u koncentraciji drugog jona, tada će prijenos rezultirati akumulacijom drugog iona zbog smanjenja razlike u koncentraciji prvog. Klasičan primjer antiporta je prijenos iona kalija i vodika kroz ćelijsku membranu uz učešće molekule antibiotika nigericina.
Zajednički jednosmjerni prijenos jona uz sudjelovanje nosača s dva mjesta naziva se symport. Pretpostavlja se da membrana može sadržavati dvije električno neutralne čestice: nosač u kompleksu s katjonom i anjonom i prazan nosač. Budući da se membranski potencijal ne mijenja u takvoj shemi prijenosa, uzrok prijenosa može biti razlika u koncentraciji jednog od jona. Vjeruje se da se akumulacija aminokiselina u stanicama odvija prema shemi simporta. Kalijum-natrijum pumpa stvara početni gradijent koncentracije natrijevih jona, koji zatim, prema shemi symporta, doprinose akumulaciji aminokiselina. Iz symport sheme slijedi da ovaj proces mora biti praćen značajnim pomakom osmotske ravnoteže, budući da se dvije čestice transportuju kroz membranu u jednom ciklusu u jednom smjeru.
U procesu života, granice ćelije prelaze različite supstance, čiji se tokovi efikasno regulišu. Ćelijska membrana se nosi sa ovim zadatkom sa ugrađenim transportnim sistemima, uključujući jonske pumpe, sistem molekula nosača i visoko selektivne jonske kanale.
Na prvi pogled, ovakvo obilje transfernih sistema izgleda suvišno, jer rad samo jonskih pumpi omogućava da se obezbede karakteristične karakteristike biološkog transporta: visoka selektivnost, prenos supstanci protiv difuzijskih sila i električnog polja. Paradoks je, međutim, da je broj protoka koji se reguliše beskonačno velik, dok postoje samo tri pumpe. U ovom slučaju poseban značaj dobijaju mehanizmi konjugacije jona, poznati kao sekundarni aktivni transport, u kojima važnu ulogu imaju difuzioni procesi. Dakle, kombinacija aktivnog transporta supstanci sa fenomenom difuzionog prenosa u ćelijskoj membrani predstavlja osnovu koja obezbeđuje vitalnu aktivnost ćelije.
I PROPUSNOST MEMBRANA
U pogledu propusnosti, lipidne pore se fundamentalno razlikuju od proteinskih kanala po svom porijeklu i izuzetnoj dinamici. Dok proteinski kanali imaju striktno definisane dimenzije koje traju tokom života ćelije, dimenzije lipidnih pora tokom procesa upijanja uveliko variraju. Međutim, ova varijabilnost ima ograničenje. Ako je radijus pora manji od kritičnog, tada pora mora proći kroz sve međuradijuse i dostići minimalnu veličinu u procesu curenja. Pitanje mogućnosti potpunog odvajanja lipidnih pora ostaje otvoreno. Pretpostavlja se da je potpuno zatezanje pora spriječeno snažnim silama hidratacije, koje se manifestiraju kada se stijenke hidrofilnih pora približavaju jedna drugoj.
Lipidne pore, za razliku od proteinskih jonskih kanala, nemaju izraženu selektivnost, što je u korelaciji sa njihovim relativno velikim početnim veličinama. Jasno je, međutim, da u procesu vlaženja, lipidne pore mogu dostići proizvoljno male veličine, uključujući i one uporedive s veličinama proteinskih ionskih kanala, što može dovesti do preraspodjele jonskih struja u membrani, na primjer, nakon ekscitacije. . Dalje je poznato da se nakon isključivanja stresa lipidna dvoslojna membrana može vratiti u stanje niske provodljivosti, što implicira da su pore dostigle veličinu nedovoljnu za prolaz hidratiziranih jona. Dakle, hidrofilne lipidne pore su univerzalne po tome što ih ćelija može koristiti za transport makromolekularnih supstanci, jona i molekula vode.
Studije permeabilnosti lipidnih pora trenutno se razvijaju u dva smjera: u prvom se proučavaju najveće moguće pore, u drugom, naprotiv, proučavaju se lipidne pore minimalnog radijusa. U prvom slučaju radi se o elektrotransfekciji – metodi uvođenja molekula DNK u žive ćelije ili lipozome sa ciljem prenošenja i intracelularnog unošenja stranog genetskog materijala. Ispostavilo se da vanjsko električno polje velike snage olakšava prodiranje džinovske molekule DNK u česticu membrane. Kao što se može vidjeti iz, maksimalna veličina kritične pore odgovara tečno-kristalnom stanju lipidnog dvosloja u odsustvu vanjskog električnog polja i jednaka je 9 nm. Primjena vanjskog električnog polja jačine 100 kV/m smanjuje kritični radijus pora na 1 nm u vremenu od 0,2 s. Budući da su membrane u ovom slučaju očuvane, veličina lipidnih pora u njima očito ne prelazi ovu donju granicu. Paradoks je da efektivni prečnik statističke zavojnice DNK, koja mora ući unutar čestice, dostiže 2000 nm. Zaista problem s kamili koja prodire kroz iglene uši. Stoga je očigledno da molekula DNK mora prodrijeti kroz membranu u obliku raspletenog jednog lanca. Poznato je da kraj konca ima prečnik od 2 nm i tako može samo da uđe u poru. Međutim, slobodna difuzija lanca DNK u pore u ovom slučaju je teško moguća. Nažalost, mehanizam ovog fenomena je još uvijek nejasan. Pretpostavlja se, posebno, da je molekul DNK u stanju da proširi pore i tako provuče kroz membranu. Prodor DNK može biti olakšan dodatnim silama elektroforeze i elektroosmoze, uzimajući u obzir ukupni negativni naboj molekula DNK. Moguće je da pore u kojima su fiksirani krajevi molekule DNK igraju ulogu sidra koje drži molekulu na određenom mjestu blizu površine membrane vezikula, a sam proces prijenosa je vrsta pinocitoze. Proučavanje ovoga zanimljivo je sa stanovišta