Mechanizmy transportu substancji przez błony biologiczne. błony biologiczne. Pompa do sodu i potasu

pola_tekstowe

pola_tekstowe

strzałka_w górę

U zwierząt z zamkniętym układem naczyniowym płyn pozakomórkowy konwencjonalnie dzieli się na dwa składniki:

1) płyn śródmiąższowy
2) krążące osocze krwi.

Płyn śródmiąższowy to część płynu pozakomórkowego, która znajduje się poza układem naczyniowym i otacza komórki.

Około 1/3 całkowitej wody w organizmie to płyn pozakomórkowy, pozostałe 2/3 to płyn wewnątrzkomórkowy.

Stężenia elektrolitów i substancji koloidalnych różnią się znacznie w osoczu, płynach śródmiąższowych i wewnątrzkomórkowych. Najbardziej wyraźne różnice dotyczą stosunkowo niskiej zawartości białek anionowych w płynie śródmiąższowym w porównaniu z płynem wewnątrzkomórkowym i osoczem krwi oraz wyższymi stężeniami sodu i chloru w płynie śródmiąższowym oraz potasu w płynie wewnątrzkomórkowym.

Nierówny skład różnych płynnych mediów w organizmie wynika w dużej mierze z natury oddzielających je barier. Błony komórkowe oddzielają płyn wewnątrzkomórkowy od płynu pozakomórkowego, podczas gdy ściany naczyń włosowatych oddzielają płyn śródmiąższowy od osocza. Może wystąpić transport substancji przez te bariery biernie poprzez dyfuzję, filtrację i osmozę, a także przez transport aktywny.

Transport pasywny

pola_tekstowe

pola_tekstowe

strzałka_w górę

Ryż. 1.12 Rodzaje biernego i czynnego transportu substancji przez błonę.

Schematycznie główne rodzaje transportu substancji przez błonę komórkową pokazano na ryc. 1.12

Rys.1.12 Rodzaje biernego i czynnego transportu substancji przez membranę.

3 - ułatwiona dyfuzja,

Pasywny transfer substancji przez błony komórkowe nie wymaga wydatkowania energii metabolicznej.

Rodzaje transportu pasywnego

pola_tekstowe

pola_tekstowe

strzałka_w górę

Rodzaje transportu pasywnego substancji:

• prosta dyfuzja
• Osmoza
• Dyfuzja jonów
• Ułatwiona dyfuzja

prosta dyfuzja

pola_tekstowe

pola_tekstowe

strzałka_w górę

Dyfuzja to proces, w którym gaz lub substancja rozpuszczona rozprzestrzenia się i wypełnia całą dostępną objętość.

Cząsteczki i jony rozpuszczone w cieczy poruszają się chaotycznie, zderzając się ze sobą, cząsteczkami rozpuszczalnika i błoną komórkową. Zderzenie cząsteczki lub jonu z błoną może mieć dwojaki skutek: cząsteczka albo „odbija się” od błony, albo przechodzi przez nią. Gdy prawdopodobieństwo ostatniego zdarzenia jest wysokie, mówi się, że membrana: przepuszczalny dla tegoSubstancje.

Jeżeli stężenie substancji po obu stronach membrany jest różne, następuje przepływ cząstek skierowany z roztworu bardziej stężonego do rozcieńczonego. Dyfuzja zachodzi do momentu wyrównania się stężenia substancji po obu stronach membrany. Przechodzą przez błonę komórkową jako wysoce rozpuszczalne w wodzie. (hydrofilowy) substancje i hydrofobowy, słabo lub całkowicie w nim nierozpuszczalny.

Hydrofobowe, wysoce rozpuszczalne w tłuszczach substancje dyfundują w wyniku rozpuszczania w lipidach błonowych.

Woda i substancje w niej rozpuszczalne przenikają przez czasowe ubytki w obszarze węglowodorowym membrany, tzw. perwersyjne, a także poprzez pory, trwale istniejące hydrofilowe obszary membrany.

W przypadku, gdy błona komórkowa jest nieprzepuszczalna lub słabo przepuszczalna dla substancji rozpuszczonej, ale przepuszczalna dla wody, poddawana jest ona działaniu sił osmotycznych. Przy niższym stężeniu substancji w komórce niż w środowisku komórka kurczy się; jeśli stężenie substancji rozpuszczonej w komórce jest wyższe, woda wpada do komórki.

Osmoza

pola_tekstowe

pola_tekstowe

strzałka_w górę

Osmoza- ruch cząsteczek wody (rozpuszczalnika) przez membranę z obszaru o niższym stężeniu do obszaru o wyższym stężeniu substancji rozpuszczonej.

Ciśnienie osmotyczne nazywane najmniejszym ciśnieniem, które należy przyłożyć do roztworu, aby zapobiec przepływowi rozpuszczalnika przez membranę do roztworu o wyższym stężeniu substancji.

Cząsteczki rozpuszczalnika, podobnie jak molekuły każdej innej substancji, są wprawiane w ruch przez siłę wynikającą z różnicy potencjałów chemicznych. Kiedy substancja rozpuszcza się, zmniejsza się potencjał chemiczny rozpuszczalnika. Dlatego w regionie, w którym stężenie substancji rozpuszczonej jest wyższe, potencjał chemiczny rozpuszczalnika jest niższy. Zatem cząsteczki rozpuszczalnika, przechodząc od roztworu o niższym stężeniu do roztworu o wyższym stężeniu, poruszają się w sensie termodynamicznym „w dół”, „wzdłuż gradientu”.

Objętość komórek jest w dużej mierze regulowana ilością zawartej w nich wody. Komórka nigdy nie jest w stanie pełnej równowagi z otoczeniem. Ciągły ruch cząsteczek i jonów przez błonę komórkową zmienia stężenie substancji w komórce i odpowiednio ciśnienie osmotyczne jej zawartości. Jeśli komórka wydziela substancję, to aby utrzymać stałą wartość ciśnienia osmotycznego, musi albo uwolnić odpowiednią ilość wody, albo wchłonąć równoważną ilość innej substancji. Ponieważ środowisko otaczające większość komórek jest hipotoniczne, ważne jest, aby komórki zapobiegały przedostawaniu się do nich dużych ilości wody. Utrzymanie stałej objętości nawet w środowisku izotonicznym wymaga zużycia energii, dlatego stężenie substancji niezdolnych do dyfuzji (białek, kwasów nukleinowych itp.) w komórce jest wyższe niż w środowisku okołokomórkowym. Ponadto w komórce stale gromadzą się metabolity, co zaburza równowagę osmotyczną. Potrzebę wydatkowania energii w celu utrzymania stałej objętości można łatwo wykazać w eksperymentach z chłodzeniem lub inhibitorami metabolizmu. W takich warunkach komórki szybko pęcznieją.

Aby rozwiązać „problem osmotyczny” komórki użyj dwóch metod: wypompowują składniki swojej zawartości lub wnikającą do nich wodę do tkanki śródmiąższowej. W większości przypadków komórki wykorzystują pierwszą okazję - wypompowując substancje, częściej jony, wykorzystując do tego pompa sodowa(patrz poniżej).

Ogólnie o objętości komórek, które nie mają sztywnych ścian, decydują trzy czynniki:

1) ilość zawartych w nich substancji, które nie mogą przeniknąć przez błonę;
2) stężenie w śródmiąższu związków, które mogą przejść przez błonę;
3) stosunek szybkości penetracji i pompowania substancji z komórki.

Ważną rolę w regulacji bilansu wodnego między komórką a środowiskiem odgrywa elastyczność błony komórkowej, która wytwarza ciśnienie hydrostatyczne uniemożliwiające wnikanie wody do komórki. W przypadku różnicy ciśnień hydrostatycznych w dwóch obszarach medium, woda może być filtrowana przez pory przegrody oddzielającej te obszary.

Zjawiska filtracji leżą u podstaw wielu procesów fizjologicznych, takich jak tworzenie moczu pierwotnego w nefronie, wymiana wody między krwią a płynem tkankowym w naczyniach włosowatych.

Dyfuzja jonów

pola_tekstowe

pola_tekstowe

strzałka_w górę

Dyfuzja jonów występuje głównie poprzez wyspecjalizowane struktury białkowe błony - jon kagotówka, kiedy są otwarte. W zależności od rodzaju tkanki komórki mogą mieć różne zestawy kanałów jonowych.

Rozróżnij kanały sodowe, potasowe, wapniowe, sodowo-wapniowe i chlorkowe. Transport jonów kanałami ma szereg cech odróżniających go od prostej dyfuzji. Dotyczy to zwłaszcza kanałów wapniowych.

Kanały jonowe mogą być w stanie otwartym, zamkniętym i nieaktywnym. Przejście kanału z jednego stanu do drugiego jest kontrolowane albo przez zmianę różnicy potencjałów elektrycznych w poprzek błony, albo przez oddziaływanie substancji fizjologicznie czynnych z receptorami.

W związku z tym kanały jonowe są podzielone na potencjalny zależny oraz oparte na receptorze. Selektywna przepuszczalność kanału jonowego dla konkretnego jonu jest determinowana obecnością specjalnych filtrów selektywnych w jego ujściu.

Ułatwiona dyfuzja

pola_tekstowe

pola_tekstowe

strzałka_w górę

Przez błony biologiczne, oprócz wody i jonów, wiele substancji (od etanolu po złożone leki) przenika przez prostą dyfuzję. Jednocześnie nawet stosunkowo niewielkie cząsteczki polarne, takie jak glikole, monosacharydy i aminokwasy, dzięki prostej dyfuzji praktycznie nie przenikają przez błonę większości komórek. Są przekazywane przez ułatwiona dyfuzja.

Rozproszenie nazywa się światłem substancji wzdłuż gradientu stężeń, który odbywa się przy udziale specjalnych cząsteczek nośnika białka.

Transport Na + , K + , Cl - , Li + , Ca 2+ , HCO 3 - i H + może również prowadzić konkretni przewoźnicy. Charakterystyczne cechy tego typu transportu błonowego to wysokie tempo transferu substancji w porównaniu do prostej dyfuzji, zależność od struktury jej cząsteczek, nasycenie, konkurencja oraz wrażliwość na specyficzne inhibitory – związki hamujące dyfuzję.

Wszystkie powyższe cechy ułatwionej dyfuzji wynikają ze specyfiki białek nośnikowych i ich ograniczonej liczby w błonie. Po osiągnięciu pewnego stężenia przenoszonej substancji, gdy wszystkie nośniki są zajęte przez transportowane cząsteczki lub jony, dalsze jej zwiększanie nie będzie prowadziło do wzrostu liczby transportowanych cząstek - zjawisko nasycenia. Substancje o podobnej budowie molekularnej i transportowane przez ten sam nośnik będą konkurować o nośnik - zjawisko konkurencji.

Istnieje kilka rodzajów transportu substancji poprzez ułatwioną dyfuzję (ryc. 1.13):

Ryż. 1.13 Klasyfikacja metod transportu przez błonę.

Uniport, gdy cząsteczki lub jony są przenoszone przez błonę, niezależnie od obecności lub przenoszenia innych związków (transport glukozy, aminokwasów przez błonę podstawną komórek nabłonka);

Symport, w którym ich transfer odbywa się jednocześnie i jednokierunkowo z innymi związkami (sodowy transport cukrów i aminokwasów Na+K+, 2Cl- i kotransport);

Antiport - (transport substancji wynika z jednoczesnego i przeciwnie skierowanego transportu innego związku lub jonu (wymiany Na + / Ca 2+, Na + / H + Cl - / HCO 3 -).

Symport i antiport to gatunki współtransport, w którym prędkość transferu jest kontrolowana przez wszystkich uczestników procesu transportowego.

Natura białek nośnikowych jest nieznana. Zgodnie z zasadą działania dzielą się na dwa typy. Nośniki pierwszego typu wykonują ruchy wahadłowe przez membranę, a drugiego typu są osadzone w membranie tworząc kanał. Ich działanie można symulować za pomocą antybiotyków jonoforowych, nośnika metali alkalicznych. Tak więc jeden z nich - (walinomycyna) - działa jak prawdziwy nośnik, przenosząc potas przez błonę. Cząsteczki gramicydyny A, innego jonoforu, są wprowadzane do błony jedna po drugiej, tworząc „kanał” dla jonów sodu.

Większość komórek ma system ułatwionej dyfuzji. Jednak lista metabolitów transportowanych przez ten mechanizm jest raczej ograniczona. Zasadniczo są to cukry, aminokwasy i niektóre jony. Tym systemem nie są transportowane związki będące pośrednimi produktami metabolizmu (cukry fosforylowane, produkty metabolizmu aminokwasów, makroergy). Tak więc ułatwiona dyfuzja służy do transportu tych cząsteczek, które komórka otrzymuje ze środowiska. Wyjątkiem jest transport cząsteczek organicznych przez nabłonek, który będzie rozpatrywany osobno.

transport aktywny

pola_tekstowe

pola_tekstowe

strzałka_w górę

transport aktywny odbywa się przez transport trifosfataz adenozyny (ATPazy) i zachodzi dzięki energii hydrolizy ATP.

Rysunek 1.12 przedstawia rodzaje pasywnego i aktywnego transportu substancji przez membranę.

1,2 - prosta dyfuzja przez dwuwarstwę i kanał jonowy,
3 - ułatwiona dyfuzja,
4 - podstawowy transport aktywny,
5 - wtórny aktywny transport.

Rodzaje aktywnego transportu

pola_tekstowe

pola_tekstowe

strzałka_w górę

Rodzaje aktywnego transportu substancji:

transport podstawowy czynny,

wtórny transport aktywny.

podstawowy aktywny transport

pola_tekstowe

pola_tekstowe

strzałka_w górę

Transportu substancji z ośrodka o niskim stężeniu do ośrodka o wyższym stężeniu nie można wytłumaczyć ruchem po gradiencie, tj. dyfuzja. Proces ten realizowany jest dzięki energii hydrolizy ATP lub energii wynikającej z gradientu stężenia dowolnych jonów, najczęściej sodu. Jeśli źródłem energii dla aktywnego transportu substancji jest hydroliza ATP, a nie ruch niektórych innych cząsteczek lub jonów przez błonę, transport nazywapodstawowy aktywny.

Pierwotny aktywny transfer jest realizowany przez transportowe ATPazy, które nazywane są pompy jonowe. W komórkach zwierzęcych najczęściej występuje Na+,K+-ATPaza (pompa sodowa), będąca integralnym białkiem błony plazmatycznej oraz Ca2+-ATPaza, zawarta w błonie komórkowej siateczki sarko-(endo)-plazmatycznej . Wszystkie trzy białka mają wspólną właściwość - zdolność do fosforylacji i tworzenia pośredniej fosforylowanej formy enzymu. W stanie ufosforylowanym enzym może występować w dwóch konformacjach, które są powszechnie określane jako E 1 i E2.

Konformacja enzymatyczna - jest to sposób orientacji przestrzennej (układania) łańcucha polipeptydowego jego cząsteczki. Te dwie konformacje enzymu charakteryzują się różnym powinowactwem do transportowanych jonów, tj. różna zdolność wiązania transportowanych jonów.

Na+/K+-ATPaza zapewnia sprzężony aktywny transport Na+ z komórki i K+ do cytoplazmy. W cząsteczce Na + /K + - ATPazy znajduje się specjalny obszar (miejsce), w którym zachodzi wiązanie jonów Na i K. Przy konformacji enzymu E 1 obszar ten jest obracany wewnątrz siateczki osocza. Do realizacji tego etapu konwersji Ca 2+ -ATPazy niezbędna jest obecność jonów magnezu w siateczce sarkoplazmatycznej. Następnie cykl enzymu jest powtarzany.

wtórny aktywny transport

pola_tekstowe

pola_tekstowe

strzałka_w górę

wtórny aktywny transport jest przeniesieniem substancji przez błonę wbrew jej gradientowi stężeń na skutek energii gradientu stężeń innej substancji powstałej w procesie transportu aktywnego. W komórkach zwierzęcych głównym źródłem energii do wtórnego transportu aktywnego jest energia gradientu stężenia jonów sodu, który powstaje dzięki pracy Na+ /K+ - ATPazy. Na przykład błona komórkowa błony śluzowej jelita cienkiego zawiera białko, które przeprowadza transfer (symport) glukozy i Na+ do nabłonków. Transport glukozy odbywa się tylko wtedy, gdy Na+, jednocześnie wiążąc glukozę z określonym białkiem, jest przenoszony wzdłuż gradientu elektrochemicznego. Gradient elektrochemiczny Na+ jest utrzymywany przez aktywny transport tych kationów poza komórkę.

W mózgu praca pompy Na+ wiąże się z odwrotną absorpcją (reabsorpcja) mediatorów - substancje fizjologicznie czynne, które są uwalniane z zakończeń nerwowych pod wpływem czynników pobudzających.

W kardiomiocytach i komórkach mięśni gładkich działanie Na+, K+-ATPazy związane jest z transportem Ca2+ przez błonę komórkową, dzięki obecności w błonie komórkowej białka, które wykonuje przeciwtransport (antyport) Na+ i Ca 2+. Jony wapnia są transportowane przez błonę komórkową w zamian za jony sodu oraz dzięki energii gradientu stężenia jonów sodu.

W komórkach znaleziono białko, które wymienia zewnątrzkomórkowe jony sodu na wewnątrzkomórkowe protony - Na + /H + - wymiennik. Nośnik ten odgrywa ważną rolę w utrzymaniu stałego wewnątrzkomórkowego pH. Szybkość, z jaką przeprowadza się wymianę Na+/Ca2+ i Na+/H+- jest proporcjonalna do elektrochemicznego gradientu Na+ na membranie. Wraz ze spadkiem zewnątrzkomórkowego stężenia Na + hamowanie Na + , K + -ATPazy przez glikozydy nasercowe lub w środowisku wolnym od potasu zwiększa się wewnątrzkomórkowe stężenie wapnia i protonów. Ten wzrost wewnątrzkomórkowego stężenia Ca2+ z hamowaniem Na+, K+-ATPazy leży u podstaw zastosowania glikozydów nasercowych w praktyce klinicznej do wzmagania skurczów serca.

Wymiana substancji między komórką a jej otoczeniem zachodzi w sposób ciągły. Mechanizmy transportu substancji do iz komórki zależą od wielkości transportowanych cząstek. Małe cząsteczki i jony są transportowane przez komórkę bezpośrednio przez błonę w postaci transportu pasywnego i aktywnego.

Transport pasywny przeprowadzana bez wydatkowania energii, wzdłuż gradientu stężenia przez prostą dyfuzję, filtrację, osmozę lub dyfuzję ułatwioną.

Dyfuzja – przenikanie substancji przez membranę wzdłuż gradientu stężeń; dyfuzyjny transport substancji (woda, jony) odbywa się przy udziale integralnych białek błony, w których znajdują się pory molekularne, lub przy udziale fazy lipidowej (dla substancji rozpuszczalnych w tłuszczach).

Ułatwiona dyfuzja - transfer za pomocą specjalnych białek nośnikowych (permeaz), które selektywnie wiążą się z jednym lub drugim jonem lub cząsteczką i przenoszą je przez błonę. W tym przypadku cząstki poruszają się szybciej niż przy konwencjonalnej dyfuzji.

Osmoza - wnikanie wody do komórek z roztworu hipotonicznego.

Aktywny transport polega na przemieszczaniu się substancji wbrew gradientowi stężeń za pomocą białek transportowych (poryny, ATP-azy itp.), które tworzą pompy membranowe, z wydatkowaniem energii ATP (pompa potasowo-sodowa, regulacja stężenia jonów wapnia i magnezu w komórkach, pobór cukrów prostych, nukleotydów, aminokwasów).

Przenoszenie makrocząsteczek i większych cząstek następuje przez pinocytozę i fagocytozę ze względu na zdolność błony komórkowej do tworzenia wypukłości. Krawędzie tych występów zamykają się, wychwytując płyn otaczający komórkę (pinocytoza) lub cząstki stałe (fagocytoza) i tworząc bąbelki otoczone błoną.

pinocytoza - jeden z głównych sposobów wnikania związków wielkocząsteczkowych do komórki. Powstałe wakuole pinocytowe mają wielkość od 0,01 do 1-2 mikronów. Następnie wakuola zanurza się w cytoplazmie i sznuruje. W tym samym czasie ściana wakuoli pinocytowej całkowicie zachowuje strukturę błony komórkowej, która dała jej początek. Pinocytoza i fagocytoza to zasadniczo podobne procesy, w których można wyróżnić cztery fazy: pobór substancji przez pino- lub fagocytozę, ich rozszczepienie pod wpływem enzymów wydzielanych przez lizosomy, przeniesienie produktów rozszczepienia do cytoplazmy (w wyniku zmian w przepuszczalność błon wakuolowych) i uwalnianie produktów przemiany materii.

W zależności od rodzaju i kierunku transportu istnieją endocytoza (przeniesienie do komórki przez bezpośrednią pino lub fagocytozę) i egzocytoza (przeniesienie z komórki przez odwrotną pino - lub fagocytozę).

6. CYTOPLAZMA, JEJ STRUKTURA, SKŁAD CHEMICZNY.

Cytoplazma - niezbędny składnik komórki. Zachodzą w nim złożone i różnorodne procesy syntezy, oddychania, wzrostu, tkwią w nim zjawiska drażliwości i dziedziczności, tj. wszystkie te właściwości, które charakteryzują życie.

Cytoplazma jest lepką, przezroczystą, bezbarwną masą o ciężarze właściwym 1,04 - 1,06. Światło załamuje się trochę bardziej niż woda. Cytoplazma jest elastyczna, elastyczna, nie miesza się z wodą. W wielu komórkach można zaobserwować jego ruch: w komórkach z jedną dużą centralną wakuolą - kolistą (cykloza), w komórkach z wieloma wakuolami i pasmami cytoplazmy między nimi - prążkowanymi. Prąd cytoplazmy obejmuje ruch organelli komórkowych.

Cytoplazma jest różnicowana w masę pozbawioną struktury - hialoplazmę i uformowane formacje - organelle komórkowe. Hialoplazma (macierz cytoplazmatyczna) - złożony układ koloidalny tworzony przez białka, kwasy nukleinowe, węglowodany, wodę i inne substancje. W zależności od stanu fizjologicznego i wpływu środowiska zewnętrznego hialoplazma może mieć postać zolu (ciecz) lub żelu (bardziej elastyczna, gęsta substancja). Hialoplazma to wewnętrzne środowisko komórki, w którym zachodzą reakcje metabolizmu wewnątrzkomórkowego.

W hialoplazmie komórek, między błoną jądrową a błoną cytoplazmatyczną, znajduje się cytoszkielet. Jest tworzony przez rozwiniętą sieć włókien (rurek białkowych): mikrofilamenty (6-8 nm) utworzone przez białko aktynowe; włókna pośrednie (10 nm) składające się z różnych białek fibrylarnych (cytokeratyn itp.); mikrotubule (około 25 nm) zbudowane z tubuliny i zdolne do skurczu. Cytoszkielet determinuje kształt komórki, uczestniczy w różnych ruchach samej komórki (podczas podziału) oraz wewnątrzkomórkowych ruchach organelli i poszczególnych związków.

Funkcje hialoplazmy:

1) jest środowiskiem wewnętrznym komórki, w którym zachodzi wiele procesów chemicznych;

2) łączy wszystkie struktury komórkowe i zapewnia wzajemne oddziaływanie chemiczne między nimi;

3) określa położenie organelli w komórce;

4) zapewnia wewnątrzkomórkowy transport substancji (aminokwasów, cukrów itp.) oraz ruch organelli (ruch chloroplastów w komórkach roślinnych);

5) jest strefą ruchu cząsteczek ATP;

6) określa kształt komórki.

Cytoplazma to złożony chemiczny układ wieloskładnikowy zawierający 75-86% wody, 10-20% białek, 2-3% lipidów, 1-2% węglowodanów, 1% soli mineralnych. Jest to całkowity i przybliżony skład cytoplazmy, który nie odzwierciedla złożoności jej budowy chemicznej.

Cytoplazma w stanie rozpuszczonym zawiera dużą ilość wolnych aminokwasów i nukleotydów, wiele produktów pośrednich, które powstają podczas syntezy i rozpadu cząsteczek. Stwierdzono również dużą liczbę jonów Na + , K + , Mg 2+ , Cl - , HCO 3 2- , HPO 4 2- i innych.

Podobne informacje.

Transport pasywny obejmuje prostą i ułatwioną dyfuzję - procesy niewymagające nakładów energetycznych. Dyfuzja- transport cząsteczek i jonów przez błonę z obszaru o wysokim stężeniu do obszaru o niskim stężeniu, tj. Substancje poruszają się po gradiencie stężeń. Nazywa się dyfuzję wody przez błony półprzepuszczalne osmoza. Woda jest również w stanie przejść przez pory błony utworzone przez białka i przenosić cząsteczki i jony rozpuszczonych w niej substancji. Mechanizm prostej dyfuzji polega na przenoszeniu małych cząsteczek (na przykład O2, H2O, CO2); proces ten jest mało specyficzny i przebiega z szybkością proporcjonalną do gradientu stężeń transportowanych cząsteczek po obu stronach błony.

Ułatwiona dyfuzja odbywa się poprzez kanały i (lub) białka nośnikowe, które mają specyficzność w stosunku do transportowanych cząsteczek. Kanały jonowe to białka transbłonowe, które tworzą małe pory wodne, przez które małe cząsteczki i jony rozpuszczalne w wodzie są transportowane wzdłuż gradientu elektrochemicznego. Białka nośnikowe to również białka transbłonowe, które podlegają odwracalnym zmianom konformacyjnym, które zapewniają transport określonych cząsteczek przez plazmalemmę. Funkcjonują w mechanizmach transportu zarówno biernego, jak i czynnego.

transport aktywny to energochłonny proces, dzięki któremu przenoszenie cząsteczek odbywa się za pomocą białek nośnikowych wbrew gradientowi elektrochemicznemu. Przykładem mechanizmu zapewniającego przeciwnie skierowany aktywny transport jonów jest pompa sodowo-potasowa (reprezentowana przez białko nośnikowe Na+-K+-ATPaza), dzięki której jony Na+ są usuwane z cytoplazmy, a jony K+ są do niego jednocześnie przenoszone. Stężenie K + wewnątrz komórki jest 10-20 razy wyższe niż na zewnątrz, a stężenie Na jest odwrotnie. Tę różnicę w stężeniach jonów zapewnia działanie pompy (Na * -K *>. Aby utrzymać to stężenie, trzy jony Na są przenoszone z komórki na każde dwa jony K * do komórki. Proces ten obejmuje białko w membrana, która działa jak enzym rozkładający ATP, uwalniając energię potrzebną do uruchomienia pompy.
Udział specyficznych białek błonowych w transporcie pasywnym i aktywnym wskazuje na wysoką specyficzność tego procesu. Mechanizm ten utrzymuje stałą objętość komórek (poprzez regulację ciśnienia osmotycznego), a także potencjał błonowy. Aktywny transport glukozy do komórki jest realizowany przez białko nośnikowe i jest połączony z jednokierunkowym transferem jonu Na+.

Lekki transport w jonach pośredniczą specjalne białka transbłonowe - kanały jonowe, które zapewniają selektywny transfer niektórych jonów. Kanały te składają się z rzeczywistego systemu transportowego i mechanizmu bramkowego, który otwiera kanał na pewien czas w odpowiedzi na zmianę potencjału błonowego, (b) działanie mechaniczne (na przykład w komórkach rzęsatych ucha wewnętrznego), wiązanie ligand (cząsteczka sygnałowa lub jon).

Transport błonowy substancji również się różni w kierunku ich ruchu i ilości substancji przenoszonych przez ten nośnik:

• Uniport - transport jednej substancji w jednym kierunku w zależności od gradientu
• Symport to transport dwóch substancji w tym samym kierunku przez jeden nośnik.
• Antiport to ruch dwóch substancji w różnych kierunkach przez jeden nośnik.

Uniport przeprowadza na przykład zależny od napięcia kanał sodowy, przez który jony sodu przemieszczają się do komórki podczas generowania potencjału czynnościowego.

Symport realizuje transporter glukozy znajdujący się po zewnętrznej (zwróconej w stronę światła jelita) stronie komórek nabłonka jelitowego. Białko to jednocześnie wychwytuje cząsteczkę glukozy i jon sodu i zmieniając swoją konformację przenosi obie substancje do komórki. W tym przypadku wykorzystywana jest energia gradientu elektrochemicznego, który z kolei powstaje w wyniku hydrolizy ATP przez ATP-azę sodowo-potasową.

Antiport przeprowadza na przykład ATP-azę sodowo-potasową (lub ATP-azę zależną od sodu). Transportuje jony potasu do komórki. a poza komórką - jony sodu. Początkowo nośnik ten przyłącza do wnętrza membrany trzy jony Na+ . Jony te zmieniają konformację miejsca aktywnego ATPazy. Po takiej aktywacji ATP-aza jest w stanie hydrolizować jedną cząsteczkę ATP, a jon fosforanowy jest utrwalany na powierzchni nośnika od wewnątrz błony.

Uwolniona energia jest zużywana na zmianę konformacji ATPazy, po czym trzy jony Na+ i jon (fosforan) znajdują się na zewnątrz membrany. Tutaj jony Na+ odszczepia się i jest zastępowany dwoma jonami K+ . Następnie konformacja nośnika zmienia się na pierwotną, a jony K+ pojawiają się na wewnętrznej stronie membrany. Tutaj jony K+ odczepiam i nośnik znów gotowy do pracy

Transport substancji:

Przenoszenie substancji przez biol. Błona jest związana z tak ważnymi zjawiskami biologicznymi, jak wewnątrzkomórkowa homeostaza jonów, potencjały bioelektryczne, wzbudzanie i przewodzenie impulsu nerwowego, magazynowanie i transformacja energii.

Istnieje kilka rodzajów transportu:

1 . Uniport- jest to transport substancji przez błonę, niezależnie od obecności i przenoszenia innych związków.

2. Transport- jest to transfer jednej substancji związany z transportem innej: symport i antyport

a) gdzie nazywa się transfer jednokierunkowy symport - wchłanianie aminokwasów przez błonę jelita cienkiego,

b) przeciwnie skierowane - antyport(pompa sodowo-potasowa).

Transport substancji może być: - pasywny i aktywny transport (przewóz)

Transport pasywny nie wiąże się z kosztami energii, odbywa się poprzez dyfuzję (ruch ukierunkowany) wzdłuż stężeń (od mac do min), gradientów elektrycznych lub hydrostatycznych. Woda porusza się wzdłuż gradientu potencjału wody. Osmoza to ruch wody przez półprzepuszczalną membranę.

transport aktywny wykonywana przeciw gradientom (od min do mac), wiąże się ze zużyciem energii (głównie energii hydrolizy ATP) oraz wiąże się z pracą wyspecjalizowanych błonowych białek nośnikowych (syntetaza ATP).

Transfer pasywny można przeprowadzić:

a. Przez prostą dyfuzję przez dwuwarstwy lipidowe błony, a także przez wyspecjalizowane formacje - kanały. Poprzez dyfuzję przez błonę przenikają do komórki:

nienaładowane cząsteczki, dobrze rozpuszczalny w lipidach, m.in. wiele trucizn i leków,

gazy- tlen i dwutlenek węgla.

jony- przechodzą przez kanały penetrujące błonę, które są strukturami lipoproteinowymi, służą do transportu niektórych jonów (np. kationy - Na, K, Ca, aniony Cl, P) i mogą być w stanie otwartym lub zamkniętym. Przewodność kanału zależy od potencjału błonowego, który odgrywa ważną rolę w mechanizmie generowania i przewodzenia impulsu nerwowego.

b. Ułatwiona dyfuzja . W niektórych przypadkach przenoszenie materii zbiega się z kierunkiem gradientu, ale znacznie przekracza prędkość prostej dyfuzji. Ten proces nazywa się ułatwiona dyfuzja; występuje przy udziale białek nośnikowych. Proces ułatwionej dyfuzji nie wymaga energii. W ten sposób transportowane są cukry, aminokwasy, zasady azotowe. Taki proces zachodzi na przykład, gdy cukry są wchłaniane ze światła jelita przez komórki nabłonka.

w. Osmoza – ruch rozpuszczalnika przez membranę

transport aktywny

Przenoszenie cząsteczek i jonów wbrew gradientowi elektrochemicznemu (transport aktywny) wiąże się ze znacznymi kosztami energii. Często gradienty osiągają duże wartości, na przykład gradient stężenia jonów wodorowych na błonie komórkowej błony śluzowej żołądka wynosi 106, gradient stężenia jonów wapnia na błonie retikulum sarkoplazmatycznego wynosi 104, podczas gdy przepływy jonów w stosunku do gradientu są znaczące. W efekcie koszty energetyczne procesów transportowych sięgają np. u człowieka ponad 1/3 całkowitej energii metabolizmu.

W błonach komórkowych różnych narządów znaleziono aktywne systemy transportu jonów, np.:

sód i potas - pompa sodowa. Ten system pompuje sód z komórki i potas do komórki (antyport) wbrew ich gradientom elektrochemicznym. Transfer jonów jest realizowany przez główny składnik pompy sodowej - ATP-azę zależną od Na+, K+ w wyniku hydrolizy ATP. Na każdą zhydrolizowaną cząsteczkę ATP transportowane są trzy jony sodu i dwa jony potasu. .

Istnieją dwa rodzaje Ca 2 + -ATP-az. Jedna z nich zapewnia uwalnianie jonów wapnia z komórki do środowiska międzykomórkowego, druga - gromadzenie wapnia z zawartości komórki do wewnątrzkomórkowego depozytu. Oba systemy są w stanie wytworzyć znaczny gradient jonów wapnia.

K+, H+-ATPaza została znaleziona w błonie śluzowej żołądka i jelit. Jest w stanie transportować H+ przez błonę pęcherzyków śluzowych podczas hydrolizy ATP.

W mikrosomach błony śluzowej żołądka żaby wykryto ATP-azę wrażliwą na anion, zdolną do przeciwdziałania przenoszeniu wodorowęglanów i chlorków po hydrolizie ATP.

Pompa protonowa w mitochondriach i plastydach

wydzielanie HCl w żołądku,

pobieranie jonów przez komórki korzeni roślin

Naruszenie funkcji transportu przez błonę, w szczególności zwiększenie przepuszczalności błony, jest dobrze znaną uniwersalną oznaką uszkodzenia komórek. Ponad 20 tzw.choroby transportowe, m.in który:

glikozuria nerkowa,

cystynuria,

złe wchłanianie glukozy, galaktozy i witaminy B12,

sferocytoza wrodzona (niedokrwistość hemolityczna, erytrocyty są kuliste, zmniejsza się powierzchnia błony, zmniejsza się zawartość lipidów, wzrasta przepuszczalność błony dla sodu. Sferocyty są usuwane z krwiobiegu szybciej niż normalne erytrocyty).

W specjalnej grupie transportu aktywnego wyróżnia się przenoszenie substancji (dużych cząstek) - orazendo- orazegzocytoza.

Endocytoza(z greckiego endo - wewnątrz) wnikanie substancji do komórki, obejmuje fagocytozę i pinocytozę.

Fagocytoza (z greckiego Phagos - pożeranie) to proces wychwytywania cząstek stałych, obcych żywych obiektów (bakterie, fragmenty komórek) przez organizmy jednokomórkowe lub komórki wielokomórkowe, te ostatnie nazywane są fagocyty lub pożerają komórki. Fagocytozę odkrył I. I. Miecznikow. Zwykle podczas fagocytozy komórka tworzy wypukłości, cytoplazma- pseudopodia, które opływają wychwycone cząstki.

Ale tworzenie pseudopodia nie jest konieczne.

Fagocytoza odgrywa ważną rolę w żywieniu zwierząt jednokomórkowych i wielokomórkowych niższych, które charakteryzują się trawieniem wewnątrzkomórkowym, a także jest charakterystyczna dla komórek odgrywających ważną rolę w zjawiskach odporności i metamorfozie. Ta forma wchłaniania jest charakterystyczna dla komórek tkanki łącznej - fagocytów, które pełnią funkcję ochronną, aktywnie fagocytują komórki łożyska, komórki wyściełające jamę ciała i nabłonek barwnikowy oczu.

W procesie fagocytozy można wyróżnić cztery kolejne fazy. W pierwszej (opcjonalnej) fazie fagocyt zbliża się do obiektu absorpcji. Tutaj niezbędna jest pozytywna reakcja fagocytu na chemiczną stymulację chemotaksji. W drugiej fazie obserwuje się adsorpcję zaabsorbowanej cząstki na powierzchni fagocytu. W trzeciej fazie błona plazmatyczna w postaci worka otacza cząsteczkę, brzegi worka zamykają się i odrywają od reszty błony, a powstała wakuola znajduje się wewnątrz komórki. W fazie czwartej połknięte przedmioty są niszczone i trawione wewnątrz fagocytu. Oczywiście etapy te nie są rozgraniczone, ale niepostrzeżenie przechodzą jeden w drugi.

W podobny sposób komórki mogą również absorbować ciecze i związki wielkocząsteczkowe. Zjawisko to nazwano p, a nie ts i toz oraz (gr. rupo - napój i sutoz - komórka). Pinocytozie towarzyszy energiczny ruch cytoplazmy w warstwie powierzchniowej, prowadzący do powstania wgłębienia błony komórkowej, która w postaci kanalika rozciąga się od powierzchni do wnętrza komórki. Na końcu kanalika tworzą się wakuole, które odrywają się i przechodzą do cytoplazmy. Pinocytoza jest najbardziej aktywna w komórkach o intensywnym metabolizmie, w szczególności w komórkach układu limfatycznego, nowotworach złośliwych.

Poprzez pinocytozę do komórek przenikają związki wielkocząsteczkowe: składniki odżywcze z krwiobiegu, hormony, enzymy i inne substancje, w tym lecznicze. Badania pod mikroskopem elektronowym wykazały, że tłuszcz jest wchłaniany przez komórki nabłonka jelit poprzez pinocytozę, fagocytozę komórek kanalików nerkowych i wzrost oocytów.

Ciała obce, które dostały się do komórki przez fagocytozę lub pinocytozę, są wystawione na działanie enzymów litycznych wewnątrz wakuoli trawiennych lub bezpośrednio w cytoplazmie. Wewnątrzkomórkowymi rezerwuarami tych enzymów są lizosomy.

Funkcje endocytozy

przeprowadzone, odżywianie(jajka absorbują w ten sposób białka żółtka: fagosomy to wakuole trawienne pierwotniaków)

Ochronny i odpowiedzi immunologiczne (leukocyty pochłaniają obce cząsteczki i immunoglobuliny)

Transport(kanaliki nerkowe wchłaniają białka z moczu pierwotnego).

Selektywna endocytoza niektóre substancje (białka żółtkowe, immunoglobuliny itp.) powstają w wyniku kontaktu tych substancji ze specyficznymi dla substratu miejscami receptorowymi na błonie komórkowej.

Materiały, które dostają się do komórki w wyniku endocytozy, są rozkładane („trawione”), akumulowane (np. białka żółtka) lub ponownie wydalane z przeciwnej strony komórki przez egzocytozę („cytopempsis”).

Egzocytoza(z greckiego egzo - na zewnątrz, na zewnątrz) - proces przeciwny do endocytozy: na przykład z retikulum endoplazmatycznego, aparatu Golgiego, różnych pęcherzyków endocytowych, lizosomy łączą się z błoną komórkową, uwalniając ich zawartość na zewnątrz.

WPROWADZENIE

Od czasów R. Virchowa wiadomo, że żywa komórka jest komórką elementarną organizacji biologicznej, która zapewnia wszystkie funkcje organizmu. Wśród różnorodnych zjawisk zachodzących w komórce ważne miejsce zajmuje aktywny i pasywny transport substancji, osmoza, filtracja i bioelektrogeneza. Obecnie stało się oczywiste, że zjawiska te są w taki czy inny sposób determinowane przez właściwości barierowe błon komórkowych. Komórka to otwarty system, który w sposób ciągły wymienia materię i energię z otoczeniem. W wielu przypadkach transportu biologicznego podstawą przenoszenia substancji jest ich dyfuzja przez błonę komórkową lub wielokomórkową. Sposoby transferu dyfuzyjnego są zróżnicowane (ryc. 1): dyfuzja substancji rozpuszczalnych w tłuszczach przez część lipidową błony, przenoszenie substancji hydrofilowych przez pory utworzone przez lipidy i białka błony, dyfuzja ułatwiona przy udziale specjalnych cząsteczek nośnikowych , oraz selektywny transport jonów przez kanały jonowe. Jednak w procesie ewolucji żywa komórka stworzyła specjalną metodę przenoszenia, zwaną transportem aktywnym. W tym przypadku transfer substancji przebiega pod prąd spadkiem stężenia, a zatem wiąże się z wykorzystaniem energii, której uniwersalnym źródłem w komórce jest cząsteczka kwasu adenozynotrójfosforowego.

TRANSPORT SUBSTANCJI PRZEZ MEMBRANY BIOLOGICZNE

Żywe systemy na wszystkich poziomach organizacji są systemami otwartymi. Elementarna komórka życia - komórka i organelle komórkowe są również układami otwartymi. Dlatego transport substancji przez błony biologiczne jest niezbędnym warunkiem życia. Przenoszenie substancji przez błony jest związane z procesami metabolizmu komórkowego, procesami bioenergetycznymi, tworzeniem biopotencjałów, generowaniem impulsu nerwowego itp. Naruszenie transportu substancji przez błony biologiczne prowadzi do różnych patologii. Leczenie często wiąże się z przenikaniem leków przez błony komórkowe.

Transport pasywny i aktywny substancji

Transport substancji przez błony biologiczne można podzielić na dwa główne typy: pasywny i aktywny. Definicje transportu pasywnego i aktywnego związane są z pojęciem potencjału elektrochemicznego. Wiadomo, że siłą napędową każdego transferu jest spadek energii. Energia swobodna (energia Gibbsa) jest określana przy stałym ciśnieniu, temperaturze i liczbie przenoszonych cząstek. Ta ostatnia okoliczność jest wygodna do opisania przenoszenia cząstek substancji przez membranę z jednej powierzchni na drugą.

Potencjał elektrochemiczny - wartość liczbowo równa energii Gibbsa na mol danej substancji umieszczonej w polu elektrycznym. Do rozcieńczonych roztworów

gdzie R \u003d 8,31 J / (K „mol) jest uniwersalną stałą gazową, F \u003d 96 500 C / mol (liczba Faradaya), Z jest ładunkiem jonu elektrolitu (w elementarnych jednostkach ładunku), j jest potencjałem pole elektryczne.

Transport bierny przebiega w kierunku różnicy potencjałów elektrochemicznych substancji, zachodzi samoistnie i nie wymaga energii swobodnej ATP.

Transport aktywny to proces, w którym następuje przeniesienie z miejsca o niższej wartości potencjału elektrochemicznego do miejsca o wyższej wartości. Proces ten, któremu towarzyszy wzrost energii, nie może przebiegać samoistnie, a jedynie w połączeniu z procesem hydrolizy ATP, czyli na skutek wydatkowania energii Gibbsa zmagazynowanej w wiązaniach makroergicznych ATP.

Gęstość przepływu materii jm - ilość materii w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni - z transportem pasywnym jest zgodna z równaniem Teorella

gdzie U to ruchliwość cząstek, C to stężenie. Znak minus wskazuje, że transfer następuje w kierunku malejącym.

Podstawiając w (2) wyrażenie na potencjał elektrochemiczny (1), otrzymujemy równanie Nernsta-Plancka dla rozcieńczonych roztworów:

Tak więc mogą istnieć dwa powody przenoszenia materii podczas transportu biernego: gradient stężenia dC / dx oraz gradient potencjału elektrostatycznego dj / dx. W niektórych przypadkach, ze względu na sprzężenie tych dwóch powodów, pod wpływem energii pola elektrycznego może wystąpić pasywny transfer materii z miejsc o niższym stężeniu do miejsc o wyższym stężeniu.

W przypadku nieelektrolitów (Z=0) lub stałego pola elektrycznego (dj/dx=0) do równania wchodzi równanie Theorella

Zgodnie z zależnością Einsteina URT = D, gdzie D jest współczynnikiem dyfuzji i zastępując otrzymujemy prawo Ficka

Rodzaje transportu pasywnego

Na ryc. 1 przedstawia główne rodzaje dyfuzji substancji przez membranę. Dyfuzja to spontaniczny ruch materii z miejsc o wyższym stężeniu materii do miejsc o niższym stężeniu materii ze względu na chaotyczny ruch termiczny cząstek. Dyfuzja substancji przez dwuwarstwę lipidową jest spowodowana gradientem stężenia przez błonę. Gęstość strumienia materii zgodnie z prawem Ficka

gdzie jest stężenie substancji w membranie w pobliżu jednej z jej powierzchni, a przy drugiej l jest grubością membrany.

Ponieważ trudno jest zmierzyć stężenia, w praktyce stosują wzór, który wiąże gęstość strumienia substancji przez membranę ze stężeniami tej substancji nie wewnątrz membrany, ale na zewnątrz w roztworach w pobliżu powierzchni membrany - C1 i C2:

jm = P (C1 - C2),

gdzie P jest współczynnikiem przepuszczalności.

K - współczynnik rozkładu - pokazuje, jaka część stężenia na powierzchni na zewnątrz membrany jest stężeniem na powierzchni membrany, ale wewnątrz niej.

Z równań (6) i (8) wynika, że ​​współczynnik przepuszczalności

Współczynnik ten jest wygodny, ponieważ ma wymiar prędkości liniowej (wm/s) i można go wyznaczyć z wyników pomiaru potencjałów błonowych.

Współczynnik przepuszczalności, jak widać ze wzoru, im większy, tym większy współczynnik dyfuzji D, tym cieńsza membrana i im lepiej rozpuszcza się substancja w fazie lipidowej membrany (im większe K). Substancje niepolarne są łatwo rozpuszczalne w fazie lipidowej błony, na przykład: kwasy organiczne i tłuszczowe, estry. Naturalnie substancje te stosunkowo łatwo przechodzą przez błony komórkowe, wykazując zwiększone powinowactwo do fazy lipidowej błon. Jednocześnie substancje polarne słabo przechodzą przez dwuwarstwę lipidową błony: woda, sole nieorganiczne, cukry, aminokwasy. Zatem wartości P dla wody i mocznika wynoszą odpowiednio 10 µm/s i 1 pm/s. Na pierwszy rzut oka trudno wytłumaczyć stosunkowo dużą wartość P dla wody, polarnej substancji nierozpuszczalnej w lipidach. Oczywiście w tym przypadku możemy mówić o przejściu wody przez wypełnione wodą pory białkowe i lipidowe. Jednak ostatnio, oprócz porów hydrofilowych, przenikanie małych cząsteczek polarnych przez błonę wiąże się z powstawaniem między ogonkami kwasów tłuszczowych cząsteczek fosfolipidów podczas ich termicznego ruchu małych wolnych wnęk - załamań (z angielskiego zagięcia - pętli) . Ze względu na ruch termiczny ogonków cząsteczek fosfolipidów, załamania mogą poruszać się po błonie i przenosić małe cząsteczki, które do nich wniknęły, głównie cząsteczki wody.

Cząsteczki substancji nierozpuszczalnych w tłuszczach oraz rozpuszczalne w wodzie uwodnione jony otoczone cząsteczkami wody przenikają przez błonę przez hydrofilowe pory lipidowe i białkowe. W przypadku substancji i jonów nierozpuszczalnych w tłuszczach membrana działa jak sito molekularne: im większy rozmiar cząstek, tym mniejsza przepuszczalność membrany dla tej substancji. Selektywność przenoszenia zapewnia zestaw porów w membranie o określonym promieniu, odpowiadającym wielkości penetrującej cząstki. Ten rozkład zależy od potencjału błony. Zatem pory selektywne dla jonów potasu w błonie erytrocytów mają stosunkowo niski współczynnik przepuszczalności równy 4 pm/s przy potencjale błonowym 80 mV, który zmniejsza się czterokrotnie wraz ze spadkiem potencjału do 40 mV. Przepuszczalność błony aksonu kałamarnicy dla jonów potasu na poziomie potencjału wzbudzenia określają kanały potasowe, których promień jest liczbowo szacowany jako suma promienia kryształu jonu potasu i grubości jednej powłoki hydratacyjnej (0,133 nm + 0,272 nm = 0,405 nm). Należy podkreślić, że selektywność kanałów jonowych nie jest absolutna, kanały są dostępne dla innych jonów, ale o niższych wartościach P.

Maksymalna wartość P odpowiada jonom potasu. Jony o dużych promieniach krystalicznych (rubid, cez) mają mniejsze P, najwyraźniej dlatego, że ich wymiary przy jednej powłoce hydratacyjnej przekraczają rozmiar kanału. Mniej oczywista jest przyczyna stosunkowo niskiego P dla jonów litu i sodu, które mają mniejszy promień w porównaniu z potasem. Opierając się na koncepcji membrany jako sita molekularnego, można by sądzić, że powinny one swobodnie przechodzić przez kanały potasowe. Jedno z możliwych rozwiązań tej sprzeczności zaproponował L. Mullins. Zakłada, że ​​w roztworze poza porami każdy jon ma powłokę hydratacyjną składającą się z trzech kulistych warstw cząsteczek wody. Wchodząc do porów uwodniony jon „rozbiera się”, tracąc wodę warstwa po warstwie. Por będzie przepuszczalny dla jonów, jeśli jego średnica dokładnie odpowiada średnicy którejkolwiek z tych kulistych otoczek. Z reguły jon pozostaje w porach z jedną otoczką hydratacyjną. Z powyższych obliczeń wynika, że ​​promień porów potasowych będzie w tym przypadku wynosił 0,405 nm. Uwodnione jony sodu i litu, które nie są wielokrotnością rozmiaru porów, będą miały trudności z przechodzeniem przez nie. Zaobserwowano swoistą „kwantyzację” uwodnionych jonów pod względem ich wielkości podczas przechodzenia przez pory.

Ułatwiona dyfuzja zachodzi przy udziale cząsteczek nośnika. Wiadomo na przykład, że antybiotyk walinomycyna jest nośnikiem jonów potasu. Walinomycyna jest peptydem o masie cząsteczkowej 1111. W fazie lipidowej cząsteczka walinomycyny ma kształt mankietu wyłożonego wewnątrz grupami polarnymi, a na zewnątrz niepolarnymi hydrofobowymi resztami cząsteczek waliny.

Cechy budowy chemicznej walinomycyny umożliwiają tworzenie kompleksu z jonami potasu wchodzącymi do cząsteczki mankietu, a jednocześnie walinomycyna jest rozpuszczalna w fazie lipidowej błony, ponieważ jej zewnętrzna cząsteczka jest niepolarna. Jony potasu są utrzymywane w cząsteczce dzięki siłom oddziaływania jon-dipol. Cząsteczki walinomycyny na powierzchni błony mogą wychwytywać jony potasu z otaczającego roztworu. Poprzez dyfuzję w błonie cząsteczki przenoszą potas przez błonę i oddają jony do roztworu po drugiej stronie błony. W ten sposób następuje wahadłowy transfer jonów potasu przez błonę.

Różnice między dyfuzją ułatwioną a prostą:

1) transfer jonów z udziałem nośnika jest znacznie szybszy w porównaniu z dyfuzją swobodną;

2) ułatwiona dyfuzja ma właściwość nasycenia - wraz ze wzrostem stężenia po jednej stronie błony gęstość strumienia substancji wzrasta tylko do pewnej granicy, gdy wszystkie cząsteczki nośnika są już zajęte;

3) przy ułatwionej dyfuzji obserwuje się konkurencję transportowanych substancji w przypadkach, gdy różne substancje są transportowane przez jednego przewoźnika; podczas gdy niektóre substancje są lepiej tolerowane niż inne, a dodatek niektórych substancji utrudnia transport innych;

4) istnieją substancje, które blokują ułatwioną dyfuzję, tworzą silny kompleks z cząsteczkami nośnika, uniemożliwiając dalszy transfer.

Rodzajem ułatwionej dyfuzji jest transport przez nieruchome cząsteczki nośnika utrwalone w określony sposób przez błonę. W tym przypadku cząsteczka przenoszonej substancji jest przenoszona z jednej cząsteczki nośnika na drugą jak sztafeta.

Osmoza to preferencyjny ruch cząsteczek wody przez błony półprzepuszczalne (przepuszczalne dla substancji rozpuszczonej i przepuszczalne dla wody) z miejsc o niższym stężeniu substancji rozpuszczonej do miejsc o wyższym stężeniu. Osmoza to zasadniczo dyfuzja wody z miejsc o wyższym stężeniu do miejsc o niższym stężeniu. Osmoza odgrywa ważną rolę w wielu zjawiskach biologicznych. Zjawisko osmozy powoduje hemolizę erytrocytów w roztworach hipotonicznych i turgor u roślin.

Aktywny transport substancji przez błony biologiczne. Korzystanie z doświadczenia

Duże znaczenie ma aktywny transport substancji przez błony biologiczne. Ze względu na transport aktywny w organizmie, różnice stężeń, różnice potencjałów elektrycznych, powstają ciśnienia wspomagające procesy życiowe, czyli z punktu widzenia termodynamiki transfer aktywny utrzymuje organizm w stanie nierównowagi, wspiera życie , ponieważ równowaga jest śmiercią ciała. Istnienie aktywnego transportu substancji przez błony biologiczne po raz pierwszy udowodniono w eksperymentach Using (1949) na przykładzie przenoszenia jonów sodu przez skórę żaby. Doświadczenie jest bardzo pouczające i zasługuje na szczegółowe rozważenie.

Eksperymentalną komorę Using, wypełnioną normalnym roztworem Ringera, podzielono na dwie części ze świeżo wyizolowaną żabią skórą. W eksperymencie badano jednokierunkowe przepływy jonów sodu przez skórę żaby w kierunku do przodu i do tyłu.

Z równania opisującego transport pasywny (2) wynika równanie Using-Theorell dla stosunku tych przepływów w przypadku transportu pasywnego

Na wyizolowanej skórze żaby, która oddziela płyn Ringera, powstaje różnica potencjałów jin – jex (wewnętrzna strona skóry jest dodatnia w stosunku do zewnętrznej). Instalacja posiadała specjalne urządzenie: akumulator elektryczny z potencjometrem - dzielnikiem napięcia, za pomocą którego kompensowano różnicę potencjałów na skórze żaby: Dj = jin - jout = 0, którą sterował woltomierz. Ponadto utrzymano takie samo stężenie jonów sodu ze strony zewnętrznej i wewnętrznej. W tych warunkach, jak widać z równania Using-Theorell,

jm, wew = jm, wew.

Całkowity przepływ jonów przez membranę powinien być nieobecny. Jego obecność wskazywałaby na transfer jonów wbrew spadkowi stężenia, czyli transfer aktywny. Aby to udowodnić, po lewej stronie komory eksperymentalnej dodano radioaktywne izotopy 22Na, a po prawej 24Na. 22Na rozpada się wraz z emisją twardych g-kwantów, emisja 24Na została wykryta przez miękkie promieniowanie b. Wykazano, że strumień 22Na jest większy niż strumień 24Na. Odczyty miliamperomierzy również świadczyły o obecności prądu w obwodzie.

Te dane eksperymentalne dostarczyły niezbitych dowodów na to, że przenoszenie jonów sodu przez skórę żaby nie jest zgodne z równaniem transportu pasywnego. Ponadto okazało się, że całkowity przepływ jonów sodu jest niezwykle wrażliwy na czynniki wpływające na metabolizm energetyczny w komórkach skóry: obecność tlenu, działanie rozprzęgaczy fosforylacji oksydacyjnej oraz działanie niskich temperatur. Dlatego powinniśmy mówić o specjalnym sposobie przenoszenia jonów, nazwanym później aktywnym. Później odkryto, że aktywny transport jonów sodu w skórze żaby zapewniają pompy jonowe zlokalizowane w komórkach nabłonka podstawnego. Pompa została zablokowana przez specyficzny inhibitor, ouabainę.

Dalsze badania wykazały, że w błonach biologicznych istnieje kilka rodzajów pomp jonowych działających dzięki swobodnej energii hydrolizy ATP – specjalnych układów białek integralnych (ATPazy transportowe). Obecnie znane są trzy typy elektrogenicznych pomp jonowych. Przenoszenie jonów przez transportujące ATPazy następuje w wyniku sprzężenia procesów przenoszenia z reakcjami chemicznymi, wynikającymi z energii metabolizmu komórkowego.

Podczas pracy K+-Na+-ATPazy, dzięki energii wiązań wysokoenergetycznych uwalnianych podczas hydrolizy każdej cząsteczki ATP, do komórki przenoszone są dwa jony potasu, a jednocześnie z komórki wypompowywane są trzy jony sodu. W ten sposób powstaje zwiększone stężenie jonów potasu w komórce w porównaniu do ośrodka międzykomórkowego oraz zmniejszone stężenie jonów sodu, co ma duże znaczenie fizjologiczne. Ca-ATPaza zapewnia aktywny transfer dwóch jonów wapnia, pompa protonowa - dwa protony na cząsteczkę ATP.

Molekularny mechanizm działania jonowych ATPaz nie jest w pełni poznany. Niemniej jednak można prześledzić główne etapy tego złożonego procesu enzymatycznego. W przypadku K-Na-ATPazy (oznaczamy ją dla zwięzłości jako E) istnieje siedem etapów transferu jonów związanych z hydrolizą ATP. Oznaczenia E1 i E2 odpowiadają lokalizacji aktywnego miejsca enzymu odpowiednio na wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni membrany (difosforan adenozyny - ADP, fosforan nieorganiczny - P, kompleks aktywny jest oznaczony gwiazdką):

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.

Schemat pokazuje, że kluczowe etapy pracy enzymu to: 1) tworzenie kompleksu enzymatycznego z ATP na wewnętrznej powierzchni błony (reakcja ta jest aktywowana przez jony magnezu); 2) wiązanie przez kompleks trzech jonów sodu; 3) fosforylacja enzymu z wytworzeniem difosforanu adenozyny; 4) coup (flip-flop) enzymu wewnątrz błony, 5) reakcja wymiany jonowej sodu na potas zachodząca na zewnętrznej powierzchni błony; 6) odwrotny obrót kompleksu enzymatycznego z przeniesieniem jonów potasu do komórki oraz 7) powrót enzymu do stanu pierwotnego z uwolnieniem jonów potasu i nieorganicznego fosforanu (P). Tak więc przez cały cykl z komórki uwalniane są trzy jony sodu, cytoplazma jest wzbogacana o dwa jony potasu, a jedna cząsteczka ATP ulega hydrolizie.

Wtórny transport jonów aktywnych

Oprócz omówionych powyżej pomp jonowych znane są podobne układy, w których akumulacja substancji związana jest nie z hydrolizą ATP, ale z pracą enzymów redoks lub fotosyntezą. Transport substancji jest w tym przypadku drugorzędny, pośredniczony przez potencjał błonowy i/lub gradient stężenia jonów w obecności określonych nośników w błonie. Ten mechanizm transportu nazywany jest wtórnym transportem aktywnym. Mechanizm ten najbardziej szczegółowo rozważa Peter Mitchell (1966) w chemiosmotycznej teorii fosforylacji oksydacyjnej. W błonach plazmatycznych i subkomórkowych żywych komórek możliwe jest jednoczesne funkcjonowanie pierwotnego i wtórnego transportu aktywnego. Przykładem jest wewnętrzna błona mitochondriów. Zahamowanie w nim ATPazy nie pozbawia cząstki zdolności do gromadzenia substancji dzięki wtórnemu aktywnemu transportowi. Ta metoda akumulacji jest szczególnie ważna dla tych metabolitów, dla których nie ma pomp (cukry, aminokwasy).

Obecnie dogłębnie zbadano trzy schematy wtórnego transportu aktywnego. Dla uproszczenia rozważono transport jonów jednowartościowych z udziałem cząsteczek nośnikowych. Oznacza to, że nośnik w stanie załadowanym lub rozładowanym równie dobrze przechodzi przez membranę. Źródłem energii jest potencjał błonowy i/lub gradient stężenia jednego z jonów. Schematy pokazano na ryc. 5. Jednokierunkowy transfer jonów w połączeniu z określonym nośnikiem nazywamy uniportem. W tym przypadku ładunek jest przenoszony przez błonę albo przez kompleks, jeśli cząsteczka nośnika jest elektrycznie obojętna, albo przez pusty nośnik, jeśli transfer zapewnia naładowany nośnik. Rezultatem transferu będzie akumulacja jonów z powodu spadku potencjału błonowego. Efekt ten obserwuje się podczas akumulacji jonów potasu w obecności walinomycyny w energetyzowanych mitochondriach.

Przeciwprzeniesienie jonów z udziałem pojedynczej cząsteczki nośnika nazywa się antyportem. Zakłada się tutaj, że cząsteczka nośnika tworzy silny kompleks z każdym z przenoszonych jonów. Transfer odbywa się w dwóch etapach: najpierw jeden jon przechodzi przez błonę od lewej do prawej, a drugi jon przechodzi przez błonę w przeciwnym kierunku. Potencjał błonowy nie zmienia się w tym przypadku.Jaka jest siła napędowa tego procesu? Oczywiście różnica stężeń jednego z przenoszonych jonów. Jeżeli początkowo nie było różnicy w stężeniu drugiego jonu, to przeniesienie spowoduje akumulację drugiego jonu ze względu na zmniejszenie różnicy stężeń pierwszego. Klasycznym przykładem antyportu jest transfer jonów potasu i wodoru przez błonę komórkową przy udziale cząsteczki antybiotyku nigerycyny.

Wspólny jednokierunkowy transfer jonów z udziałem dwumiejscowego nośnika nazywa się symportem. Zakłada się, że membrana może zawierać dwie cząstki obojętne elektrycznie: nośnik w kompleksie z kationem i anionem oraz pusty nośnik. Ponieważ potencjał błonowy nie zmienia się w takim schemacie transferu, przyczyną transferu może być różnica stężeń jednego z jonów. Uważa się, że akumulacja aminokwasów przez komórki odbywa się zgodnie ze schematem symportu. Pompa potasowo-sodowa tworzy początkowy gradient stężeń jonów sodu, które następnie zgodnie ze schematem symportu przyczyniają się do akumulacji aminokwasów. Ze schematu symport wynika, że ​​procesowi temu musi towarzyszyć znaczne przesunięcie równowagi osmotycznej, ponieważ dwie cząstki są transportowane przez błonę w jednym cyklu w jednym kierunku.

W procesie życia granice komórki przekraczają różne substancje, których przepływy są skutecznie regulowane. Błona komórkowa radzi sobie z tym zadaniem dzięki wbudowanym w nią systemom transportowym, w tym pompom jonowym, systemowi cząsteczek nośnikowych i wysoce selektywnym kanałom jonowym.

Na pierwszy rzut oka taka obfitość systemów transferowych wydaje się zbędna, ponieważ działanie samych pomp jonowych umożliwia uzyskanie charakterystycznych cech transportu biologicznego: wysokiej selektywności, transferu substancji wbrew siłom dyfuzji i polu elektrycznemu. Paradoks polega jednak na tym, że liczba regulowanych przepływów jest nieskończenie duża, podczas gdy są tylko trzy pompy. W tym przypadku szczególnego znaczenia nabierają mechanizmy koniugacji jonów, zwane wtórnym transportem aktywnym, w których istotną rolę odgrywają procesy dyfuzji. Zatem połączenie aktywnego transportu substancji ze zjawiskami transferu dyfuzyjnego w błonie komórkowej jest podstawą zapewniającą żywotną aktywność komórki.

I PRZEPUSZCZALNOŚĆ MEMBRAN

Pod względem przepuszczalności pory lipidowe zasadniczo różnią się od kanałów białkowych pochodzeniem i wyjątkową dynamiką. Podczas gdy kanały białkowe mają ściśle określone wymiary, które utrzymują się przez całe życie komórki, wymiary porów lipidowych podczas procesu odprowadzania wilgoci są bardzo zróżnicowane. Jednak ta zmienność ma swoją granicę. Jeżeli promień porów jest mniejszy niż promień krytyczny, wówczas por musi przejść przez wszystkie promienie pośrednie i osiągnąć minimalną wielkość w procesie przecieku. Pytanie o możliwość całkowitego przesiąkania porów lipidowych pozostaje otwarte. Przyjmuje się, że całkowitemu zaciśnięciu porów uniemożliwiają silne siły hydratacyjne, które objawiają się, gdy ścianki porów hydrofilowych zbliżają się do siebie.

Pory lipidowe, w przeciwieństwie do białkowych kanałów jonowych, nie mają wyraźnej selektywności, co koreluje z ich stosunkowo dużymi rozmiarami początkowymi. Oczywiste jest jednak, że w procesie przesiąkania pory lipidowe mogą osiągać dowolnie małe rozmiary, w tym porównywalne z rozmiarami kanałów jonowych białek, co może prowadzić do redystrybucji prądów jonowych w błonie np. po wzbudzeniu . Wiadomo ponadto, że po wyłączeniu stresu dwuwarstwowa błona lipidowa może powrócić do stanu niskiego przewodnictwa, co oznacza, że ​​pory osiągnęły rozmiar niewystarczający do przejścia uwodnionych jonów. Tak więc hydrofilowe pory lipidowe są uniwersalne, ponieważ mogą być wykorzystywane przez komórkę do transportu substancji wielkocząsteczkowych, jonów i cząsteczek wody.

Badania przepuszczalności porów lipidowych rozwijają się obecnie w dwóch kierunkach: w pierwszym badane są największe możliwe pory, w drugim przeciwnie, badane są pory lipidowe o minimalnym promieniu. W pierwszym przypadku mówimy o elektrotransfekcji - metodzie wprowadzania cząsteczek DNA do żywych komórek lub liposomów w celu przeniesienia i wewnątrzkomórkowego wprowadzenia obcego materiału genetycznego. Okazało się, że silne zewnętrzne pole elektryczne ułatwia wnikanie gigantycznej cząsteczki DNA do cząsteczki membrany. Jak widać, maksymalna wielkość porów krytycznych odpowiada stanowi ciekłokrystalicznej dwuwarstwy lipidowej przy braku zewnętrznego pola elektrycznego i wynosi 9 nm. Zastosowanie zewnętrznego pola elektrycznego o sile 100 kV/m zmniejsza krytyczny promień porów do 1 nm w czasie 0,2 s. Ponieważ w tym przypadku błony są zachowane, wielkość zawartych w nich porów lipidowych oczywiście nie przekracza tej dolnej granicy. Paradoks polega na tym, że efektywna średnica statystycznej cewki DNA, która musi dostać się do wnętrza cząsteczki, sięga 2000 nm. Naprawdę problem z wielbłądem przebijającym się przez ucho igielne. Dlatego oczywiste jest, że cząsteczka DNA musi przenikać przez błonę w postaci nierozwiniętej pojedynczej nici. Wiadomo, że końcówka nici ma średnicę 2 nm i dlatego może tylko wejść w por. Jednak w tym przypadku swobodna dyfuzja nici DNA w porach jest prawie niemożliwa. Niestety mechanizm tego zjawiska jest nadal niejasny. Zakłada się w szczególności, że cząsteczka DNA jest zdolna do rozszerzenia porów i tym samym prześlizgnięcia się przez błonę. Penetrację DNA można ułatwić dzięki dodatkowym siłom elektroforezy i elektroosmozy, biorąc pod uwagę całkowity ładunek ujemny cząsteczki DNA. Możliwe, że pory z utrwalonymi w nich końcami cząsteczki DNA pełnią rolę kotwicy utrzymującej cząsteczkę w określonym miejscu przy powierzchni błony pęcherzyka, a sam proces przenoszenia jest rodzajem pinocytozy. Badanie tego ciekawego z punktu widzenia