Mekanismer för transport av ämnen genom biologiska membran. biologiska membran. Pump för natrium och kalium

text_fields

text_fields

arrow_upward

Hos djur med ett slutet kärlsystem är den extracellulära vätskan konventionellt uppdelad i två komponenter:

1) interstitiell vätska
2) cirkulerande blodplasma.

Interstitiell vätska är den del av den extracellulära vätskan som ligger utanför kärlsystemet och badar cellerna.

Cirka 1/3 av det totala kroppsvattnet är extracellulär vätska, resterande 2/3 är intracellulär vätska.

Koncentrationer av elektrolyter och kolloidala ämnen skiljer sig markant i plasma, interstitiell och intracellulär vätska. De mest uttalade skillnaderna är det relativt låga innehållet av anjoniska proteiner i interstitialvätskan, jämfört med den intracellulära vätskan och blodplasman, och högre koncentrationer av natrium och klor i interstitiell vätska och kalium i den intracellulära vätskan.

Den ojämna sammansättningen av olika vätskemedier i kroppen beror till stor del på arten av barriärerna som skiljer dem åt. Cellmembran separerar den intracellulära vätskan från den extracellulära vätskan, medan kapillärväggar separerar interstitiell vätska från plasman. Transport av ämnen över dessa barriärer kan förekomma passivt genom diffusion, filtrering och osmos, samt genom aktiv transport.

Passiv transport

text_fields

text_fields

arrow_upward

Ris. 1.12 Typer av passiv och aktiv transport av ämnen över membranet.

Schematiskt visas huvudtyperna av transport av ämnen genom cellmembranet i fig. 1.12

Fig.1.12 Typer av passiv och aktiv transport av ämnen genom membranet.

3 - underlättad diffusion,

Passiv överföring av ämnen genom cellmembran kräver inte utgifterna för metabolisk energi.

Typer av passiv transport

text_fields

text_fields

arrow_upward

Typer av passiv transport av ämnen:

• enkel diffusion
• Osmos
• Diffusion av joner
• Underlättad diffusion

enkel diffusion

text_fields

text_fields

arrow_upward

Diffusion är den process genom vilken en gas eller löst ämne sprids och fyller hela den tillgängliga volymen.

Molekyler och joner lösta i en vätska är i kaotisk rörelse, kolliderar med varandra, lösningsmedelsmolekyler och cellmembranet. Kollisionen av en molekyl eller jon med ett membran kan ha ett dubbelt utfall: molekylen antingen "studsar" av membranet eller passerar genom det. När sannolikheten för den sista händelsen är hög sägs membranet göra det genomsläpplig för dettaämnen.

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

Hydrofoba, mycket lipidlösliga ämnen diffunderar på grund av upplösning i membranlipider.

Vatten och ämnen som är lösliga i det penetrerar genom tillfälliga defekter i membranets kolväteregion, den sk. kinky, och även genom porer, permanent existerande hydrofila regioner av membranet.

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

Osmos

text_fields

text_fields

arrow_upward

Osmos- rörelsen av vattenmolekyler (lösningsmedel) genom membranet från ett område med lägre till ett område med högre koncentration av ett löst ämne.

Osmotiskt tryck kallas det minsta tryck som måste appliceras på lösningen för att förhindra att lösningsmedlet strömmar genom membranet till en lösning med högre koncentration av ämnet.

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

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

För att lösa det "osmotiska problemet" använder celler två metoder: de pumpar ut komponenterna i deras innehåll eller vattnet som kommer in i dem i mellanrummet. I de flesta fall använder celler den första möjligheten - pumpar ut ämnen, oftare joner, använder för detta natriumpump(se nedan).

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

1) mängden ämnen som finns i dem och som inte kan tränga igenom membranet;
2) koncentrationen i interstitium av föreningar som kan passera genom membranet;
3) förhållandet mellan penetrationshastigheten och pumpningen av ämnen från cellen.

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

Filtreringsfenomenen ligger till grund för många fysiologiska processer, såsom bildandet av primär urin i nefronet, utbytet av vatten mellan blodet och vävnadsvätskan i kapillärerna.

Diffusion av joner

text_fields

text_fields

arrow_upward

Diffusion av joner sker främst genom specialiserade proteinstrukturer i membranet - jon kakontanter, när de är öppna. Beroende på typen av vävnad kan celler ha en annan uppsättning jonkanaler.

Skilj mellan natrium-, kalium-, kalcium-, natrium-kalcium- och kloridkanaler. Transporten av joner genom kanaler har ett antal egenskaper som skiljer den från enkel diffusion. Detta gäller särskilt för kalciumkanaler.

Jonkanaler kan vara i öppet, stängt och inaktiverat tillstånd. Övergången av en kanal från ett tillstånd till ett annat styrs antingen av en förändring i den elektriska potentialskillnaden över membranet eller av interaktionen av fysiologiskt aktiva substanser med receptorer.

Följaktligen är jonkanaler indelade i potentiellt beroende och receptordrivet. Den selektiva permeabiliteten för en jonkanal för en viss jon bestäms av närvaron av speciella selektiva filter vid dess mun.

Underlättad diffusion

text_fields

text_fields

arrow_upward

Genom biologiska membran tränger, förutom vatten och joner, många ämnen (från etanol till komplexa läkemedel) genom enkel diffusion. Samtidigt penetrerar inte ens relativt små polära molekyler, såsom glykoler, monosackarider och aminosyror, praktiskt taget inte genom membranet hos de flesta celler på grund av enkel diffusion. De överförs genom underlättad diffusion.

Diffusion kallas ljusämnen längs dess koncentrationsgradient, som utförs med deltagande av speciella proteinbärarmolekyler.

Transport Na + , K + , Cl - , Li + , Ca 2+ , HCO 3 - och H + kan också utföra specifika transportörer. De karakteristiska särdragen för denna typ av membrantransport är en hög substansöverföringshastighet jämfört med enkel diffusion, beroende av strukturen hos dess molekyler, mättnad, konkurrens och känslighet för specifika inhibitorer - föreningar som hämmar underlättad diffusion.

Alla ovanstående egenskaper för underlättad diffusion är resultatet av specificiteten hos bärarproteiner och deras begränsade antal i membranet. När en viss koncentration av det överförda ämnet uppnås, när alla bärare är upptagna av de transporterade molekylerna eller jonerna, kommer dess ytterligare ökning inte att leda till en ökning av antalet transporterade partiklar - mättnadsfenomen. Ämnen som är lika i molekylär struktur och som transporteras av samma bärare kommer att konkurrera om bäraren - konkurrensfenomen.

Det finns flera typer av transport av ämnen genom underlättad diffusion (Fig. 1.13):

Ris. 1.13 Klassificering av metoder för transport genom membranet.

Uniport, när molekyler eller joner överförs genom membranet, oavsett närvaron eller överföringen av andra föreningar (transport av glukos, aminosyror genom basalmembranet hos epitelceller);

Symtom, där deras överföring utförs samtidigt och enkelriktat med andra föreningar (natriumberoende transport av socker och aminosyror Na + K +, 2Cl - och samtransport);

Antiport - (transport av ett ämne beror på den samtidiga och motsatt riktade transporten av en annan förening eller jon (Na + / Ca 2+, Na + / H + Cl - / HCO 3 - - utbyten).

Symport och antiport är arter samtransport, där överföringshastigheten kontrolleras av alla deltagare i transportprocessen.

Bärarproteinernas natur är okänd. Enligt handlingsprincipen är de uppdelade i två typer. Bärare av den första typen gör skyttelrörelser genom membranet, och av den andra typen är de inbäddade i membranet och bildar en kanal. Deras verkan kan simuleras med hjälp av antibiotiska jonoforer, en bärare av alkalimetaller. Så, en av dem - (valinomycin) - fungerar som en sann bärare och transporterar kalium över membranet. Molekyler av gramicidin A, en annan jonofor, sätts in i membranet efter varandra och bildar en "kanal" för natriumjoner.

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

aktiv transport

text_fields

text_fields

arrow_upward

aktiv transport utförs av transportadenosintrifosfataser (ATPases) och uppstår på grund av energin från ATP-hydrolys.

Figur 1.12 visar typerna av passiv och aktiv transport av ämnen genom membranet.

1,2 - enkel diffusion genom dubbelskiktet och jonkanalen,
3 - underlättad diffusion,
4 - primär aktiv transport,
5 - sekundär aktiv transport.

Typer av aktiv transport

text_fields

text_fields

arrow_upward

Typer av aktiv transport av ämnen:

primär aktiv transport,

sekundär aktiv transport.

primär aktiv transport

text_fields

text_fields

arrow_upward

Transporten av ämnen från ett medium med låg koncentration till ett medium med högre koncentration kan inte förklaras med rörelse längs en gradient, d.v.s. diffusion. Denna process utförs på grund av energin från ATP-hydrolys eller energi på grund av koncentrationsgradienten av alla joner, oftast natrium. Om energikällan för den aktiva transporten av ämnen är hydrolysen av ATP, och inte rörelsen av några andra molekyler eller joner genom membranet, transporteras kalladprimärt aktiv.

Den primära aktiva överföringen utförs av transport-ATPaser, som kallas jonpumpar. I djurceller, den vanligaste Na +, K + - ATPasen (natriumpump), som är ett integrerat protein i plasmamembranet och Ca 2+ - ATPas, som finns i plasmamembranet i sarko-(endo)-plasmatiska retikulum . Alla tre proteinerna har en gemensam egenskap - förmågan att fosforyleras och bilda en mellanliggande fosforylerad form av enzymet. I det fosforylerade tillståndet kan enzymet ha två konformationer, som vanligtvis kallas E 1 och E2.

Enzymkonformation - detta är ett sätt för rumslig orientering (läggning) av polypeptidkedjan i dess molekyl. Dessa två konformationer av enzymet kännetecknas av olika affiniteter för transporterade joner, dvs. olika förmåga att binda transporterade joner.

Na + /K + - ATPas tillhandahåller konjugerad aktiv transport av Na + från cellen och K + in i cytoplasman. I Na + /K + - ATPas-molekylen finns ett speciellt område (ställe) som bindningen av Na- och K-joner sker i. Med konformationen av enzymet E 1 vänds detta område inuti plasmanätet. För genomförandet av detta stadium av omvandlingen av Ca 2+ -ATPas är närvaron av magnesiumjoner i det sarkoplasmatiska retikulum nödvändigt. Därefter upprepas enzymets cykel.

sekundär aktiv transport

text_fields

text_fields

arrow_upward

sekundär aktiv transportär överföringen av ett ämne över membranet mot dess koncentrationsgradient på grund av energin från koncentrationsgradienten av ett annat ämne som skapas i processen med aktiv transport. I djurceller är den huvudsakliga energikällan för sekundär aktiv transport energin frånen, som skapas på grund av arbetet med Na + /K + - ATPas. Till exempel innehåller cellmembranet i tunntarmens slemhinna ett protein som utför överföringen (symporten) av glukos och Na+ till epitelceller. Glukostransport utförs endast om Na +, samtidigt bindande med glukos till det specificerade proteinet, överförs längs den elektrokemiska gradienten. Den elektrokemiska gradienten för Na+ upprätthålls av den aktiva transporten av dessa katjoner ut ur cellen.

I hjärnan är Na + -pumpens arbete associerat med omvänd absorption (återabsorption) av mediatorer - fysiologiskt aktiva substanser som frigörs från nervändar under inverkan av excitatoriska faktorer.

I kardiomyocyter och glatta muskelceller är funktionen av Na + , K + -ATPas associerad med transporten av Ca 2+ genom plasmamembranet, på grund av närvaron i cellmembranet av ett protein som utför mottransport (antiport) av Na+ och Ca2+. Kalciumjoner transporteras över cellmembranet i utbyte mot natriumjoner och på grund av energin i koncentrationsgradienten av natriumjoner.

Ett protein hittades i celler som byter ut extracellulära natriumjoner mot intracellulära protoner - Na + /H + - växlare. Denna bärare spelar en viktig roll för att upprätthålla ett konstant intracellulärt pH. Hastigheten med vilken Na + /Ca 2+ och Na + /H + - utbyte utförs är proportionell mot den elektrokemiska Na +-gradienten över membranet. Med en minskning av den extracellulära koncentrationen av Na + hämning av Na +, K + -ATPas av hjärtglykosider eller i en kaliumfri miljö, ökar den intracellulära koncentrationen av kalcium och protoner. Denna ökning av intracellulär koncentration av Ca 2+ med hämning av Na+, K+-ATPas ligger till grund för användningen av hjärtglykosider i klinisk praxis för att förstärka hjärtkontraktioner.

Utbytet av ämnen mellan cellen och dess omgivning sker konstant. Mekanismerna för transport av ämnen in i och ut ur cellen beror på storleken på de transporterade partiklarna. Små molekyler och joner transporteras av cellen direkt över membranet i form av passiv och aktiv transport.

Passiv transport utföras utan energiförbrukning, längs koncentrationsgradienten genom enkel diffusion, filtrering, osmos eller underlättad diffusion.

Diffusion – penetration av ämnen genom membranet längs koncentrationsgradienten; diffus transport av ämnen (vatten, joner) utförs med deltagande av integrerade proteiner i membranet, i vilka det finns molekylära porer, eller med deltagande av lipidfasen (för fettlösliga ämnen).

Underlättad diffusion - överföring med hjälp av speciella bärarproteiner (permeaser), som selektivt binder till en eller annan jon eller molekyl och för dem över membranet. I detta fall rör sig partiklarna snabbare än med konventionell diffusion.

Osmos - vatten kommer in i cellerna från en hypoton lösning.

Aktiva transport består i förflyttning av ämnen mot en koncentrationsgradient med hjälp av transportproteiner (poriner, ATP-aser etc.), som bildar membranpumpar, med utgifter för ATP-energi (kalium-natriumpump, reglering av koncentrationen av kalcium- och magnesiumjoner i celler, intag av monosackarider, nukleotider, aminosyror).

Överföringen av makromolekyler och större partiklar sker genom pinocytos och fagocytos på grund av cellmembranets förmåga att bilda utsprång. Kanterna på dessa utsprång stängs och fångar upp vätskan som omger cellen (pinocytos) eller fasta partiklar (fagocytos) och bildade bubblor omgivna av ett membran.

pinocytos - ett av de viktigaste sätten att penetrera cellen av makromolekylära föreningar. De resulterande pinocytiska vakuolerna varierar i storlek från 0,01 till 1-2 mikron. Sedan störtar vakuolen in i cytoplasman och snörs av. Samtidigt behåller väggen i den pinocytiska vakuolen helt strukturen hos plasmamembranet som gav upphov till det. Pinocytos och fagocytos är i grunden liknande processer där fyra faser kan särskiljas: intag av substanser genom pino- eller fagocytos, deras klyvning under verkan av enzymer som utsöndras av lysosomer, överföring av klyvningsprodukter till cytoplasman (på grund av förändringar i permeabilitet av vakuolmembran) och frisättning av metaboliska produkter.

Beroende på typ och transportriktning finns det endocytos (överföring till cellen genom direkt pino eller fagocytos) och exocytos (överföring från cellen genom omvänd pino - eller fagocytos).

6. CYTOPLASMA, DESS STRUKTUR, KEMISKA SAMMANSÄTTNING.

Cytoplasma - en väsentlig komponent i cellen. Komplexa och olika processer av syntes, andning, tillväxt äger rum i den; fenomenen irritabilitet och ärftlighet är inneboende i den, d.v.s. alla de egenskaper som kännetecknar livet.

Cytoplasman är en trögflytande transparent färglös massa med en specifik vikt på 1,04 - 1,06. Ljus bryts lite mer än vatten. Cytoplasman är elastisk, elastisk, blandas inte med vatten. I många celler kan dess rörelse observeras: i celler med en stor central vakuol - cirkulär (cyklos), i celler med många vakuoler och strängar av cytoplasma mellan dem - tvärstrimmig. Cytoplasmans ström involverar förflyttning av cellulära organeller.

Cytoplasman är differentierad till en strukturlös massa - hyaloplasma och bildade formationer - cellulära organeller. Hyaloplasma (cytoplasmatisk matris) - ett komplext kolloidalt system som bildas av proteiner, nukleinsyror, kolhydrater, vatten och andra ämnen. Beroende på det fysiologiska tillståndet och påverkan av den yttre miljön kan hyaloplasma vara i form av en sol (vätska) eller gel (mer elastisk tät substans). Hyaloplasma är den inre miljön i cellen, där reaktioner av intracellulär metabolism äger rum.

I cellernas hyaloplasma, mellan kärnmembranet och det cytoplasmatiska membranet, finns ett cytoskelett. Det bildas av ett utvecklat nätverk av filament (proteinrör): mikrofilament (6–8 nm) som bildas av aktinproteinet; mellanliggande fibrer (10 nm) bestående av olika fibrillära proteiner (cytokeratiner, etc.); mikrotubuli (ca 25 nm) byggda av tubulin och kan dra ihop sig. Cytoskelettet bestämmer cellens form, deltar i olika rörelser av själva cellen (vid delning) och i den intracellulära rörelsen av organeller och enskilda föreningar.

Hyaloplasma funktioner:

1) är cellens inre miljö, i vilken många kemiska processer äger rum;

2) förenar alla cellulära strukturer och ger kemisk interaktion mellan dem;

3) bestämmer platsen för organeller i cellen;

4) tillhandahåller intracellulär transport av ämnen (aminosyror, sockerarter, etc.) och förflyttning av organeller (förflyttning av kloroplaster i växtceller);

5) är en rörelsezon för ATP-molekyler;

6) bestämmer formen på cellen.

Cytoplasma är ett komplext kemiskt flerkomponentsystem som innehåller 75-86% vatten, 10-20% proteiner, 2-3% lipider, 1-2% kolhydrater, 1% mineralsalter. Detta är den totala och ungefärliga sammansättningen av cytoplasman, vilket inte återspeglar komplexiteten i dess kemiska struktur.

Cytoplasman i löst tillstånd innehåller en stor mängd fria aminosyror och nukleotider, många mellanprodukter som uppstår under syntes och nedbrytning av molekyler. Ett stort antal joner Na +, K +, Mg 2+, Cl-, HCO 3 2-, HPO 4 2- och andra finns också.

Liknande information.

Passiv transport innefattar enkel och underlättad diffusion - processer som inte kräver energiförbrukning. Diffusion- transport av molekyler och joner genom membranet från ett område med hög till ett område med låg koncentration, d.v.s. Ämnen rör sig längs en koncentrationsgradient. Diffusion av vatten över semipermeabla membran kallas osmos. Vatten kan också passera genom membranporer som bildas av proteiner och bära molekyler och joner av ämnen som är lösta i det. Mekanismen för enkel diffusion är överföringen av små molekyler (till exempel O2, H2O, CO2); denna process är av liten specificitet och fortskrider med en hastighet som är proportionell mot koncentrationsgradienten för transporterade molekyler på båda sidor av membranet.

Underlättad diffusion utförs genom kanaler och (eller) bärarproteiner som har specificitet i förhållande till de transporterade molekylerna. Jonkanalerna är transmembranproteiner som bildar små vattenporer genom vilka små vattenlösliga molekyler och joner transporteras längs den elektrokemiska gradienten. Bärarproteiner är också transmembranproteiner som genomgår reversibla konformationsförändringar som säkerställer transporten av specifika molekyler över plasmalemma. De fungerar i mekanismerna för både passiv och aktiv transport.

aktiv transportär en energikrävande process på grund av vilken överföringen av molekyler utförs med hjälp av bärarproteiner mot en elektrokemisk gradient. Ett exempel på en mekanism som ger motsatt riktad aktiv transport av joner är natrium-kaliumpumpen (representerad av bärarproteinet Na + -K + -ATPas), på grund av vilken Na + -joner avlägsnas från cytoplasman, och K + -joner överförs samtidigt till den. Koncentrationen av K + inuti cellen är 10-20 gånger högre än utanför, och koncentrationen av Na är vice versa. Denna skillnad i jonkoncentration säkerställs genom driften av (Na * -K *> pumpen. För att bibehålla denna koncentration överförs tre Na-joner från cellen för varannan K *-jon in i cellen. Denna process involverar ett protein i membranet som fungerar som ett enzym som bryter ner ATP och frigör den energi som behövs för att driva pumpen.
Deltagandet av specifika membranproteiner i passiv och aktiv transport indikerar den höga specificiteten hos denna process. Denna mekanism upprätthåller cellvolymens konstanthet (genom att reglera det osmotiska trycket), såväl som membranpotentialen. Aktiv transport av glukos in i cellen utförs av ett bärarprotein och kombineras med enkelriktad överföring av Na+-jonen.

Lättviktstransport joner förmedlas av speciella transmembranproteiner - jonkanaler som ger selektiv överföring av vissa joner. Dessa kanaler består av själva transportsystemet och en grindmekanism som öppnar kanalen under en tid som svar på en förändring i membranpotentialen, (b) mekanisk verkan (till exempel i hårcellerna i innerörat), bindning av en ligand (signalmolekyl eller jon).

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

• Uniport - transport av ett ämne i en riktning beroende på gradienten
• Symport är transport av två ämnen i samma riktning genom en bärare.
• Antiport är förflyttning av två ämnen i olika riktningar genom en bärare.

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

Symtom utför en glukostransportör placerad på den yttre sidan (mot tarmlumen) av cellerna i tarmepitelet. Detta protein fångar samtidigt en glukosmolekyl och en natriumjon och, ändrar dess konformation, överför båda ämnena in i cellen. I detta fall används energin från den elektrokemiska gradienten, som i sin tur skapas på grund av hydrolysen av ATP av natrium-kalium ATP-as.

Antiport utför till exempel natrium-kalium-ATPas (eller natriumberoende ATPas). Det transporterar kaliumjoner in i cellen. och ut ur cellen - natriumjoner. Till en början fäster denna bärare tre joner på insidan av membranet Na+ . Dessa joner ändrar konformationen av det ATPase-aktiva stället. Efter sådan aktivering kan ATPas hydrolysera en ATP-molekyl, och fosfatjonen fixeras på bärarens yta från insidan av membranet.

Den frigjorda energin spenderas på att ändra ATPas-konformationen, varefter tre joner Na+ och jon (fosfat) finns på utsidan av membranet. Här jonerna Na+ delas av, och ersätts av två joner K+ . Sedan ändras bärarens konformation till den ursprungliga, och jonerna K+ visas på insidan av membranet. Här jonerna K+ delas av, och bäraren är redo för arbete igen

Transport av ämnen:

Överföring av ämnen genom biol. Membranet är förknippat med så viktiga biologiska fenomen som intracellulär homeostas av joner, bioelektriska potentialer, excitation och ledning av en nervimpuls, lagring och omvandling av energi.

Det finns flera typer av transporter:

1 . Uniport- detta är transporten av ett ämne genom membranet, oavsett närvaro och överföring av andra föreningar.

2. Contransport- detta är överföringen av ett ämne i samband med transporten av ett annat: symport och antiport

a) där en enkelriktad överföring kallas symbol - absorption av aminosyror genom membranet i tunntarmen,

b) motsatt riktad - antiport(natrium-kalium pump).

Transport av ämnen kan vara - passiv och aktiv transport (överföring)

Passiv transport är inte förknippat med energikostnader, det utförs genom diffusion (riktad rörelse) längs koncentration (från mac mot min), elektriska eller hydrostatiska gradienter. Vatten rör sig längs vattenpotentialgradienten. Osmos är vattnets rörelse över ett semipermeabelt membran.

aktiv transport utförs mot gradienter (från min till mac), är associerad med energiförbrukning (främst energin från ATP-hydrolys) och är associerad med arbetet med specialiserade membranbärarproteiner (ATP-syntetas).

Passiv överföring kan utföras:

a. Genom enkel diffusion genom membranets lipiddubbelskikt, såväl som genom specialiserade formationer - kanaler. Genom diffusion genom membranet penetrera in i cellen:

oladdade molekyler, mycket löslig i lipider, inkl. många gifter och mediciner,

gaser- syre och koldioxid.

joner- de kommer in genom membranets penetrerande kanaler, som är lipoproteinstrukturer. De tjänar till att transportera vissa joner (till exempel katjoner - Na, K, Ca, anjoner Cl, P,) och kan vara i öppet eller slutet tillstånd. Kanalens konduktans beror på membranpotentialen, som spelar en viktig roll i mekanismen för generering och ledning av en nervimpuls.

b. Underlättad diffusion . I vissa fall sammanfaller överföringen av materia med gradientens riktning, men överstiger avsevärt hastigheten för enkel diffusion. Denna process kallas underlättad diffusion; det sker med deltagande av bärarproteiner. Processen med underlättad diffusion kräver ingen energi. På så sätt transporteras sockerarter, aminosyror, kvävehaltiga baser. En sådan process inträffar till exempel när sockerarter absorberas från tarmens lumen av epitelceller.

i. Osmos – rörelse av lösningsmedlet genom membranet

aktiv transport

Överföringen av molekyler och joner mot den elektrokemiska gradienten (aktiv transport) är förknippad med betydande energikostnader. Ofta når gradienterna stora värden, till exempel är koncentrationsgradienten av vätejoner på plasmamembranet hos cellerna i magslemhinnan 106, koncentrationsgradienten för kalciumjoner på membranet av det sarkoplasmatiska retikulumet är 104, medan jonflödet mot gradienten är signifikanta. Som ett resultat når energikostnaderna för transportprocesser, till exempel hos människor, mer än 1/3 av metabolismens totala energi.

Aktiva jontransportsystem har hittats i plasmamembranen i celler i olika organ, till exempel:

natrium och kalium - natriumpump. Detta system pumpar natrium ut ur cellen och kalium in i cellen (antiport) mot deras elektrokemiska gradienter. Överföringen av joner utförs av huvudkomponenten i natriumpumpen - Na +, K + -beroende ATP-as på grund av ATP-hydrolys. För varje hydrolyserad ATP-molekyl transporteras tre natriumjoner och två kaliumjoner. .

Det finns två typer av Ca 2 + -ATP-az. En av dem säkerställer frisättningen av kalciumjoner från cellen till den intercellulära miljön, den andra - ackumuleringen av kalcium från cellinnehållet till den intracellulära depån. Båda systemen kan skapa en betydande kalciumjongradient.

K+, H+-ATPas hittades i slemhinnan i magen och tarmarna. Det kan transportera H+ över membranet av slemhinnor under ATP-hydrolys.

Anjonkänsligt ATP-as hittades i mikrosomer av grodans magslemhinna, som kan motverka bikarbonat och klorid vid ATP-hydrolys.

Protonpump i mitokondrier och plastider

utsöndring av HCI i magen,

upptag av joner av växtrotceller

Brott mot membrantransportfunktioner, i synnerhet en ökning av membranpermeabiliteten, är ett välkänt universellt tecken på cellskada. Fler än 20 sktransportsjukdomar, bland som:

renal glykosuri,

cystinuri,

malabsorption av glukos, galaktos och vitamin B12,

ärftlig sfärocytos (hemolytisk anemi, erytrocyter är sfäriska, medan membranytan minskar, lipidhalten minskar, membranets permeabilitet för natrium ökar. Sfärocyter avlägsnas från blodomloppet snabbare än vanliga erytrocyter).

I en speciell grupp av aktiv transport kännetecknas överföringen av ämnen (stora partiklar) av - ochendo- ochexocytos.

Endocytos(från grekiska. endo - inuti) inträde av ämnen i cellen, inkluderar fagocytos och pinocytos.

Fagocytos (från grekiskan Phagos - förtärande) är processen att fånga fasta partiklar, främmande levande föremål (bakterier, cellfragment) av encelliga organismer eller flercelliga celler, de senare kallas fagocyter eller slukar celler. Fagocytos upptäcktes av I. I. Mechnikov. Vanligtvis, under fagocytos, bildar cellen utsprång, cytoplasma- pseudopodier som flödar runt de fångade partiklarna.

Men bildandet av pseudopodia är inte nödvändigt.

Fagocytos spelar en viktig roll i näringen av encelliga och lägre flercelliga djur, som kännetecknas av intracellulär matsmältning, och är också karakteristisk för celler som spelar en viktig roll i fenomenen immunitet och metamorfos. Denna form av absorption är karakteristisk för bindvävsceller - fagocyter, som utför en skyddande funktion, fagocyterar aktivt placentaceller, celler som kantar kroppshålan och ögonens pigmentepitel.

I processen med fagocytos kan fyra på varandra följande faser urskiljas. I den första (valfria) fasen närmar sig fagocyten föremålet för absorption. Här är den positiva reaktionen av fagocyten på den kemiska stimuleringen av kemotaxi väsentlig. I den andra fasen observeras adsorption av den absorberade partikeln på ytan av fagocyten. I den tredje fasen omsluter plasmamembranet i form av en säck partikeln, säckens kanter stänger och lossnar från resten av membranet, och den resulterande vakuolen är inuti cellen. I den fjärde fasen förstörs och smälts de nedsvalda föremålen inuti fagocyten. Naturligtvis är dessa stadier inte avgränsade, utan går omärkligt över i varandra.

Celler kan också absorbera vätskor och makromolekylära föreningar på liknande sätt. Detta fenomen kallades p och inte ts och toz och (grekiska rupo - dryck och sutoz - cell). Pinocytos åtföljs av kraftig rörelse av cytoplasman i ytskiktet, vilket leder till bildandet av en invagination av cellmembranet, som sträcker sig från ytan i form av en tubuli in i cellen. I slutet av tubuli bildas vakuoler som bryter av och passerar in i cytoplasman. Pinocytos är mest aktiv i celler med intensiv metabolism, särskilt i cellerna i lymfsystemet, maligna tumörer.

Genom pinocytos tränger makromolekylära föreningar in i cellerna: näringsämnen från blodomloppet, hormoner, enzymer och andra ämnen, inklusive medicinska. Elektronmikroskopiska studier har visat att fett absorberas av tarmepitelceller genom pinocytos, fagocytiska celler i njurtubuli och växande oocyter.

Främmande kroppar som kommit in i cellen genom fagocytos eller pinocytos exponeras för lytiska enzymer inuti matsmältningsvakuolerna eller direkt i cytoplasman. De intracellulära reservoarerna för dessa enzymer är lysosomer.

Funktioner av endocytos

utförd, näring(ägg absorberar äggulaproteiner på detta sätt: fagosomer är matsmältningsvakuolerna för protozoer)

Skyddande och immunsvar (leukocyter uppslukar främmande partiklar och immunglobuliner)

Transport(njurtubuli absorberar proteiner från primär urin).

Selektiv endocytos vissa ämnen (äggulaproteiner, immunglobuliner etc.) uppstår vid kontakt av dessa ämnen med substratspecifika receptorställen på plasmamembranet.

Material som kommer in i cellen genom endocytos bryts ner ("smält"), ackumuleras (t.ex. äggulaproteiner) eller stöts ut igen från den motsatta sidan av cellen genom exocytos ("cytopempsis").

Exocytos(från grekiska exo - utanför, utanför) - en process motsatsen till endocytos: till exempel från det endoplasmatiska retikulumet, Golgi-apparaten, olika endocytiska vesiklar, lysosomer smälter samman med plasmamembranet och släpper deras innehåll till utsidan.

INTRODUKTION

Sedan R. Virchows tid har det varit känt att en levande cell är en elementär cell i en biologisk organisation som tillhandahåller alla funktioner hos en organism. Bland de olika fenomen som förekommer i cellen är en viktig plats upptagen av aktiv och passiv transport av ämnen, osmos, filtrering och bioelektrogenes. Det har nu blivit uppenbart att dessa fenomen på ett eller annat sätt bestäms av cellmembranens barriäregenskaper. En cell är ett öppet system som kontinuerligt utbyter materia och energi med omgivningen. I många fall av biologisk transport är grunden för överföringen av ämnen deras diffusion genom ett cellulärt eller flercelligt membran. Metoderna för diffusionsöverföring är olika (fig. 1): diffusion av fettlösliga ämnen genom lipiddelen av membranet, överföring av hydrofila ämnen genom porerna som bildas av membranlipider och proteiner, underlättad diffusion med deltagande av speciella bärarmolekyler och selektiv transport av joner genom jonkanaler. Men i evolutionsprocessen har en levande cell skapat en speciell metod för överföring, som kallas aktiv transport. I det här fallet går överföringen av ämnet mot koncentrationsfallet och är därför förknippat med användningen av energi, vars universella källa i cellen är adenosintrifosforsyramolekylen.

TRANSPORT AV ÄMNEN GENOM BIOLOGISKA MEMBRANER

Levande system på alla nivåer i organisationen är öppna system. Livets elementära cell - cellen och cellorganellerna är också öppna system. Därför är transport av ämnen genom biologiska membran en nödvändig förutsättning för liv. Överföringen av ämnen genom membran är associerad med processerna för cellmetabolism, bioenergetiska processer, bildandet av biopotentialer, genereringen av en nervimpuls etc. Brott mot transporten av ämnen genom biomembran leder till olika patologier. Behandling är ofta förknippad med penetration av läkemedel genom cellmembran.

Passiv och aktiv transport av ämnen

Transport av ämnen över biologiska membran kan delas in i två huvudtyper: passiv och aktiv. Definitionerna av passiv och aktiv transport är relaterade till begreppet elektrokemisk potential. Det är känt att drivkraften för varje överföring är energifallet. Fri energi (Gibbs energi) bestäms vid konstant tryck, temperatur och antalet partiklar som transporteras. Den senare omständigheten är lämplig för att beskriva överföringen av substanspartiklar genom ett membran från en yta till en annan.

Elektrokemisk potential - ett värde numeriskt lika med Gibbs energi per mol av ett givet ämne placerat i ett elektriskt fält. För utspädda lösningar

där R \u003d 8,31 J / (K "mol) är den universella gaskonstanten, F \u003d 96 500 C / mol (Faraday-tal), Z är laddningen av elektrolytjonen (i elementära laddningsenheter), j är potentialen för det elektriska fältet.

Passiv transport går i riktning mot skillnaden i ämnets elektrokemiska potential, sker spontant och kräver inte den fria energin från ATP.

Aktiv transport är en process där överföringen sker från en plats med ett lägre värde på den elektrokemiska potentialen till en plats med ett högre värde. Denna process, åtföljd av en ökning av energi, kan inte fortgå spontant, utan endast i samband med processen för ATP-hydrolys, det vill säga på grund av förbrukningen av Gibbs energi lagrad i ATP makroerga bindningar.

Tätheten av materiaflödet jm - mängden materia per tidsenhet genom en enhetsarea - med passiv transport lyder Teorells ekvation

där U är rörligheten för partiklar, C är koncentrationen. Minustecknet indikerar att överföringen sker i riktning mot minskande.

Genom att ersätta uttrycket för den elektrokemiska potentialen (1) i (2) får vi Nernst-Plancks ekvation för utspädda lösningar:

Så det kan finnas två anledningar till överföringen av materia under passiv transport: koncentrationsgradienten dC / dx och den elektrostatiska potentialgradienten dj / dx. I vissa fall, på grund av konjugationen av dessa två skäl, kan en passiv överföring av materia från platser med lägre koncentration till platser med högre koncentration ske på grund av energin i det elektriska fältet.

I fallet med icke-elektrolyter (Z = 0) eller ett konstant elektriskt fält (dj / dx = 0), går Theorell-ekvationen in i ekvationen

Enligt Einsteins relation, URT = D, där D är diffusionskoefficienten, och som ersättning får vi Ficks lag

Typer av passiv transport

På fig. 1 visar huvudtyperna av diffusion av ämnen genom membranet. Diffusion är den spontana rörelsen av materia från platser med en högre koncentration av materia till platser med en lägre koncentration av materia på grund av den kaotiska termiska rörelsen av partiklar. Diffusion av ett ämne över lipiddubbelskiktet orsakas av en koncentrationsgradient över membranet. Materias flödestäthet enligt Ficks lag

var är koncentrationen av ett ämne i membranet nära en av dess ytor och - nära den andra, l är tjockleken på membranet.

Eftersom det är svårt att mäta koncentrationer använder de i praktiken en formel som relaterar flödestätheten för ett ämne genom ett membran med koncentrationerna av detta ämne inte inuti membranet, utan utanför i lösningar nära membranytorna - C1 och C2:

jm = P (C1 - C2),

där P är permeabilitetskoefficienten.

K - fördelningskoefficient - visar vilken del av koncentrationen vid ytan utanför membranet som är koncentrationen vid membranets yta, men inuti den.

Ekvationerna (6) och (8) visar att permeabilitetskoefficienten

Denna koefficient är bekväm eftersom den har dimensionen linjär hastighet (i m/s) och kan bestämmas från resultaten av mätning av membranpotentialer.

Permeabilitetskoefficienten, som framgår av formeln, desto större, desto större diffusionskoefficient D, desto tunnare membran och desto bättre löser ämnet sig i membranets lipidfas (desto större K). Icke-polära ämnen är lättlösliga i membranets lipidfas, till exempel: organiska och fettsyror, estrar. Naturligtvis passerar dessa ämnen relativt lätt genom cellmembranen och har en ökad affinitet för membranens lipidfas. Samtidigt passerar polära ämnen dåligt genom membranets lipiddubbelskikt: vatten, oorganiska salter, sockerarter, aminosyror. P-värdena för vatten och urea är alltså 10 µm/s respektive 1 pm/s. Vid en första anblick verkar det svårt att förklara det relativt stora värdet av P för vatten, ett polärt ämne som är olösligt i lipider. Uppenbarligen kan vi i det här fallet prata om överföring av vatten genom vattenfyllda protein- och lipidporer. Men nyligen, förutom hydrofila porer, är penetrationen av små polära molekyler genom membranet associerad med bildningen mellan fettsyrasvansarna av fosfolipidmolekyler under deras termiska rörelse av små fria håligheter - kinks (från den engelska kink - loop) . På grund av den termiska rörelsen hos fosfolipidmolekylernas svansar kan veck röra sig över membranet och bära små molekyler som har kommit in i dem, främst vattenmolekyler.

Molekyler av lipid-olösliga ämnen och vattenlösliga hydratiserade joner omgivna av vattenmolekyler penetrerar membranet genom hydrofila lipid- och proteinporer. För fettolösliga ämnen och joner fungerar membranet som en molekylsikt: ju större partikelstorlek, desto lägre är membranets permeabilitet för detta ämne. Selektiviteten för överföringen säkerställs av en uppsättning porer med en viss radie i membranet, motsvarande storleken på den penetrerande partikeln. Denna fördelning beror på membranpotentialen. Således har porerna som är selektiva för kaliumjoner i erytrocytmembranet en relativt låg permeabilitetskoefficient lika med 4 pm/s vid en membranpotential på 80 mV, som minskar fyrfaldigt med en minskning av potentialen till 40 mV. Permeabiliteten hos bläckfisk-axonmembranet för kaliumjoner vid excitationspotentialnivån bestäms av kaliumkanaler, vars radie beräknas numeriskt som summan av kaliumjonens kristallradie och tjockleken på ett hydratiseringsskal (0,133 nm + 0,272 nm = 0,405 nm). Det bör betonas att jonkanalernas selektivitet inte är absolut, kanaler finns tillgängliga för andra joner, men med lägre P-värden.

Det maximala värdet av P motsvarar kaliumjoner. Joner med stora kristallina radier (rubidium, cesium) har mindre P, tydligen för att deras dimensioner med ett hydratiseringsskal överstiger kanalstorleken. Mindre uppenbart är orsaken till det relativt låga P för litium- och natriumjoner, som har en mindre radie jämfört med kalium. Utifrån konceptet med ett membran som en molekylsikt skulle man kunna tro att de fritt ska passera genom kaliumkanaler. En av de möjliga lösningarna på denna motsägelse föreslogs av L. Mullins. Han antar att i lösning utanför poren har varje jon ett hydratiseringsskal som består av tre sfäriska lager av vattenmolekyler. När den kommer in i en por "avklär sig en hydratiserad jon" och tappar vatten lager för lager. En por kommer att vara permeabel för en jon om dess diameter exakt matchar diametern på något av dessa sfäriska skal. Som regel förblir en jon i en por med ett hydratiseringsskal. Ovanstående beräkning visar att kaliumporens radie kommer att vara 0,405 nm i detta fall. Hydraterade natrium- och litiumjoner som inte är en multipel av porstorleken kommer att ha svårt att passera genom den. En märklig "kvantisering" av hydratiserade joner i termer av deras storlek under passage genom porerna noterades.

Underlättad diffusion sker med deltagande av bärarmolekyler. Det är till exempel känt att antibiotikumet valinomycin är en bärare av kaliumjoner. Valinomycin är en peptid med en molekylvikt på 1111. I lipidfasen har valinomycinmolekylen formen av en manschett fodrad inuti med polära grupper och utanför med opolära hydrofoba rester av valinmolekyler.

Funktioner hos valinomycins kemiska struktur gör det möjligt att bilda ett komplex med kaliumjoner som kommer in i manschettens molekyl, och samtidigt är valinomycin lösligt i membranets lipidfas, eftersom dess yttre molekyl är opolär. Kaliumjoner hålls inuti molekylen på grund av krafterna från jon-dipolinteraktionen. Molekyler av valinomycin på ytan av membranet kan fånga upp kaliumjoner från den omgivande lösningen. Genom att diffundera i membranet transporterar molekylerna kalium över membranet och donerar joner till lösningen på andra sidan av membranet. Således sker skyttelöverföringen av kaliumjoner genom membranet.

Skillnader mellan underlättad spridning och enkel:

1) överföringen av joner med deltagande av bäraren är mycket snabbare jämfört med fri diffusion;

2) underlättad diffusion har egenskapen till mättnad - med en ökning av koncentrationen på ena sidan av membranet ökar flödestätheten för ett ämne endast till en viss gräns, när alla bärarmolekyler redan är upptagna;

3) med underlättad spridning observeras konkurrens av transporterade ämnen i fall där olika ämnen transporteras av en transportör; medan vissa ämnen tolereras bättre än andra, och tillsatsen av vissa ämnen gör det svårt att transportera andra;

4) det finns ämnen som blockerar underlättad diffusion; de bildar ett starkt komplex med bärarmolekyler, vilket förhindrar ytterligare överföring.

En sorts underlättad diffusion är transport av orörliga bärarmolekyler fixerade på ett visst sätt över membranet. I detta fall överförs molekylen av det överförda ämnet från en bärarmolekyl till en annan som ett stafettlopp.

Osmos är den preferentiella rörelsen av vattenmolekyler över semipermeabla membran (permeabla för lösta ämnen och permeabla för vatten) från platser med en lägre koncentration av ett löst ämne till platser med högre koncentration. Osmos är i huvudsak diffusion av vatten från platser med högre koncentration till platser med lägre koncentration. Osmos spelar en viktig roll i många biologiska fenomen. Fenomenet osmos orsakar hemolys av erytrocyter i hypotoniska lösningar och turgor i växter.

Aktiv transport av ämnen över biologiska membran. Använder erfarenhet

Aktiv transport av ämnen över biologiska membran är av stor betydelse. På grund av aktiv transport i kroppen, skillnader i koncentrationer, skillnader i elektriska potentialer, skapas tryck som stödjer livsprocesser, det vill säga ur termodynamikens synvinkel håller aktiv överföring kroppen i ett icke-jämviktstillstånd, stöder liv , eftersom balans är kroppens död. Förekomsten av aktiv transport av ämnen genom biologiska membran bevisades först i experimenten från Using (1949) med exemplet med överföring av natriumjoner genom huden på en groda. Erfarenheten är mycket lärorik och förtjänar noggrann övervägande.

Den experimentella Using-kammaren, fylld med normal Ringers lösning, delades upp i två delar med nyisolerat grodskinn. I experimentet studerades enkelriktade flöden av natriumjoner genom huden på en groda i framåt- och bakåtriktningen.

Från ekvationen som beskriver passiv transport (2) följer Using-Theorell-ekvationen för förhållandet mellan dessa flöden vid passiv transport

På den isolerade huden på en groda som separerar Ringers lösning uppstår en potentiell skillnad jin - jext (den inre sidan av huden är positiv i förhållande till den yttre). Installationen hade en speciell anordning: ett elektriskt batteri med en potentiometer - en spänningsdelare, med hjälp av vilken potentialskillnaden på grodans hud kompenserades: Dj = jin - jout = 0, som styrdes av en voltmeter. Dessutom hölls koncentrationen av natriumjoner från de yttre och inre sidorna densamma. Under dessa förhållanden, som kan ses från Using-Theorell-ekvationen,

jm, ext = jm, ext.

Det totala flödet av joner genom membranet bör vara frånvarande. Dess närvaro skulle indikera överföring av joner mot koncentrationsfallet, det vill säga aktiv överföring. För att bevisa detta sattes 22Na radioaktiva isotoper till den vänstra sidan av experimentkammaren och 24Na till höger. 22Na sönderfaller med emission av hårda g-kvanta, emissionen av 24Na detekterades av mjuka b-strålar. Det visades att 22Na-flödet är större än 24Na-flödet. Milliammeteravläsningarna vittnade också om närvaron av ström i kretsen.

Dessa experimentella data gav obestridliga bevis för att överföringen av natriumjoner genom huden på en groda inte följer den passiva transportekvationen. Dessutom visade det sig att det totala flödet av natriumjoner är extremt känsligt för faktorer som påverkar energimetabolismen i hudceller: närvaron av syre, verkan av oxidativa fosforyleringsavkopplare och verkan av låga temperaturer. Därför bör vi tala om ett speciellt sätt för jonöverföring, senare kallat aktiv. Senare fann man att den aktiva transporten av natriumjoner i grodhuden tillhandahålls av jonpumpar lokaliserade i cellerna i basala epitelet. Pumpen blockerades av en specifik inhibitor, ouabain.

Ytterligare studier har visat att det i biologiska membran finns flera typer av jonpumpar som fungerar på grund av den fria energin från ATP-hydrolys - speciella system av integrerade proteiner (transport-ATPaser). Tre typer av elektrogena jonpumpar är för närvarande kända. Överföringen av joner genom transport ATPaser sker på grund av konjugationen av överföringsprocesser med kemiska reaktioner på grund av energin i cellmetabolism.

Under arbetet med K + -Na + -ATPas, på grund av energin från högenergibindningar som frigörs under hydrolysen av varje ATP-molekyl, överförs två kaliumjoner in i cellen och tre natriumjoner pumpas samtidigt ut ur cellen. Således skapas en ökad koncentration av kaliumjoner i cellen jämfört med det intercellulära mediet och en minskad koncentration av natriumjoner, vilket är av stor fysiologisk betydelse. Ca-ATPas ger en aktiv överföring av två kalciumjoner, en protonpump - två protoner per ATP-molekyl.

Den molekylära mekanismen för arbetet med joniska ATPaser är inte helt klarlagd. Ändå kan huvudstadierna i denna komplexa enzymatiska process spåras. När det gäller K-Na-ATPas (vi kommer att beteckna det för korthetens skull som E), det finns sju stadier av jonöverföring associerade med ATP-hydrolys. Beteckningarna E1 och E2 motsvarar platsen för det aktiva stället för enzymet på membranets inre respektive yttre ytor (adenosin difosfat - ADP, oorganiskt fosfat - P, det aktiva komplexet är markerat med en asterisk):

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 visar att nyckelstadierna i enzymets arbete är: 1) bildandet av ett enzymkomplex med ATP på den inre ytan av membranet (denna reaktion aktiveras av magnesiumjoner); 2) bindning av komplexet av tre natriumjoner; 3) fosforylering av enzymet med bildning av adenosindifosfat; 4) coup (flip-flop) av enzymet inuti membranet, 5) reaktionen av jonbyte av natrium mot kalium som sker på membranets yttre yta; 6) omvänd omsättning av enzymkomplexet med överföring av kaliumjoner in i cellen, och 7) återgång av enzymet till dess ursprungliga tillstånd med frisättning av kaliumjoner och oorganiskt fosfat (P). Under en fullständig cykel frigörs således tre natriumjoner från cellen, cytoplasman berikas med två kaliumjoner och en ATP-molekyl hydrolyseras.

Sekundär aktiv jontransport

Förutom de jonpumpar som diskuterats ovan är liknande system kända där ackumulering av ämnen inte är associerad med ATP-hydrolys, utan med arbetet med redoxenzymer eller fotosyntes. Transporten av ämnen i detta fall är sekundär, medierad av membranpotentialen och/eller jonkoncentrationsgradienten i närvaro av specifika bärare i membranet. Denna transportmekanism kallas sekundär aktiv transport. Denna mekanism betraktas mest detaljerat av Peter Mitchell (1966) i den kemiosmotiska teorin om oxidativ fosforylering. I de plasmatiska och subcellulära membranen hos levande celler är den samtidiga funktionen av primär och sekundär aktiv transport möjlig. Ett exempel är mitokondriernas inre membran. Hämning av ATPas i det berövar inte partikeln förmågan att ackumulera ämnen på grund av sekundär aktiv transport. Denna ackumuleringsmetod är särskilt viktig för de metaboliter för vilka det inte finns några pumpar (socker, aminosyror).

För närvarande har tre system för sekundär aktiv transport studerats på djupet. För enkelhetens skull övervägs transporten av monovalenta joner med deltagande av bärarmolekyler. Detta innebär att bäraren i laddat eller olastat tillstånd lika väl korsar membranet. Energikällan är membranpotentialen och/eller koncentrationsgradienten för en av jonerna. Schema visas i fig. 5. Enkelriktad jonöverföring i kombination med en specifik bärare kallas en uniport. I detta fall överförs en laddning genom membranet antingen av ett komplex, om bärarmolekylen är elektriskt neutral, eller av en tom bärare, om överföringen tillhandahålls av en laddad bärare. Resultatet av överföringen blir ackumulering av joner på grund av en minskning av membranpotentialen. Denna effekt observeras under ackumulering av kaliumjoner i närvaro av valinomycin i energisatta mitokondrier.

Motöverföringen av joner med deltagande av en enda bärarmolekyl kallas antiport. Det antas här att bärarmolekylen bildar ett starkt komplex med var och en av de överförda jonerna. Överföringen utförs i två steg: först korsar en jon membranet från vänster till höger, sedan korsar den andra jonen membranet i motsatt riktning. Membranpotentialen förändras inte i detta fall Vad är drivkraften för denna process? Uppenbarligen skillnaden i koncentrationer av en av de överförda jonerna. Om det initialt inte fanns någon skillnad i koncentrationen av den andra jonen, kommer överföringen att resultera i ackumulering av den andra jonen på grund av en minskning av skillnaden i koncentrationerna av den första. Ett klassiskt exempel på en antiport är överföringen av kalium- och vätejoner genom cellmembranet med deltagande av den antibiotiska nigericinmolekylen.

Den gemensamma enkelriktade överföringen av joner med deltagande av en tvåställsbärare kallas symport. Det antas att membranet kan innehålla två elektriskt neutrala partiklar: en bärare i ett komplex med en katjon och anjon, och en tom bärare. Eftersom membranpotentialen inte ändras i ett sådant överföringsschema, kan orsaken till överföringen vara skillnaden i koncentrationerna av en av jonerna. Man tror att ackumuleringen av aminosyror av celler utförs enligt symportschemat. Kalium-natriumpumpen skapar en initial koncentrationsgradient av natriumjoner, som sedan, enligt symportschemat, bidrar till ackumuleringen av aminosyror. Det följer av symportschemat att denna process måste åtföljas av en betydande förändring i osmotisk jämvikt, eftersom två partiklar transporteras genom membranet i en cykel i en riktning.

I livets process korsas cellens gränser av olika ämnen, vars flöden effektivt regleras. Cellmembranet klarar av denna uppgift med inbyggda transportsystem, inklusive jonpumpar, ett system av bärarmolekyler och mycket selektiva jonkanaler.

Vid första anblicken verkar ett sådant överflöd av överföringssystem överflödigt, eftersom driften av endast jonpumpar gör det möjligt att tillhandahålla de karakteristiska egenskaperna för biologisk transport: hög selektivitet, överföring av ämnen mot diffusionskrafter och ett elektriskt fält. Paradoxen är dock att antalet flöden som ska regleras är oändligt stort, medan det bara finns tre pumpar. I detta fall får mekanismerna för jonkonjugation, känd som sekundär aktiv transport, där diffusionsprocesser spelar en viktig roll, särskild betydelse. Således är kombinationen av aktiv transport av ämnen med fenomenen diffusionsöverföring i cellmembranet grunden som säkerställer cellens vitala aktivitet.

OCH PERMEABILITET HOS MEMBRANER

När det gäller permeabilitet skiljer sig lipidporer fundamentalt från proteinkanaler i deras ursprung och exceptionella dynamik. Medan proteinkanaler har strikt definierade dimensioner som kvarstår under hela cellens liv, varierar dimensionerna av lipidporer under uppsugningsprocessen kraftigt. Denna variation har dock en gräns. Om porradien är mindre än den kritiska, måste poren passera genom alla mellanliggande radier och nå minimistorleken under läckageprocessen. Frågan om möjligheten till fullständig uppsugning av lipidporer är fortfarande öppen. Det antas att den fullständiga åtstramningen av poren förhindras av kraftfulla hydratiseringskrafter, som visar sig när väggarna av hydrofila porer närmar sig varandra.

Lipidporer, i motsats till proteinjonkanaler, har inte uttalad selektivitet, vilket korrelerar med deras relativt stora initiala storlekar. Det är dock uppenbart att lipidporer under uppsugningsprocessen kan nå godtyckligt små storlekar, inklusive de som är jämförbara med storlekarna på proteinjonkanaler, vilket kan leda till en omfördelning av jonströmmar i membranet, till exempel vid excitation . Det är vidare känt att efter att stressen stängts av kan lipiddubbelskiktsmembranet återgå till ett tillstånd av låg konduktivitet, vilket innebär att porerna har nått en storlek som är otillräcklig för passage av hydratiserade joner. Således är hydrofila lipidporer universella genom att de kan användas av cellen för transport av makromolekylära ämnen, joner och vattenmolekyler.

Studier av permeabiliteten av lipidporer utvecklas för närvarande i två riktningar: i den första studeras de största möjliga porerna, i den andra studeras tvärtom lipidporer med minsta radien. I det första fallet talar vi om elektrotransfektion - en metod för att introducera DNA-molekyler i levande celler eller liposomer i syfte att överföra och intracellulär introduktion av främmande genetiskt material. Det visade sig att ett höghållfast externt elektriskt fält underlättar penetrationen av en gigantisk DNA-molekyl in i membranpartikeln. Som framgår av, motsvarar den maximala storleken på den kritiska poren det flytande kristallina tillståndet för lipiddubbelskiktet i frånvaro av ett externt elektriskt fält och är lika med 9 nm. Appliceringen av ett externt elektriskt fält med en styrka på 100 kV/m minskar den kritiska porradien till 1 nm på en tid av 0,2 s. Eftersom membranen är bevarade i detta fall överskrider uppenbarligen inte storleken på lipidporerna i dem denna nedre gräns. Paradoxen är att den effektiva diametern på den statistiska spolen av DNA, som måste komma in i partikeln, når 2000 nm. Verkligen ett problem med en kamel som tränger in genom ett nålsöga. Därför är det uppenbart att DNA-molekylen måste penetrera membranet i form av en uppradad enkelsträng. Det är känt att änden av gängan har en diameter på 2 nm och därför bara kan komma in i poren. Fri diffusion av DNA-strängen i poren är dock knappast möjlig i detta fall. Tyvärr är mekanismen för detta fenomen fortfarande oklar. Det antas framför allt att DNA-molekylen kan expandera poren och därmed glida genom membranet. DNA-penetration kan underlättas av ytterligare krafter av elektrofores och elektroosmos, med hänsyn tagen till den totala negativa laddningen av DNA-molekylen. Det är möjligt att porerna med ändarna av DNA-molekylen fixerade i dem spelar rollen som ett ankare som håller molekylen på en viss plats nära ytan av vesikelmembranet, och själva överföringsprocessen är en typ av pinocytos. Studiet av detta intressant ur synvinkel