26. Возможные схемы прохождения ионов через мембраны клеток. Основные подходы для описания транспорта ионов. Структура ионных каналов.

Мембрана не является однородной фазой движения ионов, поскольку перенос ионов через мембраны осуществляется через специализированные участки – ионные каналы, представляют собой липопротеиновые комплексы сложной структуры. В узких каналах (натриевый, калиевый) невозможна независимая диффузия, а допустимо только однородное движение ионов. Вследствие узости поры в канале могут происходить сильные ион – ионные взаимодействия.

1). Поступление иона в канал сопровождаются замещением воды гидратной оболочки на полярные группы, выстилающие полость канала.

2). Особенности взаимодействия иона с молекулярными группами канала учитывается соответствующими потенциалами энергии иона в канале, которые представляются рядом последующих потенциалов ям и барьеров.

3). Ион достаточно долго задерживается в каждой потенциальной яме. Перескок возможен только в пустую яму. Второй ион не может попасть в занятую яму из-за электростатического взаимодействия с уже находящимся – там ионом.

4). Перескок между ямами совершается под действием тепловых флуктуаций. Вероятность перескока зависит от приложенного электрического поля. Основные свойства ионных каналов:

1). Селективность.

2). Независимость работы отдельных каналов.

3). Дискретный характер проводимости.

4). Зависимость параметров каналов от мембранного потенциала. Схема 1.

27. Пассивный транспорт. Уравнение Теорелла, Нернста – Планка.

Пассивный транспорт – это перенос вещества из мембраны с большим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением.

Пассивный транспорт:

1). Фильтрация.

2). Простая диффузия:

a). Осмос,

б). Через липидный слой,

в). Через поры в липидном слое,

г). Через белковую пору.

3). Облегченная диффузия:

а). С подвижным переносчиком,

б). С фиксированным переносчиком.

Пассивный транспорт идет с уменьшением энергии Гиббса и поэтому этот процесс может идти самопроизвольно без затраты энергии. Направление пассивного транспорта μ₁ → μ₂, J_m, μ₁ больше μ₂ . Плотность потока вещества J_m при пассивном транспорте подчиняется уравнению Теорелла: J_m = - UCd μ/dx, где U – подвижность частиц, C – концентрация. Знак минус показывает, что перенос происходит в сторону убывания μ. Плотность потока вещества – это величина, численно равная количеству вещества, переменного за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению переноса: J_m = m/St [моль/м²с]. Подставим в первое выражение для электрохимического потенциала,  = 0 + RTlnC + ZF, получим для разбавленных растворов при 0 = постоянной уравнение Нернста – Планка: J_m = - URT dc/dx - UCFZ d/dx. Итак, могут быть 2 причины переноса вещества при пассивном транспорте: градиент концентрации dc/dx и градиент электрохимического потенциала d/dx. Знаки минус перед градиентами показывают, что градиент концентрации вызывает перенос вещества от места с большей концентрацией к местам с его меньшей концентрацией, а градиент электрохимического потенциала вызывает перенос положительных зарядов от мест с большим к местам с меньшим положительным. Диффузия – самопроизвольное перемещение вещества из мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией вещества вследствие хаотического теплового движения. Осмос – преимущественное движение молекул воды через полупроницаемые мембраны (непроницаемые для растворенного вещества и проницаемые для воды) из мест с меньшей концентрацией растворенного вещества в места с большей концентрацией. Облегченная диффузия происходит при участии молекул переносчиков. Фильтрацией называется движение раствора через поры в мембране под действием градиента давления. Скорость переноса при фильтрации подчиняется закону Пуазейля: dV/dt = P₁ – P₂/W, где dV/dt - объемная скорость переноса раствора, W – гидравлическое сопротивление, W = 8ήl/πr⁴, l – длина поры, r – ее радиус, ή - коэффициент вязкости раствора. Явление фильтрации играет важную роль в процессе переноса воды через стенки кровеносных сосудов. Движущими силами пассивного транспорта вещества через биологическую мембрану могут служить следующие градиенты:

1). Концентрационный – для нейтральных молекул.

2). Электрохимический – для ионов.

3). Градиент гидростатического давления и осмотический градиент – для воды.

4). Градиент парциальных давлений – для газов.

Понятие градиента. Основное положение второго закона термодинамики можно свести к следующему (невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии изменений в обеих системах или окружающей среде. Следствием этого положения может быть утверждение о том, что самопроизвольно могут протекать лишь процессы, связанные с переносом энергии от более высокого уровня к более низкому, то есть по градиенту. Градиентом физической величины называется вектор, указывающий на направление максимального возрастания этой величины. Grad U = (dU/dx)i^→ + (dU/dy)j^→ + (dU/dz)k^→, где I, j, k – единичные вектора или орты. Если прослеживать зависимость только от одной переменной, понятие градиент функции сводится к понятию производной этой функции по данной называемой переменной. Например, в случае преимущественной зависимости концентрации вещества от одной координаты (Х) нет необходимости строго учитывать зависимость этой функции от остальных координат. Тогда понятие градиента можно отождествлять с понятием производная этой функции по значимой независимой переменной: Grad C = d[C]/dx. Таким образом градиент – скорость увеличения концентрации вещества по координате Х. При пассивном транспорте веществ, осуществляется по градиенту концентрации, следует иметь в виду, что в клетках, как правило, одновременно имеется несколько градиентов, которые накладываются друг на друга – суперпозиция градиентов. В таком случае перенос веществ будет определяться результирующей всех градиентов. Если градиенты имеют одинаковое направление, то результирующий перенос будет равен сумме потоков вещества по отдельным градиентам. В случае 2 противоположных по направлению градиентов результирующий перенос вещества будет равен разности потоков по отдельным градиентам и имеет направление, совпадающее с направлением того градиента, абсолютная величина которого больше.

28. Активный транспорт ионов Na⁺ и K⁺. Структура и работа Na⁺ и K⁺ - зависимой АТФазы.

Активный транспорт ионов – транспорт ионов против их электрохимического градиента. Наиболее хорошо изученным мембранным компонентом, реализует активный транспорт, является натриевая помпа, молекулярной основой является Na⁺ - K⁺ - активируемая, Mg – зависимая АТФаза (Na⁺ - K⁺ - АТФаза). Впервые активируемую ионами Na⁺ и K⁺ - АТФаза обнаружил в 1957г. Скоу в гомогенате периферических нервов краба, так же в почках, солевых железах, мозге, электрическом органе, эритроцитах и других. Na⁺ - K⁺ - АТФаза относится к ферментам, затрачивают энергию АТФ на осуществление конформационных превращений, конечным результатом является перенос 3 ионов Na⁺ и 2 ионов K⁺ через плазматическую мембрану против их градиентов (осуществляя первично – активный транспорт одновалентных катионов). Фермент на мембране электрохимического градиента одновалентных катионов, энергия используется для процессов возбуждения нервной и мышечной ткани, транспорта аминокислот. Сахаров и других метаболитов через плазматическую мембрану. Na⁺ - K⁺ - АТФаза является глобулярным белком, имеющим олигомерную природу с протяженной структурой в толще липидного бислоя. Состоит из 2 субъединиц: α – субъединица (содержит приблизительно 1012 аминокислотных остатков), β – субъединица (приблизительно 300). α – субъединица выполняет каталитическую функцию, а β – субъединица играет важную роль в образовании α, β – комплексов в мембране. Удаление β – субъединицы приводит к снижению активности фермента. Полипептидная цепь β – субъединицы пронизывает мембрану 1 раз, а α – субъединица – 10 раз. Центр связывания сердечных гликозидов – ингибиторов фермента – расположен на внешней стороне мембраны, здесь же расположен и центр связывания ионов K⁺ . Активация фермента натрием осуществляется изнутри клетки, где расположен и центр, гидролизующий АТФ. Na⁺ - K⁺ - АТФаза является электрогенным насосом, работающим по принципу конформационно – лабильной поры. Конфирмационные изменения переносчика обеспечивают транспорт 3 ионов Na⁺ из клетки и 2 ионов K⁺ в клетку. Конформационные переходы молекулы фермента (и перенос ионов) нуждаются в источнике энергии. Гидролиз АТФ, Na⁺ - K⁺ - АТФаза обеспечивает энергетически активный транспорт ионов. Основные стадии реакционного цикла фермента:

1). В присутствие ионов Na⁺ фермент гидролизует АТФ и переносит терминальный фосфат на боковой радикал остатка аспарагиновой кислоты полипептидной цепи, образуя фосфофермент (E₁P).

2). Фосфорилирование – фермент изменяет конформацию то есть, что ионы Na⁺ теряют способность высвобождаться как с внутренней, так и с внешней стороны мембраны (окклюдированные ионы).

3). Ионы Mg²⁺ активируют конфирмационный E₁P – E₂P переход, сопровождается пространственными перемещениями в липидном бислое отдельных частей белковой глобулы – центр связывания ионов Na⁺ становится открытым во внешнеклеточное пространство и более гидрофобным, отсюда следует, что сродство ионов Na⁺ к активному центру фермента уменьшается и они переходят в водную фазу (стадия переноса ионов Na⁺ через мембрану).

4). Активный центр фермента связывается с ионами K⁺, так же как и Na⁺ подвергается окклюзии.

5). Связывание ионов K⁺ с E₂P формой фермента сопровождается конформационными изменениями фермента, что следует окружение фосфатной группы, связанной с глобулой белка, становится более гидрофильным и доступным для атаки молекулами воды. Неорганический фосфат высвобождается во внутриклеточную среду.

6). Дефосфорилирование фермента – Конформационные изменения глобулы белка, ведет к уменьшению сродства фермента к ионам K⁺ и они диссоциируют от центра связывания в цитоплазму. Их место занимает Na⁺. Эта стадия цикла одновременно подготавливает фермент к началу нового цикла: конформер E₂ превращается в конформер E₁. АТФ ускоряет этот конформационный переход, повышая сродство фермента к Na⁺ и уменьшая его сродство к K⁺ . Если градиенты концентрации ионов K⁺ и Na⁺ увеличить до такой степени, что насос не сможет с ними справиться, то ионы будут проходить через мембрану по градиенту концентрации и фермент начнет работать не как АТФаза, а как АТФ – синтетаза, то есть фермент из фосфата и АДФ будет синтезировать АТФ. В плазмолемме канальцевого эпителия почки функционируют 2 типа натриевых насосов:

1). Na⁺ - K⁺ - АТФаза, обеспечивает антипорт K⁺ и Na⁺ .

2). Осуществляет симпорт Na⁺ и Cl^-.