24. Возможные схемы прохождения ионов через мембраны клеток.

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.

25. 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.

26. 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^-.