Тема №3: «Фізіологія іонних каналів і помп»

Актуальність: кожна клітина оточена мембраною, яка розмежовує внутрішнє та зовнішнє середовище клітини і має властивість напівпроникності. Вона вибірково пропускає речовини завдяки особливостям своєї будови.

Транспорт речовин через мембрану пов’язаний з процесами метаболізму, підтриманням сталості внутрішнього середовища клітини, збудженням і проведенням нервового імпульсу.

Мета: засвоїти поняття про механізми транспорту речовин через мембрану; роль цих процесів у підтриманні гомеостазу, виникненні збудження та проведенні нервового імпульсу.

Конкретні цілі:

• пояснити механізм транспорту речовин через мембрану;

• знати роль активного та пасивного транспорту у створенні іонної асиметрії;

• наводити приклади різних видів транспорту.

• знати відмінність іонних каналів і помп та їх роль у транспорті іонів через мембрану;

• вміти пояснити фізіологічне значення впливу деяких речовин на проникність мембрани;

Питання до підготовки

1. Будова клітинної мембрани та функції її складових.

2. Активний транспорт та його види.

3. Пасивний транспорт та його види.

4. Везикулярний транспорт.

Література

Основна

1. Фізіологія. зад.ред.В.Г.Шевчука.-Вінниця:Нова Книга,2012.-С.26-28.

2. Фізіологія людини. Підручник/ В.І.Філімонов. -К.:ВСВ «Медицина», 2011.- с. 23-28.

Додаткова

1. Посібник з фізіології/ За ред. В.Г.Шевчука.-Вінниця:Нова книга, 2005.- 564.

Інформація

Мембрана складається з подвійного шару ліпідів, білків та вуглеводів. Структурною основою усіх клітинних мембран є подвійний шар фосфоліпідів, в який занурені молекули білка. Серед білків виділяють поверхневі і інтегральні.

Поверхневі білки розташовані на зовнішній або внутрішній поверхні мембрани і представлені

1. Рецепторними білками, що знаходяться на зовнішній поверхні мембрани і передають інформацію у клітину;

2. Ферментами, що розташовані на внутрішній поверхні мембрани,активація яких змінює функцію клітини;

3. Компонентами цитоскелета

4. Глікокаліксом.

Інтегральні білки пронизують наскрізь товщу мембрани й утворють :

1. Іонні канали, через які можуть проходити іони;

2. Транспортні білки – переносники для речовин;

3. Іонні насоси, які переносять іони проти концентраційного градієнту.

І онні канали - це інтегральні білки в мембрані клітини,через які можуть проходити іони. Зазвичай канал має три частини: водна пора, ділянка, що здійснює поділ іонів (селективний фільтр) та «ворота», які відкривають чи закривають канал.

Потенціалзалежні ворота відкриваються чи закриваються при зміні мембранного потенціалу. Хемозалежні ворота відкриваються чи закриваються при взаємодії рецепторних білків мембрани з медіаторами, гормонами та іншими хімічними речовинами.

У живій клітині існують дві системи руху іонів крізь мембрану. Одна з них здійснюється за градієнтом концентрації іонів і не потребує витрат енергії – це пасивний іонний транспорт. Він відповідає за підтримання мембранного потенціалу спокою та виникнення потенціалу дії, здійснюється через іонні канали. Друга система руху іонів крізь мембрану відбувається проти концентраційного градієнту та відбувається за допомогою іонних помп. Цей механізм реалізується тільки з затратами енергії та називається активним іонним транспортом.

Н айпоширенішим і найпростішим способом переміщення речовин через мембрани клітин є дифузія. Завдяки дифузії більшість молекул у водних розчинах ( а у людини від 45% до 80% води в організмі) вільно проникає через мембрани за градієнтом концентрації. При цьому зрівноважується концентрація цих речовин по обидва боки мембрани. Мембрани дифузії не перешкоджають, тому така дифузія називається простою (1). Таким чином через ліпідні мембрани дифундує вода, молекули кисню та вуглекислого газу, жиророзчинні речовини, малі полярні молекули, такі як етанол, сечовина. Цукор, заряджені молекули, в т.ч. неорганічні іони, білки, амінокислоти важко проходять через мембрани. Для неорганічних іонів, наприклад, у клітинній оболонці існують канали, через які може дифундувати мала молекула, яка також рухається за градієнтом концентрації. Якщо ці молекули несуть заряд, то їх рух також регулюється мембранним потенціалом. Мембранні канали специфічні, тобто вибірково пропускають молекули. Наприклад, калієвий канал проникний. в основному, для іонів К⁺.

Т ак як потік іонів створює електричний струм, то виявилося, що його можна виміряти навіть для поодинокого каналу. При цьому спостерегли, що канали дуже часто спонтанно змінюють свій стан від відкритого до закритого. Для калієвого каналу, наприклад, характерні імпульси струму 2х10^-12 А (2 пА) тривалістю декілька мсек. За цей період через нього проходять десятки тисяч іонів.

Дифузія різних іонів через мембранні канали повинна була б привести до усунення різниці концентрацій між поза- і внутрішньоклітинним середовищем, але цього не спостерігається, так як різниця в концентрації іонів між клітиною та позаклітинним середовищем дуже велика.

Р егулювати проходження іонів через канали можна за допомогою специфічних хімічних речовин – блокаторів. Так, блокатором натрієвих каналів є тетродотоксин, який синтезується у деяких риб; калієвих – тетраетил амоній, аміно піридини; кальцієвих - Mn²⁺, верапаміл, ніфедепін, які використовують у клініці для пригнічення підвищеної активності м’язів.

Глюкоза та більшість амінокислот проникають у клітину шляхом полегшеної дифузії (2) – за допомогою білків-носіїв.

Ще одним видом пасивного транспорту є осмос (3), який має значення для напівпроникних мембран, тобто мембран, проникних лише для води і непроникних для інших іонів. При цьому молекули води рухаються у бік, де концентрація речовин більша, з метою усунення різниці концентрації. Тиск, що забезпечує рух розчинника через мембрану називається осмотичним. Завдяки осмосу регулюється кількість води у міжклітинному і внутрішньоклітинному просторі.

О тже, ми розглянули механізми, за допомогою яких відбувається пасивний транспорт (І) через мембрани. Але для того, щоб досягнути стабільності градієнту іонів, необхідно переносити іони через мембрану всупереч електричному чи концентраційному градієнту, тобто назад. Такий транспорт називається активним (ІІ), здійснюється він за допомогою енергії АТФ та іонних помп (насосів). Практично у кожній клітині існують Na/K помпи, які викачують іони натрію з

клітини і одночасно закачують іони калію в клітину. Т.ч. забезпечується низька внутрішньоклітинна концентрація Na⁺ і висока концентрація К⁺. Різні клітини витрачають на роботу Na/K помпи від 30 до 70% своєї енергії. При цьому АТФ розщеплюється до АДФ і фосфату за допомогою ферменту АТФ-ази, розміщеного на мембрані клітини: 1 молекула АТФ забезпечує клітині вихід 3 іонів Na⁺ та вхід 2 іонів К⁺. Такий транспорт називається первинним активним (1).

Крім Na/K помпи існує кальцієва, яка відкачує Са²⁺ з клітини. Кальцієвих помп особливо багато у саркоплазматичному ретикулумі м’язових клітин, який накопичує іони кальцію внаслідок розщеплення молекул АТФ.

Регулювати роботу помп можна за допомогою речовин, які впливають на окремі ланки механізму перекачування іонів через помпу. Наприклад, серцевий глікозид уабаїн (основа препарату строфантину) гальмує активність АТФ-ази, внаслідок чого порушується робота помпи, клітина губить К⁺ та збагачується Na⁺. А потужний інгібітор дихальних ферментів ціанід пригнічує утворення АТФ. Без своєчасного введення АТФ він може зупинити роботу помп і спричинити навіть смерть.

К рім первинного активного транспорту існує вторинний (2), який має дві форми: симпорт і антипорт. Симпорт (2а) відбувається, коли дві речовини транспортуються в одному напрямку за допомогою одного білка-переносника (наприклад, амінокислоти, глюкоза та іон Na⁺ у тонкій кишці). Антипорт (2в) відбувається, при транспортуванні двох речовин крізь клітинну мембрану у протилежних напрямках за допомогою одного білка переносника (наприклад, іони Na ⁺ та К⁺ у дистальних канальцях нефрона).

Д ля деяких речовин відсутні транспортні канали та насоси, тому вони транспортуються за допомогою везикулярного механізму (ІІІ) (у вигляді мембранних міхурців) шляхом ендоцитозу (1) або екзоцитозу (2). Ендоцитоз – це транспортування речовини всередину клітини шляхом вгинання мембрани, яка утворює везикулу і переносить речовину у цій везикулі у клітину. Такий шлях має дві основні форми: піноцитоз і фагоцитоз. За допомогою піноцитозу (1а) клітина поглинає невеликі крапельки розчинених поживних речовин. Фагоцитоз (1в) забезпечує проникнення в клітину великих об’єктів, таких як бактерії, клітини, частки зруйнованої тканини.

Екзоцитоз – це транспортування речовини, що знаходиться у везикулі, з клітини назовні. Таким чином транспортуються гормони та ферменти, що секретують залози.

Завдання 1. Замалювати модель клітинної мембрани, позначити її основні компоненти.

Завдання 2. Замалювати іонні канали та помпи, підписати їх структурні елементи та відмінності.

Завдання 3. Скласти таблицю видів транспорту речовин через мембрану та вписати речовини, які даними шляхами долають мембранний бар’єр.

№ з/п	Вид транспорту	Підвид транспорту	Речовини, які транспортуються
І	Пасивний	1.Проста дифузія	Вода, кисень….
		2.
		3.
ІІ		1.
		2.
		2а.
		2в.
ІІІ		1
		1а
		1в
		2

Завдання 4. Охарактеризувати осмос.

Завдання 5. Відмітити у таблиці наявність (+) чи відсутність (-) ознак різних видів везикулярного транспорту.

Транспорт:	Ендоцитоз		Екзоцитоз
	Фагоцитоз	Піноцитоз
У вигляді міхурців
З клітини
У клітину
Великих твердих частинок
Розчинів речовин
Гормонів, ферментів
Забезпечує внутрішньоклітинне травлення
Забезпечує транспорт нейромедіаторів

Завдання 6. Розв’язати ситуаційні задачі, вибрати правильну відповідь.

1. В експерименті обробляли нерв протеолітичними ферментами. Чи вплине це на процеси транспорту речовин через мембрану? Чому?

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Який механізм дії ціаністого калію?

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. В умовах експерименту клітину помістили у середовище, що містить верапаміл. Чи вплине це на транспорт іонів через мембрану?

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. Після смерті організму знижується активність Nа⁺-К⁺ насоса, в клітині зростає концентрація Nа⁺. Поясніть, які зміни відбудуться у клітині внаслідок цього?

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5. Лейкоцити людини здатні поглинати субстанції набагато більші від білкової молекули. Який вид транспорту речовин через мембрану забезпечує цей процес?

А. Осмос

В. Дифузія

С. Екзоцитоз

D. Фагоцитоз

Е. Піноцитоз

6. До складу клітинної мембрани входять білки, ліпіди та вуглеводи. Яка складова забезпечує структурно-функціональну цілісність мембран?

А. Фосфоліпіди

В. Ліпопротеїди

С. Білки

D. Гліколіпіди

Е. Холестерин

7. Білки мембран поділяються на поверхневі, внутрішні та інтегральні. Яку функцію виконують інтегральні білки?

А. Визначають структурну цілісність мембрани

В. Є рецепторами мембрани

С. Утворюють іонні помпи

D. Утворюють іонні канали

Е. Забезпечують каталітичну функцію

8. Який вид транспорту крізь мембрану клітини є активним?

А. Дифузія

В. Фільтрація

С. Піноцитоз

D. Осмос

Е. Полегшена дифузія

9. За допомогою калій-селективних мікроелектродів вивчали механізми транспорту іонів калію через мембрану не збудженої клітини в бік позаклітинної рідини. Який вид транспорту здійснювався?

А. Вторинний активний транспорт

В. Полегшена дифузія

С. Осмос

D. Первинний активний транспорт

Е. Проста дифузія

10. У нервовому волокні блоковано активність АТФ. Який вид транспорту порушується у такому разі:

А. Проста дифузія

В. Піноцитоз

С. Фільтрація

D. Осмос

Е. Полегшена дифузія