Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биофизические основы живых систем. Учебное пособие
.pdf
проходит молекула фосфолипида за 1 секунду в результате
латеральной диффузии? Коэффициент латеральной диффузии принять
равным 10
-12 м2
/с. Сравните с окружностью эритроцита диаметром 8
мкм.
3. При фазовом переходе мембранных фосфолипидов из жид-
кокристаллического состояния в гель толщина бислоя изменяется. Как
при этом изменится электрическая емкость мембраны? Как изменится
напряженность электрического поля в мембране?
4. С помощью спин-меченых молекул фосфолипидов уста-
новлен градиент вязкости по толщине мембраны. Опишите эксперимент. Где вязкость выше: у поверхности мембраны или в ее
центре?
1.2 Транспорт веществ через биологические мембраны
Живые системы на всех уровнях организации – открытые
системы. Поэтому транспорт веществ через биологические мембраны
– необходимое условие жизни. С переносом веществ через мембраны
связаны процессы метаболизма клетки, биоэнергетические процессы,
образование биопотенциалов, генерация нервного импульса и др.
Лечение часто связано с проникновением лекарств через клеточные
мембраны. Эффективность лекарственного препарата в значительной
степени зависит от проницаемости для него мембраны. Нарушение
мембранного транспорта ведет к возникновению различного типа
клеточных дисфункций и патологий.
1.2.1 Классификация видов транспорта
Различают несколько классификаций видов транспорта:
1. Относительно затрат энергии в процессе переноса веществ
транспорт подразделяется:
- активный транспорт, осуществляемый с затратой энергии (за счет
гидролиза АТФ) и против градиента концентрации;
- пассивный транспорт, осуществляемый без затраты энергии и
протекающий самопроизвольно по градиенту концентрации.
2. Относительно сопряженности переноса веществ через мембрану
выделяют:
- унипорт – перенос данного вещества (иона) не зависит от наличия и
переноса других веществ.
21
- контранспорт – перенос данного вещества (иона) зависит от наличия
и переноса других веществ (рис. 1.8).
Контранспорт относительно направления подразделяют на
симпорт и антипорт. При симпорте осуществляется
однонаправленный и одновременный транспорт, а при антипорте –
одновременный, но разнонаправленный перенос веществ.
Рис. 1.8. Виды транспорта
3. Специфические механизмы переноса веществ, связанные с
нарушением структурной целостности мембраны: эндоцитоз и
экзоцитоз – важнейшие процессы жизнедеятельности клетки,
механизмы высвобождения медиатора в синаптическую щель,
фагоцитоз лейкоцитов и др.
1.2.2 Методы изучения транспорта
Среди методов изучения транспорта выделяют:
1. Осмотический – изменение объема клетки при транспорте воды.
2. Химический (цитохимический) – проникновение красителей,
постановка цветных реакций.
3. Биохимический – функция ферментов – участников транспорта.
4. Изотопных меток: углерода (С14), натрия (Na22), рубидия (Rb86) и
др.
5. Спектро- и флуорометрический – изменение параметров
поглощения и флуоресценции специфических веществ-меток,
меняющих свои характеристики после взаимодействия с
внутриклеточными структурами.
6. Опосредованные методы – измерение pH, вольтамперных
характеристик.
22
1.2.3 Пассивный перенос веществ через мембрану
Пассивный транспорт – это перенос вещества из мест с большим
значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим
значением (рис. 1.9).
Пассивный транспорт идет с уменьшением энергии Гиббса, и
поэтому этот процесс может идти самопроизвольно без затраты
энергии.
Рис. 1.9. Схема пассивного транспорта
Скорость переноса вещества подчиняется закону Фика и зависит
от градиента концентрации (dC/dX) и коэффициента диффузии (D).
. (1.6)
Диффузия – самопроизвольное перемещение вещества из мест с
большей концентрацией в места с меньшей концентрацией вещества
вследствие хаотического теплового движения молекул.
Простая диффузия отличается отсутствием специальных систем
для переноса веществ. Подчиняется правилам Овертона: скорость
проникновения через мембрану прямо пропорциональна
липотропности вещества и обратно пропорциональна его размерам:
, (1.7)
где P – коэффициент проницаемости мембраны (м/с); С1 и С2 –
разность концентраций (моль/м3).
23
Рис. 1.10. Схема пассивного транспорта
Коэффициент проницаемости мембраны зависит от свойств
мембраны и переносимых веществ. Если считать концентрации
вещества у поверхности в мембране прямо пропорциональными
концентрациям у поверхности мембраны, то:
, (1.8)
Величина К носит название коэффициента распределения,
который показывает соотношение концентрации вещества вне
мембраны и внутри ее.
Тогда закон Фика можно представить виде
Коэффициент проницаемости:
. (1.10)
. (1.9)
. (1.11)
24
Коэффициент проницаемости тем больше, чем больше
коэффициент диффузии (чем меньше вязкость мембраны), чем тоньше
мембрана и чем лучше вещество растворяется в мембране (чем
больше К).
Хорошо растворимы в фосфолипидной фазе мембраны
неполярные вещества, например органические жирные кислоты,
эфиры. Эти вещества хорошо проникают через липидную фазу
мембраны.
Плохо проходят через липидный бислой полярные,
водорастворимые вещества: соли, основания, сахара, аминокислоты,
спирты.
Облегченную диффузию отличает наличие специфических
структур, осуществляющих перенос вещества через мембрану.
Например, валиномицин – переносчик ионов калия.
Наличие переносчиков изменяет кинетику транспорта, и она
становится сходной с уравнениями ферментативного катализа, только
в роли фермента выступает переносчик, а в роли субстрата –
переносимое вещество (S):
(1.12)
где кт – константа транспорта соответствует константе Михаэлиса и
равна концентрации S при Js=J
max
/2.
Разновидностью облегченной диффузии является транспорт с
помощью неподвижных молекул переносчиков, фиксированных
определенным образом поперек мембраны. При этом молекула
переносимого вещества передается от одной молекулы переносчика к
другой, как по эстафете.
Представители систем облегченной диффузии ионов (симпорт,
антипорт) с участием специфических переносчиков:
Na+/Cl- обмен
Na+/ Na+ обмен
Na+/H+ обмен антипорт - контраспорт
Na+/Ca2+ обмен
Cl-/HCO
+
обмен
3
Cl-/Cl- обмен
K+/Cl- и Na+, K+, 2Cl- - симпорт – контраспорт.
25
Фильтрация – движение раствора через поры в мембране под
действием градиента давления.
Осмос – преимущественное движение молекул воды через
полупроницаемые мембраны (непроницаемые для растворенного
вещества и проницаемые для воды) из места с большей
концентрацией.
1.2.4 Активный перенос веществ через мембрану
Активный транспорт – это перенос вещества из мест с меньшим
значением электрохимического потенциала в места с его большим
значением (рис. 1.11).
направление активного транспорта
Рис. 1.11 Схема активного транспорта
Активный транспорт в мембране сопровождается ростом
энергии Гиббса, он не может идти самопроизвольно, а только в
сопряжении с процессом гидролиза аденозинтрифосфорной кислоты
(АТФ), то есть за счет затраты энергии, запасенной в макроэргических
связях АТФ.
Активный транспорт веществ через биологические мембраны
имеет огромное значение. За счет активного транспорта в организме
создаются градиенты концентраций, градиенты электрических
потенциалов, градиенты давления и т.д., поддерживающие жизненные
процессы, т.е. с точки зрения термодинамики активный перенос
удерживает организм в неравновесном состоянии, поддерживает
жизнь.
Существование активного транспорта веществ через
биологические мембраны впервые было доказано в опытах Уссинга
(1949) на примере переноса ионов натрия через кожу лягушки.
26
1.2.5 Электрогенные ионные насосы
Согласно современным представлениям, в биологических
мембранах имеются ионные насосы, работающие за счет свободной
энергии гидролиза АТФ, - специальные системы интегральных белков
(транспортные АТФазы).
В настоящее время известны три типа электрогенных ионных
насосов, осуществляющих активный перенос ионов через мембрану
(рис.1.12).
Перенос ионов транспортными АТФазами происходит
вследствие сопряжения процессов переноса с химическими
реакциями, за счет энергии метаболизма клеток.
При работе K+-Na+-АТФазы за счет энергии, освобождающейся
при гидролизе каждой молекулы АТФ, в клетку переносится два иона
калия и одновременно из клетки выкачиваются три иона натрия.
Таким образом, создается повышенная концентрация в клетке ионов
калия и пониженная натрия, что имеет огромное физиологическое
значение.
В Ca2+-АТФазе за счет энергии гидролиза АТФ переносятся два
иона кальция, а в Н+-помпе – два протона.
Рис. 1.12 Виды ионных насосов: а – K+-Na+-АТФаза в
цитоплазматических мембранах (К+-Na+-насос); б – Ca2+-АТФаза
(Ca2+-насос); в – Н+-АТФаза в энергосопрягающих мембранах
митохондрий, хлоропластов (Н+-насос, или протонная помпа)
Молекулярный механизм работы ионных АТФаз до конца не
изучен. Тем не менее, прослеживаются основные этапы этого
сложного ферментативного процесса. В случае K+-Na+-АТФазы
(обозначим ее для краткости Е) насчитывается семь этапов переноса
ионов, сопряженных с гидролизом АТФ. Обозначения Е1 и Е2
соответствуют расположению активного центра фермента на
27
внутренней поверхности мембраны соответственно
(аденозиндифосфат – АДФ, неорганический фосфат – Р, звездочкой
обозначен активный комплекс):
1) E + АТФ → E*АТФ
2) E*АТФ +3Na→ [E*АТФ]*Na3
3) [E*АТФ]*Na3 → [E1 - P]*Na3+ АДФ
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]*K
2
→E + P + 2K
2
На схеме видно, что ключевыми этапами работы фермента
являются:
1) образование комплекса фермента с АТФ на внутренней
поверхности мембраны (эта реакция активируется ионами магния);
2) связывание комплексом трех ионов натрия;
3) фосфорилирование фермента с образованием аденозиндифосфата;
4) переворот (флип-флоп) фермента внутри мембраны;
5) реакция ионного обмена натрия на калий, происходящая на
внешней поверхности мембраны;
6) обратный переворот ферментного комплекса с переносом ионов
калия внутрь клетки;
7) возвращение фермента в исходное состояние с освобождением
ионов калия и неорганического фосфата.
Таким образом, за полный цикл происходят выброс из клетки
трех ионов натрия, обогащение цитоплазмы двумя ионами калия и
гидролиз одной молекулы АТФ.
1.2.6 Вторичный активный транспорт ионов
Известны сходные системы, в которых накопление веществ
сопряжено не с гидролизом АТФ, а с работой окислительновосстановительных ферментов или фотосинтезом. Транспорт веществ
в этом случае является вторичным, опосредованным мембранным
потенциалом и/или градиентом концентрации ионов при наличии в
мембране специфических переносчиков. В клетках возможно
одновременное функционирование первичного и вторичного
28
активного транспорта. С помощью вторичного транспорта
осуществляется перенос сахаров и аминокислот.
Задачи к практическим занятиям
1. От каких параметров зависит критический радиус липидной
поры в мембране?
2. Рассчитайте критический радиус поры при отсутствии
мембранного потенциала. Принять краевое натяжение поры 10
-11
Н, поверхностное натяжение липидного бислоя 0,3 мН/м.
3. Как изменится облегченная диффузия ионов калия с участием
молекулы валиномицина после фазового перехода мембранных
липидов из жидкокристаллических состояний в гель?
4. Удельная электрическая емкость мембраны аксона, измеренная
внутриклеточным микроэлектродом, оказалась равной 0,5
микрофарад/см2. По формуле плоского конденсатора оценить
толщину гидрофобного слоя мембраны с диэлектрической
проницаемостью 2.
1.3 Биоэлектрические потенциалы
Одна из важнейших функций биологической мембраны –
генерация и передача биопотенциалов. Это явление лежит в основе
возбудимости клеток, регуляции внутриклеточных процессов, работы
нервной системы, регуляции мышечного сокращения, рецепции. В
медицине на исследование электрических полей, созданных
биопотенциалами органов и тканей, основаны диагностические
методы: электрокардиография, электроэнцефалография,
электромиография и другие. Практикуется и лечебное воздействие на
ткани и органы внешними электрическим импульсами при
электростимуляции.
В процессе жизнедеятельности в клетках и тканях могут
возникать разности электрических потенциалов:
1) окислительно-восстановительные потенциалы – вследствие
переноса электронов от одних молекул к другим;
2) мембранные – вследствие градиента концентрации ионов
через мембрану.
29
Биопотенциалы, регистрируемые в организме – это в основном
мембранные потенциалы.
Мембранным потенциалом называется разность потенциалов
между внутренней (цитоплазматической) и наружной поверхностями
мембраны:
В дальнейшем величину ∆φм будем обозначать просто как φ
Прогресс в исследовании биопотенциалов обусловлен:
. (1.13)
м.
1) разработкой микроэлектродного метода внутриклеточного
измерения потенциалов;
2) созданием специальных усилителей биопотенциалов (УПТ);
3) выбором удачных объектов исследования крупных клеток и
среди них гигантского аксона кальмара. Диаметр аксона кальмара
достигает 0,5 мм, что в 100-1000 раз больше, чем диаметр аксонов
позвоночных животных, в том числе человека. Гигантские, в
сравнении с позвоночными, размеры аксона – этого проворного и
ловкого головоногого моллюска – имеют большое физиологическое
значение – обеспечивают быструю передачу нервного импульса по
нервному волокну.
Для биофизики гигантский аксон кальмара послужил
великолепным модельным объектом для изучения биопотенциалов. В
гигантский аксон кальмара можно ввести микроэлектрод, не нанеся
аксону значительных повреждений.
Стеклянный микроэлектрод представляет собой стеклянную
микропипетку с оттянутым очень тонким кончиком (рис. 1.13а).
Металлический электрод такой толщины пластичен и не может
проколоть клеточную мембрану, кроме того он поляризуется. Для
исключения поляризации электрода используются неполяризующиеся
электроды, например серебряная проволока, покрытая солью AgCl. В
раствор KCl или NaCl (желатинизированный агар-агаром),
заполняющий микроэлектрод (рис. 1.13б). Второй электрод – электрод
сравнения – располагается в растворе у наружной поверхности клетки
(рис. 1.13в).
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]