Методички по Биологии / Методички и лекции Гарбуз 2012-2013 уч.год / Трансмембранный перенос

Пример лекции

ЛЕКЦИЯ

Тема: ТРАНСМЕМБРАННЫЙ ПЕРЕНОС

План лекции

1. Понятие о полярных и неполярных веществах.

2. Виды трансмембранного переноса.

3. Типы каналов трансмембранного переноса.

4. Понятие об эндоцитозе.

1. Понятие о полярных и неполярных веществах.

Трансмембранная избирательная проницаемость поддерживает клеточный гомеостаз, оптимальное содержание в клетке ионов, воды, ферментов и субстратов. Пути реализации избирательной проницаемости мембран: пассивный транспорт, катализируемый транспорт (о6легченная диффузия), активный транспорт. Гидрофобный характер сердцевины бислоя определяет возможность (или невозможность) непосредственного проникновения через мембрану различных с физико-химической точки зрения веществ (в первую очередь, полярных и неполярных).

Неполярные вещества (например, холестерин и его производные) свободно проникают через биологические мембраны. По этой причине эндоцитоз и экзоцитоз полярных соединений (например, пептидных гормонов) происходят при помощи мембранных пузырьков, а секреция стероидных гормонов - без участия таких пузырьков. По этой же причине рецепторы неполярных молекул (например, стероидных гормонов) расположены внутри клетки.

Полярные вещества (например, белки и ионы) не могут проникать через биологические мембраны. Именно поэтому рецепторы полярных молекул (например, пептидных гормонов) встроены в плазматическую мембрану, а передачу сигнала к другим клеточным компартментам осуществляют вторые посредники. По этой же причине трансмембранный перенос полярных соединений осуществляют специальные системы, встроенные в биологические мембраны.

Избирательную про­ницаемость обеспечивает клеточная мембрана; рецепторную функцию реализуют гликопротеиды, углеводные части которых расположены в гликокаликсе; сохранение формы и подвижность обеспечивают фиб­риллярные и тубулярные белки в подмембранном слое и т.д.

2. Виды трансмембранного переноса.

Пассивный транспорт (путем простой диффузии) - вид транспорта, в основе которого лежит перенос веществ через плазмолемму по концентрацион­ному градиенту без использования специальных молекул и затрат энергии. Примером простой диффузии является транспорт газов (ки­слород, СО₂) через бислой липидов.

Однако перенос через плазмолемму большинства веществ опреде­ляется наличием специализированных белковых комплексов — перенос­чиков, каналов, насосов, рецепторов.

Катализируемый транспорт. Осуществляется с помощью белков-переносчиков (полуинтегральные белки-мембраны). Белок-переносчик с третичной структурой (Х) имеет акцепторную зону, с помощью которой он присоединяет (акцептирует крупные молекулы – глюкозу, аминокислоты). Меняя третичную структуру (на У) белок-переносчик может проходить гидрофобную серцевину липидного бислоя и переносить крупные молекулы в клетку. Вернувшись после открепления крупной молекулы белок, опять принимает структуру (Х) с акцепторной зоной.

Перенос через плазмолемму большинства веществ определяется наличием специализированных белковых комплексов, каналов, насосов, рецепторов.

Например, транспорт воды осу­ществляется с помощью специальных каналов — аквапоринов.

3. Типы каналов трансмембранного переноса.

Активный транспорт ионов Nа⁺ обеспечивается с помощью ионных каналов и насосов — например, Na⁺, К⁺- АТФазой. Ионные насосы специализированы (для натрия, кальция, магния, ионов водорода). Они представляют комплекс белков-каналоформеров, связанных с ферментом — АТФазой, расщепляющей молекулы АТФ с освобождением энергии, — для тран­спорта ионов против электрохимического градиента.

Известны классические работы по проводимости нервного импульса по аксону кальмара. В мембране аксона находятся селективные и неселективные, Na⁺, К⁺- насосы.

Селективный канал - обладает воротным механизмом и вследствие этого избирательностью. Воротный механизм представлен комплексом белков-ферментов Na⁺, К⁺- АТФаз, которые расщепляют молекулы АТФ, поставляемые аксональными митохондриями.

Неселективный канал - не обладает воротным механизмом, избирательностью и всегда открыт – канал «ионной утечки».

В отсутствие возбуждения через Na⁺, К⁺- каналы мембраны аксона происходит закачивание и откачивание ионов против градиента концентрации, При расщеплении одной молекулы АТФ ферментами Na⁺, К⁺- АТФазой в аксон закачивается две иона К⁺- и выкачивается 3 иона Na⁺. Работа насосов идет до тех пор пока не будет достигнут крутой градиент концентрации: ионов К⁺- в аксоне будет в 30 раз больше чем снаружи, а ионов Na⁺ снаружи в 10 раз больше чем в аксоне.

После этого начнется ионная утечка и содержимое аксона станет отрицательным со значением -60 мВ – это мембранный потенциал покоя – МПП.

При прохождении нервного импульса, который имеет точковый характер, мембрана в этом месте деполиризируется, и на 0,001 сек. открывается «натриевая дверца». Ионы Na⁺ устремляются внутрь аксона и МПП (– 60 мВ) падает до 0 и ниже – до + 50 мВ – это мембранный потенциал действия – МПД.

От + 50 мВ через внешнюю среду, омывающую аксон, к – 60 мВ, рядом расположенного участка мембраны проходит электрический разряд (как в гальвано-элементе) и -60 мВ (МПП) рядом расположенного участка деполиризируется и создается МПД - +50 мВ. Таким образом, нервный потенциал, идущий по аксону, генерирует сам себя.

4. Понятие об эндоцитозе.

Эндоцитоз зачастую происходит с участием рецепторов, распознающих природу транспортируемых веществ. В осуществлении эндоцитоза принимают участие все три слоя плазмолеммы:

1. Рецепторы надмембранного слоя;

2. Структурные белки и ферменты мембраны;

3. Микрофиламенты подмембранного слоя, меняю­щие конфигурацию плазмолеммы.

В процессе эндоцитоза образуются окаймленные пузырьки, поверхность которых окружена белком клатрином. Эти пузырьки, или эндосомы, транспортируются к определенным компартментам клетки, что определяет сортировку и дальнейшую судьбу. Поглощенные субстраты поступают в лизосомы, а рецепторы — возвращаются к плазмолемме (рециркуляция рецепторов).

Важнейшей функцией плазмолеммы является рецепторная. С по­мощью рецепторов клетка «узнает» об изменениях внешней и внутрен­ней среды, адаптируется к ним. На поверхности клетки есть рецепторы к нейромедиаторам, гормонам, локальным факторам регуляции, суб­стратам, другим клеткам, антигенам и иммуноглобулинам. Благодаря рецепторам клетки находятся под контролем регулирующих систем организма. Активация рецепторов ведет к изменению метаболизма и функциональной активности клеток, регулирует деление (пролифера­цию) и созревание (дифференцировку) клеток, их выживание или ги­бель. Понимание механизмов работы рецепторов и передачи (трансдукции) сигнала внутрь клетки лежит в основе управления работой клетки.

В зависимости от принципов работы все рецепторы принято разде­лять на следующие типы:

1) рецепторы канального типа (рецептор+ионный канал). Связь ли-ганда (например, ацетилхолина) с таким рецептором ведет к открытию ионного канала. Вход ионов вызывает деполяризацию плазмолеммы и формирование потенциала действия, фосфорилирование белков цито­плазмы и включение ответа клетки на стимул. Примером такого вида рецепторов могут быть N-холинорецепторы;

2) рецепторы метаболического типа — рецептор+фермент (тиро-зинкиназа). Данный тип рецепторов характерен для инсулина и многих факторов роста. Связь инсулина с рецептором ведет к активации тиро-зинкиназы, фосфорилированию белков, изменению функционального состояния клетки;

3) рецепторы, ассоциированные с G-белками. Большинство регуля­торов (медиаторы, гормоны) связывается с рецепторами, ассоцииро­ванными с G-белком. Это ведет к активации G-белка, стимулирующего аденилатциклазу. Последняя катализирует образование циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) из АТФ. цАМФ модулирует внутри­клеточные ферменты, транспортные процессы и обмен веществ.

В любом случае передача сигнала с рецептора внутрь клетки обес­печивается с помощью сигнальной системы, участниками которой яв­ляются вторичные посредники (мессенджеры) и трансдукторы. В об­щем сигнальная система включает:

СИГНАЛ→	РЕЦЕПТОР→	Вторичные посредники →	Трансдук-торы→	Эффекторные молекулы→	ОТВЕТ
Изменение параметров внеклеточ- ной среды. Регуляторы	Мембранные немембранные	цАМФ, цГМФ, диацилглицерол, инозитол-3-фосфат, Са2+	Протеинкиназы А, С, G. Фосфаты	ДНК, белки-ферменты, транспортеры, цитоскелет	Изменение деления, роста, миграции, дифференцировки, функциональной активности, мембранного потенциала

Количество рецепторов на поверхности клетки может меняться. Это происходит вследствие латеральной под­вижности, синтеза и встраивания рецепторов в плазмолемму de novo, интернализации рецепторов после связывания с лигандом.

В плазмолемме клеток расположены антигенные детерминанты: определяющие, например, группы крови (резус-фактор), которые формируют своеобразный «паспорт». Данный феномен связан с наличием в плазмолемме рецепторов гистосовместимости (МНС) I и II класса, роль которых заключается в поддержании иммуно­логического гомеостаза организма, распознавании антигенов, реализа­ции иммунных реакций.

В клинической практике анализ антигенных детерминант лежит в основе иммунотипирования в трансплантоло­гии — с целью подбора донорских органов для разных реципиентов.

5