Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
БИОФИЗИКА_вся метод_08_03_2004_3.doc
Скачиваний:
36
Добавлен:
18.11.2019
Размер:
2.82 Mб
Скачать

1.4.1.2.Эстафетный перенос

Э стафетный перенос при обменной диффузии осуществляется с помощью двух или нескольких носителей через мембрану частицы. При этом частица последовательно передается в мембране от одного носителя к другому. Примером эстафетного переноса может служить движение через мембрану ионов натрия Na+ с помощью антибиотика грамицидина. Грамицидин, создающий в мембране полуканал, захватывает ион натрия на наружной стороне мембраны.

Диффундируя вдоль мембраны, молекула грамицидина встречается с другой молекулой грамицидина, находящейся на внутренней стороне мембраны, и передает ей ион натрия. Молекулы грамицидина образуют временную цепочку поперек мембраны и «по эстафете» передают ионы Na+ от одной молекулы переносчика к другой. Затем ион натрия выбрасывается внутрь клетки. Так как грамицидин фактически увеличивает проницаемость мембраны для ионов Na+, т.е. нарушает нормальное функционирование клетки, он используется в виде мази как контрацептив, блокирующий функционирование сперматозоидов и яйцеклеток. Вещества, облегчающие перенос ионов через мембрану, называются ионофорами (нонактин, валиномицин, грамицидин, монактин и т.д.).

Одна из главных особенностей пассивного транспорта - его избирательность. Существуют переносчики для D-глюкозы, но нет переносчиков для L-глюкозы. В случае простой диффузии избирательность определяется сродством переносимой частицы к гидрофильной голове фосфолипида.

1.4.1.3. Перенос ионов через каналы биомембран

Этот вид переноса характерен в первую очередь для возбудимых (нервных и мышечных) клеток. Каналы обычно предназначены для создания интенсивных потоков определенных видов ионов, если на мембране существует градиент их концентрации. Именно поэтому каждому виду канала должен соответствовать ионный насос, создающий этот градиент (см. раздел 1.5. - активный транспорт).

И онные каналы (рис.5) - это мембранные структуры, представляющие собой интегральные белки (гликопротеины).

Рис.5. Схематическое изображение ионного канала (по B. Hille, 1992).

Канал изображен в виде расположенной в мембране макромолекулы со сквозной полостью посередине. Часть молекулы, обращенная в наружный раствор, несет гликозидные группы. Представления о функциональных участках канала - селективном фильтре, воротах и сенсоре напряжения - основаны преимущественно на методе фиксации напряжения и дополнены данными структурных исследований.

Ионные каналы пронизывают липидный слой и способны при адекватных внешних воздействиях (изменение потенциала на мембране, действие гормона или медиатора) избирательно менять проницаемость мембраны для определенных ионов (Na+, K+, Ca+2, Cl-). Например, (рис.6) в покое (мембрана не деполяризована, см. раздел 2.3). Натриевый канал не пропускает ионы Na+, поскольку закрыты -ворота ( - и -ворота - э то потенциалзависимые субъединицы белка-канала).

Г

Рис.6

Основные состояния Na+-каналов (положение - и -ворот от величины мембранного потенциала)

А. Закрытое состояние ( -ворота закрыты, -ворота открыты)

Б. Активное состояние ( -ворота открыты, -ворота открыты. Селективный фактор для Na+)

В. Инактивное состояние ( -ворота открыты, -ворота закрыты).

Г . Возврат в исходное состояние.

При деполяризации -ворота открываются, и канал активируется, т.е. начинает пропускать ионы Na+. Из-за этого -ворота называют также активационными. В открытом состоянии проводимость канала в значительной степени определяется его селективным фильтром, который не пропускает анионы и гораздо более свободно пропускает Na+, чем K+ или Ca+2. При более длительной деполяризации закрываются -ворота (инактивационные), расположенные у внутренней стороны мембраны, и канал инактивируется. Реполяризация до уровня потенциала покоя вновь приводит к открытию -ворот и закрытию -ворот. В этом состоянии канал можно вновь активировать деполяризующим стимулом (см. раздел 2.4.)

В основе многих физиологических процессов (передача электрических и химических сигналов, мышечное сокращение, секреторный процесс и т.д. ) лежит прежде всего работа ионных каналов. Их характеристики могут изменять некоторые фармакологические препараты и яды. Существуют блокаторы ионных каналов, например, лекарственные вещества, антагонисты кальция (верапамил, нифедипин и др.) они временно блокируют ионные каналы, снижая мышечный тонус сосудов. Есть лекарственные вещества, временно блокирующие натриевые каналы, например, анестетик - лидокаин, новокаин. Они снижают местную чувствительность, устраняют чувство боли. Необратимо блокируют ионные каналы такие паралитические яды, как тетродоксин, вырабатываемый рыбой Spheroidus rubrides (фугу) или сакситоксин, продуцируемый некоторыми планктонами. Сильный блокирующий эффект калиевых ионных каналов оказывает тетраэтиламмоний. Существуют также активаторы, открывающие ионные каналы, например, лекарственный препарат миноксидил, активирует калиевые каналы.

Каналам биомембран свойственна характерная избирательность для ионов (селективность), а также способность открываться и закрываться при различных воздействиях на мембрану (воротная функция). Переходы каналов из открытого состояния в закрытое (воротный механизм) могут быть обусловлены изменениями мембранного потенциала, взаимодействием с определенными химическими веществами, специфическим фосфорилированием каналов. Воротный механизм каналов управляется сенсором внешнего стимула. В зависимости от локализации сенсора каналы разделяются на две группы.

К

А. Состояние канала до взаимодействия с первичным посредником.

Б. Состояние канала во время действия первичного посредника (сигнала) на рецептор канала.

1 - первичный посредник (cигнал),

2 - белок-рецептор сигнала,

3 - ворота,

4 - транспортируемое вещество (например, ионы Na+)

первой группе относятся каналы (рис. 7), имеющие собственный сенсор (входящий в состав макромолекулы) внешнего сигнала.

Рис. 7. Схема работы ионных каналов I типа, имеющего собственный сенсор для внешнего сигнала.

Внешний стимул влияет непосредственно на макромолекулу канала. Эта группа включает два больших семейства ионных каналов: потенциал - и лигандзависимые.

Потенциалзависимые каналы (Na+, K+, Ca+2-каналы) открываются и закрываются при изменении электрического потенциала на мембране.

Лигандзависимые ионные каналы обеспечивают быструю передачу сигналов между клетками, например, в химических синапсах. Эти каналы открываются при связывании с рецептором ряда биологически активных веществ, таких как ацетилхолин, глутамат,

-аминомасляная кислота.

В

А. Состояние канала (3) до взаимодействия с первичным сигналом (1).

Б. Состояние канала в момент действия первичного сигнала (1) на сенсор и действия вторичного сигнала на этот канал.

1- первичный посредник (сигнал),

2- рецептор первичного сигнала

(сенсор),

3- ионный канал,

4- ворота,

5-вторичный посредник (химический сигнал),

6-субъединица канала - сенсор взаимодействия с химическим сигналом,

7 - транспортирующее вещество.

каналах второй группы (рис.8) сенсор внешнего сигнала (рецептор первичного посредника) пространственно разобщен с каналом.

Рис.8. Схема работы ионного канала II типа, имеющего внешний сенсор от него, и поэтому канал опосредованно управляется вторичным посредником (химическим сигналом).

Взаимодействие сенсора и канала осуществляется с помощью растворимых внутриклеточных вторичных посредников. Это рецепторзависимые ионные каналы, каналы, опосредованно управляемые химическими сигналами. К ним относятся также каналы, управляемые G -белками, которые активируются при связывании лиганда с рецептором.

Кроме вышеописанных каналов в мембране находятся неспецифические каналы для пассивного транспорта ионов (в первую очередь для ионов калия). Эти каналы не имеют воротных механизмов, всегда открыты и почти не меняют свое состояние при электрических воздействиях на мембрану.