Мембранний транспорт.Іонні канали.Електрична активність клітин різного типу.

1.Мембранний транспорт 1.1 Пасивний транспорт. Проста дифузія. 1.2 Пасивний транспорт.Полегшена дифузія. 2. Іонні канали 2.1 Ліганд-залежні іонні канали. 2.2 Потенціалзалежний Na+-канал. 2.3 Потенціал-залежні калієві канали. 2.4 Са2+ - канали. 2.5 Хлорні канали. 3. Електрична активність клітин різного типу

1. Транспорт речовин через мембрани Біологічні мембрани виконують багато різноманітних функцій. Плазматична мембрана є механічним барєром, що відокремлює клітину від позаклітинного середовища, залучається у трансмембранні рухи речовин, здійснює рецепторну функцію, забезпечуючи надходження у клітину сигналів від гормонів, факторів росту та інших біологічно-активних сполук, бере участь у регуляції синтезу та ефектів циклічних нуклеотидів, здійснює міжклітинні взаємодії й є місцем заякорювання цитоскелету; плазматичні мембрани збудливих тканин сприяють поширенню процесів збудження. Спряжені мембрани, зокрема, мітохондріальні, є місцем генерування енергії; мембрани мікросомальної фракції залучаються у процеси детоксикації численних ендо- і екзогенних токсинів.

Плазматична мембрана, як і інші біологічні мембрани, є напівпроникною, тобто має неоднакову проникність для різних сполук. Гідрофобні сполуки, а також О2, СО2, N2 можуть вільно проходити крізь мембрану, у той час як заряджені іони взагалі не здатні її перетинати без використання спеціальних молекул- помічників. Малі і великі незаряджені полярні молекули (вода, сечовина, гліцерил та глюкоза і сахароза, відповідно), мають певні утруднення під час транспорту крізь мембрану, які більш виражені для великих молекул, і тому для більш ефективного переносу також потребують транспортних молекул. Завдяки існуванню специфічних транспортних систем плазматична мембрана є основною структурою, що забезпечує створення і підтримку концентраційного (табл. 1.1) й електрохімічного градієнтів і залучає клітину до обміну речовин.

ІониВнутрішньоклітин на концентрація Позаклітинна концентрація Na+5-15 мM145 мM K +140 мM5 mM Mg мM1-2 мM Ca М10-3 М H +8 x мM, pH = x мM, pH=7.4

Мембранні транспортні процеси, що відбуваються у клітині, можна віднести до одного з двох основних типів – пасивного або активного транспорту. Під час пасивного транспорту речовина переноситься за градієнтом концентрації без залучення енергії гідролізу АТФ. Пасивний транспорт, в свою чергу, може здійснюватися шляхом простої або полегшеної дифузії (в останньому випадку - за допомогою специфічного переносника, каналу чи іонофору). Під час активного транспорту рух речовини здійснюється проти концентраційного градієнта за рахунок енергії, що звільнюється при гідролізі АТФ.

Активний транспорт поділяють на первинно-активний (його опосередковують ферменти-АТФази, напр., Na+, К+-АТФаза, Са2+-АТФаза та ін. помпи (насоси), що переносять неорганічні іони, а також представники АВС-транспортерів, що здійснюють транслокацію органічних субстратів) і вторинно- активний транспорт (напр., Na+-залежний котранспорт глюкози (або амінокислот). Це так званий спряжений транспорт, або котранспорт, який здійснюється за рахунок енергії, зумовленої градієнтом інших іонів, в даному випадку – Na+). До активного транспорту також належать ендо- і екзоцитоз, які також є енергозалежними, переносять сполуки проти концентраційного градієнту, але, на відміну від вищенаведених прикладів, супроводжуються порушенням структурної цілісності мембран.

1.1 Пасивний транспорт. Проста дифузія Дифузійні процеси – це самовільне переміщення речовини за градієнтом концентрації внаслідок теплового руху молекул, яке приводить систему до стану рівноваги (рис. 3.1).

1.2 Пасивний транспорт.Полегшена дифузія Полегшена дифузія, порівняно із простою, є процесом більш специфічним і більш швидким; вона можлива за участю каналу (напр., канали для для іонів К+, Са2+, Mg2+), переносника (так звані пермеази (від permeate – проникність) – родина білків-переносників, які збільшують проникність мембрани для певних речовин;

2. Іонні канали За механізмом відкриття виділяють кілька типів мембранних каналів: ліганд-залежні – відкриваються після звязування із лігандом (ліганд може бути позаклітинним або внутрішньоклітинним, але не є іоном, який транспортується по каналу); потенціал-залежні – регулюються при деполяризації ПМ у клітинах, здатних до збудження (нейрони, мязові клітини); механочутливі - напр., відкриття механічними впливами звукових хвиль іонних каналів клітин внутрішнього вуха, що спричиняє виникнення нервового імпульсу, який надалі в мозку інтерпретується як звук світлочутливі (містяться на ПМ клітин сітківки ока).

2.1 Ліганд-залежні іонні канали

Внутрішньоклітинними лігандами найчастіше є фосфатні залишки, що приєднуються до ОН-груп серину, треоніну чи тирозину у складі поліпептидного ланцюга молекули каналу під впливом ферментів- протеїнкіназ у процесі фосфорилювання. Серин- треонінові протеїнкінази активуються через збільшення у цитозолі вторинних посередників, зокрема, цАМФ, цГМФ, іонів кальцію, тоді як тирозинові протеїнкінази стимулюються дією позаклітинних агентів (напр., рецептор до інсуліну) або внаслідок активації інших сигнальних шляхів клітини (напр., цитозольна тирозинова протеїнкіназа Src). Фосфорилювання регуляторних компонентів каналу також контролює тривалість його існування у відкритому стані.

2.2 Потенціалзалежний Na+-канал.

Відома низка сполук, здатних специфічно блокувати Na+-канали. Найвідомішими з таких речовин є тетродотоксин і сакситоксин. Тетродотоксин міститься у яєчниках, печінці, у шкірі риб родини Tetraodontidae (puffer fish), в організмі деяких видів тритонів (Taricha torosa), а сакситоксин - у клітинах деяких синьо-зелених водоростей (зокрема, в джгутикових Gonyaulax catanella), внаслідок чого їх надлишкова концентрація, небезпечна для людини, може створюватися в їстивних молюсках, а також за умов «цвітіння» водоростей. Ці блокатори Na+- каналів можуть спричинити асфіксію внаслідок блокування контролю дихання нервовою системою; за низьких їх доз виникає параліч. Рецептори до цих сполук розташовані біля зовнішнього вустя каналу.

Блокатори потенціалзалежних Na+-каналів Тетродотоксин

Сакситоцин

Активатори потенціалзалежних Na+-каналів Вератридин – алкалоїд стероїдної природи, міститься в рослинах родини лілейних (Veratrum album – чемериця біла)

Батрахотоксин - отрута секрету жаби Phyllobates аurotaenia

Токсини цигуатера продукуються джгутиковими Gamberdiscus, акумулюються в тілі коралових риб, з мясом яких потрапляють до шлунково-кишкового тракту людини.

Продуцент бревітоксину – дінофлагелят Gymnodinium brevis. Ця сполука також здатна накопичуватися в тілі коралових риб.

2.3 Потенціал-залежні калієві канали

Блокатори потенціалзалежних К+-каналів Фалоїдин (Amanita phalloides)

Апамін (Apis mellifera)

Агітоксин-2 (отрута жовтого скорпіону Leiurus quinquestriatus herbraeus)

2.4 Са2+ - канали За механізмом відкриття розрізняють потенціалзалежні й ліганд-залежні Са2+- канали. Потенціалзалежні Са2+-канали залежно від субодиничного складу, провідності, швидкості активації та інактивації, специфічних блокаторів, локалізації поділяються на кілька типів. Так, є два великі класи цих структур - HVA (high voltage activated – ті, що активуються за умов сильної деполяризації) та LVA (low voltage activated – ті, що активуються за умов слабкої деполяризації) Ca2+-канали. HVA Ca2+-канали, у свою чергу, поділяються на канали L, N, P/Q і R- типи, тоді як до LVA Ca2+-каналів належать лише канали T-типу

Конотоксини як блокатори іонних каналів. α-конотоксин інгібує нікотиновий ацетилхоліновий рецептор у нервовій і мязовій системі δ- конотоксин інгібує інактивацію напругозалежних натрієвих каналів

κ- конотоксин інгібує калієві канали μ- конотоксин інгібує напругозалежні натрієві канали у мязах ω- конотоксин інгібує N-тип напругозалежних кальцієвих каналів

2.5 Хлорні канали Біологічні мембрани різних типів клітин містять кілька видів каналів до іонів хлору, що різняться за локалізацією (ПМ, везикули), провідністю поодинокого каналу, механізмом відкриття, молекулярною структурою. На відміну від раніше розглянутих систем, ці структури можуть переносити інші аніони (напр., I- або NO3-), часом навіть краще, ніж власне Cl-, але називаються Cl- каналами, оскільки Cl- - найчисленніший аніон в організмі. Cl--канали у тканині скелетного мязу залучаються до стабілізації потенціалу спокою, а у гладеньких мязах відкриття Cl- каналів спричиняє деполяризацію ПМ. Найвідомішим блокатором хлорних каналів є хлоротоксин отрути скорпіону. Крім того, активність каналів може регулювати внутрішньоклітинна концентрація Cl-.

Біоелектричні потенціали (біоструми) - електричні явища, що спостерігаються у живих клітинах у спокої і при фізіологічній діяльності. Виникнення в живих клітинах електричних потенціалів і обумовлених ними біострумів пов'язано з фізико-хімічними властивостями клітинних мембран і компонентів цитоплазми (амінокислот, білків, іонів). Між зовнішньою поверхнею клітинної мембрани і внутрішнім вмістом клітини завжди існує різниця потенціалів, яка створюється в силу різної концентрації іонів К+, Na+, Cl - всередині і поза клітини і різної проникності для них клітинної мембрани. Ця різниця потенціалів називається «струмом спокою», або мембранним потенціалом, і становить в середньому мВ.цитоплазмипроникності 3. Електрична активність клітин різного типу

Дякую за увагу!!!

(3.7) (3.8) k-коефіцієнт розподілу, показує, яку частину концентрація всередині складає від концентрації ззовні. Тоді рівняння Фіка буде: (3.9) -коефіцієнт проникливості мембрани, маємо рівняння Коллендера-Берлунда: Ввівши (3.10)

Осмос – це дифузія молекул води через напівпроникну мембрану з області меншої концентрації розчиненої речовини в область більшої її концентрації. 2.2 Осмос. Сила, яка викликає рух молекул розчинника (води), називається осмотичним тиском. За законом Вант-Гоффа: (3.11) де і – ізотопічний коефіцієнт, який показує, у скільки разів збільшується кількість розчинених часток при дисоціації молекул в електролітах; для неелектролітів і = 1; С – концентрація розчиненої речовини; R – газова стала; T – абсолютна температура розчину.

Рівняння осмосу аналогічне рівнянню (3.4): (3.12) де - швидкість переносу води через площу S; р 1 і р 2 - осмотичні тиски розчинів по обидва боки мембрани; k - коефіцієнт проникності. Осмос відіграє значну роль в біологічних явищах. Наприклад, осмос зумовлює гемоліз еритроцитів у гіпотонічних розчинах. Вода доти проникає всередину клітини, доки гідростатичний тиск всередині клітини не зрівноважить осмотичний тиск. Внаслідок цього клітина набрякає, а мембрана розтягується. Дія деяких послаблюючи лікарських препаратів грунтується на осмосі води в область підвищеної концентрації цього препарату в шлунку

- градієнт тиску в напрямі переносу. Явище фільтрації відіграє важливу роль у переносі води через стінки кровоносних судин, тобто в процесах обміну водою між кров'ю і тканиною. Фільтрація плазми крові в ниркових нефронах приводить до утворення первинної сечі. При порушеннях об­міну фільтрація веде до набряків в тканинах. 2.3 Фільтрація. Фільтрація – це рух молекул води через пори у мембрані під дією градієнта статичного тиску. Швидкість фільтрації підлягає закону Пуазейля: ;,(3.13) де u – обєм фільтрованої води; t - час; x – гідравлічний опір пори радіусом R; h - вязкість води;

2.4 Дифузія іонів через мембрану На мембрані існує різниця потенціалів, так звані біологічні потенціали, а в самій мембранні - електричне поле. В загальному випадку перерос іонів через мембрану визна­чається двома факторами: нерівномірністю їх розпаду і дією електричного поля мембрани, тобто наявністю двох градієнтів - концентраційного і електричного. Підставимо (3.2) в (3.1) і маємо рівняння Нернста-Планка: (3.14) Іншу формулу рівняння Нернста-Планка можна одержати, якщо згадати співвідношення між коефіцієнтом дифузії D і абсолютного температурою: Оскільки можна вважати електричне поле в мембрані постійним, де φ м - різниця потенціалів на мембрані, - її товщина. Тоді: (3.15)

. Шляхом математичних перетворень, які ми тут, не приводимо, можна рівнянню (12) надати вигляду: Позначимо (3.16) - концентрації іонів всередині і ззовні клітини, Р - проникність мембрани для даного іона. Взаємодія мембранних структур з іоном буває різною, якщо пора в мембрані та іон одного заряду, то вони відштовхуються, а якщо різнойменного, то іон притягується в центр пори, потрапляє в потенціальну яму і перешкоджає пересуванню інших іонів. де Вибіркова проникність мембрани залежить від того, яка густина фіксованих зарядів одного знаку в порі. Якщо вона велика, то добре проникають іони протилежного знаку і погано однойменні. Іони H+ і OH- практично в клітину не проникають, оскільки вони адсорбуються поверхнею мембрани, заряджають її і відштовхують інші іони. Проникнення іонів з розчинів підлягає правилу: чим вищий ступень дисоціації, тим менша проникність іонів. Однобічна проникність електролітів та їх нагромадження в клітині зумовлені різницею між вмістом клітини і зовнішнім середовищем.

, і коефіцієнта дифузії речовини в воді D : 2.5 Полегшена дифузія. Дифузія речовини чераз пори (канали) також описується дифузійними рівняннями наявність каналів суттєво збільшує проникність мембрани, ефективний коефіцієнт проникнос­ті мембрани в цьому випадку задежить від числа каналів на 1см 2 площі мембрани n, радіуса канала r, його довжини (3.17) Ще одне "полегшення" дифузії зв'язане з молекулами- переносниками (Р). Механізм такої дифузії визначається дифузією через мембрану комплексу переносника з речовиною (Ax) в одному напря­мі і дифузією вільного переносника в протилежному напрямі. Аx - речовина зовнішнього середовища. При хімічній спорідненості А і Х утворюється комплекс АХ. Схема полегшеної дифузії показана на рис.3.5.

АХ А А А А А Х Х Х Х Х АХ мембрана Рис3.5.

З допомогою переносників транспортуються аміно- і органічні кислоти, моносахариди. Швидкість полегшеної дифузії в раз більша за швидкість звичайної дифузії. Висока здатність до переносу глюкози властива еритроцитам людини. Механізм дії оснований на здатності білка-переносника знаходитися в двох різних конформаційних (структурних) станах. В одному з них він селактивно зв'язує глюкозу, в другої - звільняє її з про­тилежної сторони мембрани. Другий приклад переносника в мембрані еритроцитів - це система транспорту аніонів хлориду Cl - i HCO 3 - бікарбоната, які забезпечують процеси газообміну в тканинах і легенях ( 80% складає плазми крові). Найбільша вивчена здатність молекули валіноміцина (антибіотик) переносить через модельні мембрани іони калію. За здатність переносити іони через мембрани валіноміцин і інші спорід­нені йому речовини отримали назву іонофорів. Одна молекула валіноміцина переносить через мембрану 10 тис. іонів в секунду.

Рис.3.6. Іонофори є двох видів: переносники і каналоформери. Валіноміцин - переносник. Молекули каналоформерів фіксовані поперек мембрани (рис.3.6). Речовина, яка переноситься, утворює з кож­ною фіксованою молекулою комплекс, який розпадається по черзі, поступово, як показано стрілками, молекула А проникає на протилежний бік мембрани.

2.6 Активний транспорт. Тепер можна впевнено сказати, що механізми активного транспорту іонів локалізовані в мембрані, оскіль­ки перенесення іонів можна спостерігати на препаратах, в яких немає аксоплазми, але зберігається неушкодженою мембрана. Безсумнівно, що в транспорті іонів беруть участь компоненти мембрани і насамперед фермент Na+, K+ АТФ-аза є основною структурою транспортного механізму, який дістав назву натрій-калієвої помпи і здійснює нагромадження в клітині калію і виведення з клітини натрію.

Рис.3.7 К 3 + Na +, K + - АТФ-аза - це великий мембранний комплекс з складною структурою. Її молекула складається з двох субодиниць - великої, a-ліпопротеїда і меншої, b - глікопротеїда. a - поліпептид виявляє каталітичну активність і може фосфоризуватися в b - глікопротеїд не здатний каталізувати гідроліз АТФ, але виявляє Na - специфічну іонофоретичну активність. Являючись інтегральним мембранним білком Na +, K + АТФ-аза пронизує мембрану наскрізь і тому частини молекули виступають як в середину клітини ( a одиниця), так і за межі клітини ( b - од.) Активний центр молекули, відповідальний за гідроліз АТФ, повернутий всередину клітини і локалізований на a - поліпептидові(рис.3.7.). присутності АТФ.

L + Na + цитоплазма Рис.3.8. Кількісні взаємовідношення в АТФ-азній реакції такі: при розщепленні однієї молекули АТФ в зовнішнє середовище переноситься три іона Na +, а в цитоплазму поступає два іона K +. АТФ: Na + : K + = 1:2:3 Отже клітину покидає більше позитивно заряджених частинок, аніж акумулюється в ній. Це створює надлишковий від'ємний заряд всередині клітини і мембранний потенціал на її поверхні. Міжклітинне середовище Хоча конкретні механізми активного транспорту ще точно невідомі, запропоновано багато гіпотез, які пояснюють його. Частина гіпотез грунтується на уявленнях про участь в транспорті спеціальних переносників.

Згідно з однією з таких гіпотез Na + переноситься з переносником Y. На зовнішній поверхні мембрани переносник Y спонтанно перетворюється в переносник X, здатний зв'язувати тут іони K +. Калій переноситься на внутрішню поверхню мембрани, вивільняється тут, а переносник X перетворюється в переносник Y. На це перетворення витрачається енергій метаболізму( ).).

Сучасні уявлення про механізм дії натрій-калієвої помпи будуються на уявленнях про те, що білки які її утворюють можуть знаходитися в двох різних конформаційних станах. В першій конформації білок зв'язує три іони Na+ тобто виступає в ролі пе­реносника Y в другій - два іони K+,що відповідає переноснику X. Не треба думати, що в клітині все відбувається саме так. Ця схема одна із спроб наочно подати роботу натрій -калієвої помпи. Ще не встановлено точно природу носіїв проте висловлюються припущення, що комплекс АТФ-аза може виконувати функції справжнього носія. Деякі вчені розглядають функції натрієвої помпи значно ширше. Так, з активним перенесенням може бути пов'язаний транспорт інших речовин. Цей погляд висувають на противагу, традиційному, згідно з яким, скільки речовин транспортується, стільки є транспортних механізмів. Транспорт двох частинок в одному напрямі називають симпортом, а в протилежному напрямку - антипортом.