Транспорт на вещества през биологични мембрани

Въпроси да се подготвят за този клас:

1. Структура, физико-химични свойства и функции на биологични мембрани.

2. биофизични механизми за предаване трансмембранен маса. Особено се транспортира през клетъчните мембрани на хидрофобни и хидрофилни вещества.

3. Безплатно разпространение.

4. улеснена дифузия и нейните отличителни свойства.

Ролята на транспортери и канали в пасивно транспортиране на хидрофилни вещества през биологична мембрана.

5. Активни вещества транспорт. Компоненти и свойства на активни транспортни системи.

Калиев-натриев помпа като пример за активна транспортна система.

Всички клетки са обградени от мембрани, в допълнение, в много от тях (особено в еукариотна) има широка вътрешна мрежа мембранни системи. Разграничаване външната клетъчна мембрана (плазмалемата или плазмена мембрана) и вътрешната мембрана като ядрената мембрана, мембраната на миелинови мембрани, митохондриите, ендоплазмения ретикулум и т.н. Основните функции, които изпълняват различни мембрана - бариера, матрицата, механични, биоелектрична, рецептора.

Структурата на биологични мембрани са основно фосфолипиди и протеини, тегловното съотношение на които варира в различни типове мембрани в доста широк диапазон. Фосфолипидите - основният компонент на мембрана липидни фракции - са амфипатични съединения т.е. съединения, които имат в състава на две функционално обособени части - полярен хидрофилна глава и хидрофобна опашка. Както полярната глава се простира остатък фосфорна киселина и асоциираните радикал, който може да бъде от различен характер. Най-често тези радикали са холин, етаноламин, серин, треонин, глицерол, инозин и олигозахариди. Както хидрофоб действа мастни киселинни остатъци (стеаринова, палмитинова, олеинова, линолова, и т.н.), които представляват естер с глицерол. Водните разтвори се събират в комплекс фосфолипид двуслойна структура, която е една от разновидностите на течни кристали. Този двоен слой, който е в основата на всяка биологична мембрана, полярни глави, насочени навън и опашките на мастни киселини се потапят в дебелината на мембраната. Дебелината на мембраната е средно 7-10 пМ.

няколко структурни модели са предложени биологични мембрани, най-подходящата се счита за течност мозайка. Според този модел, мембраната - се движи мозайка, образуван от фосфолипиди, в които протеините са потопени и в която те обезпечени цитоскелета. Тези протеини са посочени интегрални мембранни протеини. Някои от тях прониква през мембраната, често много интегрални протеини са комбинирани в единици. Този модел също така се предвижда, че фосфолипидни молекули са достатъчни, за да се движат свободно в равнината на мембраната. Това движение се нарича странично разпространение. В този случай, движението на молекули от един слой към друг е доста рядко явление.

Тъй като мембраната разделя съдържанието вътрешните клетки от външната среда, той има външна и вътрешна страна, и поради това може да се говори за присъствието на мембрана асиметрия. В структурата на асиметрия, а разликата е свързана функции, осъществявани протеини на външната и вътрешната повърхност на мембраната.

Основните функции на мембранни протеини: първо, те действат като структурен компонент, че повишаване на силата на липидната скелет. Второ, има протеините, които образуват така наречените мембранни канали за транспорт в клетката на необходимите вещества и протеини, които играят ролята на носители. Трето, в мембранните интегрирани протеини, ензими и протеин рецептори.

Твърдостта и пропускливостта на мембраната зависи от вида на мастните киселини, влизащи в състава на фосфолипиди. Колкото по-мембрана ненаситени мастни киселини, долната си твърдост и висока проницаемост. Един от липид мембраната е холестерол. Мембраните, съдържащи увеличено количество на холестерол, се характеризират с висока твърдост и ниска пропускливост.

Концепцията за транспорт на вещества през биологична мембрана комбинира механизмите на пристигането на клетки и освобождаването от клетките на различни вещества. В този случай, има два основни видове транспорт, а именно пасивни и активни. Пасивни транспорт на вещества, наречени зоната на прехвърляне с висока концентрация на ниска концентрация. За извършване на работата по прехвърлянето в този случай, прекарано свободно енергия, свързани с разпределението на неравновесна на материала в системата. Ако веществото се осъществява от електрически заряд, е необходимо да се вземат предвид потенциалната енергия в електрическо поле.

Движещата сила за прехвърлянето на йон е генерализирано градиент която е сумата от концентрацията и електрически. За прехвърляне на водата през клетъчната мембрана са също значително градиенти осмотичното и хидростатичното налягане. Резултатът от пасивен транспорт е да изравни концентрации. Трансферът на маса появяваща се като резултат от кумулативното действие на осмотични градиенти и филтриране, се нарича конвективния поток. Това трансмембранния поток на вода с разтворени вещества. Конвективния поток позволява на метаболизма в капилярите между кръвта и междуклетъчната течност, формирането на основната урина и други. Пасивен механизъм транспорт включва три основни преминаване на вещества през мембраната. Това е, на първо място, дифузия на липидни разтворими вещества през фазата на липид, и второ, дифузия през специални канали (пори) и така наречените улеснена дифузия - прехвърлянето на йони през мембраната специфични векторни молекули.

Активен транспорт, наречена материал за преместване в посока, обратна на тази, определена от термодинамична конюгиране всички градиенти. Този процес изисква изразходването на свобода енергия се съхранява в ATP молекули. Active транспортна система се нарича още биологична помпата.

Дифузията нарича взаимното проникване на вещества в контакт един с друг, поради топлинна движение на частичковия материал. Дифузията на веществата се извършва в посока на намаляване на концентрацията и води до неговото еднакво разпределение на заетия обем. Плътността на разпръскване на вещества J в Х-оста поток е пропорционален на концентрационен градиент DC / DX, закона на Фик е: J = -DdC / DX. й индукция вещество = (DM / DT) / S, С - концентрацията вещество. Коефициент на пропорционалност D се нарича коефициент на дифузия. За изчисляване на плътността вещества преминават през биомембранни време дифузия уравнение се използва също: J = - Dk (Ci - Сб) / л = Dk (Сб - С) / л и J = P (Сб - С), където С и се е концентрацията на частици до клетъчната мембрана на клетките вътре и извън съответно л - дебелината на мембраната. Съотношението Р = Dk / л нарича коефициент пропускливост, К - коефициент на разпределение на веществото между между липид и водна фаза.

Протича през биомембрани са не само електрически неутрални съединения, но също така да йони, по-специално натриеви и калиеви катиони. В процеса на зарежда прехвърляне на частиците е значително засегнат от присъствието на електрическото поле в мембраната поради потенциалната разлика между рамките и извънклетъчна среда. Това означава, че транспортирането на йони се определя главно от две градиенти - градиент концентрация и градиент на потенциала.

В присъствието на двете градиенти йонни процес дифузия е описано от Нернст уравнение electrodiffusion-Планк: J = - DdC / DX - SuzFd / DX, където U - подвижност на частиците, Z - валентните частици, F - Фарадей константа, φ - електрически потенциал.

Начини и средства за преминаване на вещества през биологична мембрана в зависимост от химичната природа и молекулен размер. мастноразтворими вещество в състояние да прониква през слой bilipidny просто разтваряне и дифузия в него. Хидрофилни вещества преминават през специални канали или чрез вектор молекули. Каналите са оформени чрез разширяване на влакна в мембраната, през която може да мине хидратирани йони. Те са специфични за преминаването на йони. транспортната скорост на материала през канала с 5-6 порядъка по-бавно от нормалното в резултат на дифузия на същото вещество във воден разтвор, но е 100-1000 пъти по-висока, отколкото с носител транспорт. Важно е да се отбележи, че транспортирането на йони през каналите регулирани от уравнения на проникване и не се нуждае от ATP енергия.

Улеснена дифузия видове, наречени пасивен транспорт на вещества през мембраната, което се случва в същата посока като свободна дифузия, но чрез специални носещи протеини. Улеснена дифузия осигурява значително по-висока скорост на трансфер на маса, отколкото на свободното разпространение, но за разлика от него се изисква ATP енергия. Тази енергия се използва за създаване и поддържане на благоприятни градиенти, наличието на които, в действителност, може да бъде улеснена дифузия. Улеснен процес дифузия е описан от уравнението на Michaelis-Menten: J. В това уравнение, J - вещество поток през мембраната, J m - максимална стойност, Се - концентрация на дифузия на веществото клетки, К - постоянни определяне на способността на веществото да влезе в клетката (стойността на 1 / K определя афинитет транспортер на веществото да бъдат прехвърлени). Тази константа е числено равно на концентрацията на веществото клетки Ce в който поток е равно на половината от максималната плътност, т.е. J = 0,5jm. От тази формула следва, че стойностите на концентрация на веществото е клетки Се, много по-малки стойности на К (Сб <> K, то достигне максималната си стойност и не се променя с растежа на повече от Ce.

Преместването срещу действието на вещество физикохимични градиенти е съществена разлика активен транспорт на масов трансфер в пасивни транспортни процеси, описани по-горе. Очевидно е, че такова прехвърляне е възможно поради термодинамичната сдвояването на биологични процеси в клетката. Отбележете, че в сам човек  (30  40)% от енергията, получена по време на метаболитните процеси, изразходвани за активен транспорт, т.е. за да се поддържа концентрация и електрически градиенти на клетъчните мембрани. Потреблението на енергия в активния транспорт  мола вещество може да бъде определена чрез промяната в електрохимичния потенциал на прехвърлените йони: W = RTlnC2 / С1 + ZFΔφ.

Характерна особеност на активния транспорт е специфичност. Всяка от активни транспортни системи осигуряват само прехвърлянето през мембраната на веществото (или групи от вещества) и няма други транспорт. Въпреки това е възможно конюгиране активен транспорт на вещества с друга пасивна транспорт (Na + - глюкоза).

По този начин, основните компоненти на активен транспорт на вещества чрез системи мембранни са: източник на енергия - АТР, специфичен транспортер - молекула, протеин, част от мембраната, свързване фактор работа носител към източник на захранване (ензим - ATPase).

Известно е, че за нормални клетки е необходимо да се поддържа определена концентрация градиент на калий и натрий между клетката и външната среда. А именно, концентрацията на калий в клетките е по-висока, отколкото извън него. Така клетка натриев концентрация е по-висока, отколкото вътре. Калиев наречената натриев система помпа, която непрекъснато извършва калиев транспорт в клетката и премахване на натриев от него, т.е. Тя поддържа концентрация градиенти на тези катиони в клетъчната мембрана, противодействие на изравняване на концентрация чрез пасивна транспорт.

При промяна на концентрацията на калиеви или натриеви йони в цитоплазмата в неблагоприятна посока (т.е., с увеличаване на концентрацията на натриев или калиев намалява концентрация) се активира калиев-натриев-зависима ATPase (наречен по друг начин натриев калиев-ATPase). Този ензим е намерена в плазмената мембрана.

Освен това, активиран ATPase катализира разцепването на АТР фосфатна група HPO3, който е прикрепен към транспортьора, чиято роля в тази система изпълнява много АТРаза. С други думи, ATPase фосфорилиран.

Фосфорилираният ATF-аза придобива афинитет към натриеви йони, и свързва три Na + йони от цитоплазмата. Свързването на тези йони води до промяна в конформацията на ензима и неговата ориентация в мембраната, при което групата фосфат с натриеви йони е от външната страна на мембраната. За отделяне на Na + йони от носителя изисква разход на енергия. Тази енергия се получава чрез прехвърляне на фосфатна група от АТР-аза до молекула на вода (HPO3 + H2O = Н3РО4). освободените натриеви йони преминават в извънклетъчната среда.

Дефосфорилиран вектор придобива афинитет калиеви йони и свързва два К + йон. Това свързване предизвиква промяна в конформацията на носителя и следващата промяна на ориентацията на мембраната, при което калиеви йони свързан ензим се прехвърля към повърхността на вътрешната мембрана, т.е. вътре в клетката. След това започва нов цикъл.

По този начин, три помпи Na + йони от клетката към външната страна и два външни К + йони в клетката на цикъл на калиев-натриев помпа. То изисква енергия на една молекула АТФ. Имайте предвид, че калий-натрий помпа е с много висока ефективност.

Повече за различните работата

Обобщение на различен