Возможные механизмы прохождения ионов через мембраны клеток. Основные подходы для описания транспорта ионов. Структура ионных каналов
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Существует несколько возможных механизмов прохождения ионов через мембрану:

1. Растворение иона в липидной фазе мембраны, диффузия и последующий переход из мембраны в раствор;

2. Движение по ионным каналам, являющимся структурными компонентами мембран;

3. Транспорт с участием переносчиков.

Основные свойства ионных каналов:

1). Селективность.

2). Независимость работы отдельных каналов.

3). Дискретный характер проводимости.

4). Зависимость параметров каналов от мембранного потенциала.

Мембранные каналы делят на потенциалзависимые и потенциалнезависимые. К потенциалзависимым можно отнести хемочувствительные и механосенситивные. Хемочувствительные каналы открываются и закрываются под влиянием биологически активных молекул разного происхождения. Механосенситивные каналы служат для преобразования механических сигналов в электрические. Потенциалзависимые каналы открываются под влиянием изменения потенциала мембраны. Примером таких каналов являются Na- и K-каналы. В узких каналах (натриевый, калиевый) невозможна независимая диффузия, а допустимо только однородное движение ионов.Na-канал образован гликопротеином, состоящим из нескольких субъединиц, которые формируют в толще мембраны канал. Таким образом, ионные каналы представляют собой макромолекулярные комплексы, которые образуют сквозные гидрофильные поры в липидном матриксе и способны регулировать транспорт ионов через мембрану.

Na-канал имеет селективный фильтр и воротное устройство. Селективный фильтр располагается вблизи поверхности мембраны, и в основе его функционирования лежит принцип стерического соответствия. Назначение фильтра заключается в том, чтобы не пропускать в канал и из канала ионы большего и меньшего размеров. Вблизи внутренней поверхности мембраны располагается воротное устройство, которое управляется трансмембранным электрическим полем.

Предполагается существование двух возможных механизмов влияния внутримембранного поля на воротное устройство:

1) Поле действует на диффундирующие ионы, которые затем действуют на компоненты мембраны;

2) Поле действует на компоненты мембраны.

В настоящее время все более склоняются к точке зрения, согласно которой, электрическое поле действует на какие-то компоненты канала, находящиеся внутри мембраны.

Для прохождения по каналам через липидный бислой ионы должны обладать достаточным запасом кинетической энергии для преодоления энергетических барьеров. Первый барьер состоит в том, что прежде чем войти в канал, ионы должны освободиться от гидратной оболочки, что требует определённых затрат энергии. Второй энергетический барьер обусловлен наличием заряженных полярных групп белков стенок поры. При прохождении через такую пору молекулам необходимо преодолеть электрическое взаимодействие между своими заряженными группами и заряженными группами поры.

Особенно большой энергетический барьер преодолевают ионы в момент проникновения через мембранную часть канала. Это обусловлено значительным электрическим взаимодействием ионов с заряженными группами пор. Если ион приближается к одноименно заряженной поре, то при этом он испытывает отталкивание и проникает через мембрану только в том случае, если обладает кинетической энергией, достаточной на преодоление этого отталкивания. Если ион и стенка поры имеют противоположные заряды, то ион испытывает притяжение к центру поры, и его проникновение во многих случаях может облегчиться. Но так как ион притягивается к электрическому центру поры, то в некоторых случаях он может оказаться в так называемой потенциальной яме. Другими словами, попадание иона в потенциальную яму приводит к повышению энергетического барьера транспортного процесса. Поэтому вход второго иона в канал по сравнению с входом первого затрудняется, однако выход первого иона из канала, напротив, идет очень легко, так как этому способствует электростатическое отталкивание между самими ионами, в результате чего следующий ион может заполнить освободившуюся потенциальную яму.

Пассивный транспорт ионов. Уравнение ТЕОРЕЛЛА, НЕРНСТА - ПЛАНКА.

Пассивный транспорт – это перенос вещества из мембраны с большим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением.

Пассивный транспорт:

1. Фильтрация.

2. Простая диффузия:

a). Осмос,

б). Через липидный слой,

в). Через поры в липидном слое,

г). Через белковую пору.

3. Облегченная диффузия:

а). С подвижным переносчиком,

б). С фиксированным переносчиком.

Пассивный транспорт идет с уменьшением энергии Гиббса и поэтому этот процесс может идти самопроизвольно без затраты энергии. Направление пассивного транспорта μ1 → μ2, Jm, μ1 больше μ2 . Плотность потока вещества Jm при пассивном транспорте подчиняется уравнению Теорелла:

Jm = - UCd μ/dx,

где U – подвижность частиц, C – концентрация. Знак минус показывает, что перенос происходит в сторону убывания μ.

Плотность потока вещества – это величина, численно равная количеству вещества, переменного за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению переноса: Jm = m/St [моль/м2с]. Подставим в первое выражение для электрохимического потенциала, m = m0 + RTlnC + ZFj, получим для разбавленных растворов при m0 = постоянной уравнение Нернста – Планка: Jm = - URT dc/dx - UCFZ dj/dx. Итак, могут быть 2 причины переноса вещества при пассивном транспорте: градиент концентрации dc/dx и градиент электрохимического потенциала dj/dx. Знаки минус перед градиентами показывают, что градиент концентрации вызывает перенос вещества от места с большей концентрацией к местам с его меньшей концентрацией, а градиент электрохимического потенциала вызывает перенос положительных зарядов от мест с большим к местам с меньшим положительным. Фильтрацией называется движение раствора через поры в мембране под действием градиента давления. Скорость переноса при фильтрации подчиняется закону Пуазейля:

dV/dt = P1 – P2/W,

где dV/dt - объемная скорость переноса раствора, W – гидравлическое сопротивление, W = 8ήl/πr4, l – длина поры, r – ее радиус, ή - коэффициент вязкости раствора. Явление фильтрации играет важную роль в процессе переноса воды через стенки кровеносных сосудов

26. Активный транспорт ионов Na+ и К+. Структура и работа Nа+и К+-зависимой АТФазы.

Активный транспорт ионов – транспорт ионов против их электрохимического градиента. Наиболее хорошо изученным мембранным компонентом, реализует активный транспорт, является натриевая помпа, молекулярной основой является Na+ - K+ - активируемая, Mg – зависимая АТФаза (Na+ - K+ - АТФаза). Впервые активируемую ионами Na+ и K+ - АТФаза обнаружил в 1957г. Скоу в гомогенате периферических нервов краба, так же в почках, солевых железах, мозге, электрическом органе, эритроцитах и других. Na+ - K+ - АТФаза относится к ферментам, затрачивают энергию АТФ на осуществление конформационных превращений, конечным результатом является перенос 3 ионов Na+ и 2 ионов K+ через плазматическую мембрану против их градиентов (осуществляя первично – активный транспорт одновалентных катионов). Фермент на мембране электрохимического градиента одновалентных катионов, энергия используется для процессов возбуждения нервной и мышечной ткани, транспорта аминокислот. Сахаров и других метаболитов через плазматическую мембрану. Na+ - K+ - АТФаза является глобулярным белком, имеющим олигомерную природу с протяженной структурой в толще липидного бислоя. Состоит из 2 субъединиц: α – субъединица (содержит приблизительно 1012 аминокислотных остатков), β – субъединица (приблизительно 300). α – субъединица выполняет каталитическую функцию, а β – субъединица играет важную роль в образовании α, β – комплексов в мембране. Удаление β – субъединицы приводит к снижению активности фермента. Полипептидная цепь β – субъединицы пронизывает мембрану 1 раз, а α – субъединица – 10 раз. Центр связывания сердечных гликозидов – ингибиторов фермента – расположен на внешней стороне мембраны, здесь же расположен и центр связывания ионов K+ . Активация фермента натрием осуществляется изнутри клетки, где расположен и центр, гидролизующий АТФ. Na+ - K+ - АТФаза является электрогенным насосом, работающим по принципу конформационно – лабильной поры. Конфирмационные изменения переносчика обеспечивают транспорт 3 ионов Na+из клетки и 2 ионов K+ в клетку. Конформационные переходы молекулы фермента (и перенос ионов) нуждаются в источнике энергии. Гидролиз АТФ, Na+ - K+ - АТФаза обеспечивает энергетически активный транспорт ионов. Основные стадии реакционного цикла фермента:

1) В присутствие ионов Na+ фермент гидролизует АТФ и переносит терминальный фосфат на боковой радикал остатка аспарагиновой кислоты полипептидной цепи, образуя фосфофермент (E1P).

2) Фосфорилирование – фермент изменяет конформацию то есть, что ионы Na+ теряют способность высвобождаться как с внутренней, так и с внешней стороны мембраны (окклюдированные ионы).

3) Ионы Mg2+ активируют конфирмационный E1P – E2P переход, сопровождается пространственными перемещениями в липидном бислое отдельных частей белковой глобулы – центр связывания ионов Na+ становится открытым во внешнеклеточное пространство и более гидрофобным, отсюда следует, что сродство ионов Na+ к активному центру фермента уменьшается и они переходят в водную фазу (стадия переноса ионов Na+ через мембрану).

4) Активный центр фермента связывается с ионами K+, так же как и Na+ подвергается окклюзии.

5) Связывание ионов K+ с E2P формой фермента сопровождается конформационными изменениями фермента, что следует окружение фосфатной группы, связанной с глобулой белка, становится более гидрофильным и доступным для атаки молекулами воды. Неорганический фосфат высвобождается во внутриклеточную среду.

6) Дефосфорилирование фермента – Конформационные изменения глобулы белка, ведет к уменьшению сродства фермента к ионам K+ и они диссоциируют от центра связывания в цитоплазму. Их место занимает Na+. Эта стадия цикла одновременно подготавливает фермент к началу нового цикла: конформер E2 превращается в конформер E1. АТФ ускоряет этот конформационный переход, повышая сродство фермента к Na+ и уменьшая его сродство к K+ . Если градиенты концентрации ионов K+и Na+ увеличить до такой степени, что насос не сможет с ними справиться, то ионы будут проходить через мембрану по градиенту концентрации и фермент начнет работать не как АТФаза, а как АТФ – синтетаза, то есть фермент из фосфата и АДФ будет синтезировать АТФ. В плазмолемме канальцевого эпителия почки функционируют 2 типа натриевых насосов:

1). Na+ - K+ - АТФаза, обеспечивает антипорт K+ и Na+ .

2). Осуществляет симпорт Na+ и Cl-.

27. Значимость ионных градиентов, создаваемых системами активного транспорта, для жизнедеятельности клеток. Физические принципы вторично-активного транспорта. Транспорт аминокислот, сахаров. Na+- Са++-обмен.

При первично – активном транспорте молекулярной системы, интегрированные в мембраны, трансформируют энергию химических связей органических молекул в энергию электрохимических градиентов ионов. Этот вид свободной энергии, в свою очередь, может быть использован другими переносчиками для транспорта веществ или ионов против их концентрационных градиентов. Это вторично – активный транспорт. Na – Ca – обмен. Na – Ca – обменный переносчик может функционировать в двух режимах: 1). Вход трех Na+ в обмен на выход Ca2+. 2). При снижении электрохимического градиента – выход Na в обмен на Ca.

Транспорт глюкозы. Белок – переносчик использует для работы энергию электрохимического градиента ионов Na. Na проникает в клетку по электрохимическому градиенту, что осуществляет переносчик, транспортируя вместе с ним глюкозу. Чем выше электрохимический градиент Na+ , тем выше скорость транспорта глюкозы. Аминокислоты переносятся как глюкоза.

Для более глубокого понимания процессов вторично-активного транспорта следует рассмотреть гипотетическую схему, показывающую, как градиент концентрации Na+мог бы приводить в действие переносчик глюкозы. Переносчик глюкозы может находиться в двух альтернативных конформационных состояниях – пинг и понг. В состоянии понг активный центр переносчика раскрыт во внеклеточное пространство и ионы натрия могут занимать свои участки связывания. По мере насыщения натриевых центров увеличивается сродство центров связывания переносчика к переносимому против градиента концентации веществу. Насыщение центров связывания глюкозы вызывает конформационную перестройку белковой глобулы переносчика, в результате чего активный центр переносчика оказывается раскрыт во внутриклеточное пространство (состояние пинг). Поскольку концентрация ионов натрия во внутриклеточном пространстве значительно ниже натрий покидает белок-переносчик, в результате чего сродство переносчика к глюкозе уменьшается, и она оказывается внутри клетки.Освобождение переносчика от натрия и молекул глюкозы приводит к возвращению белковой глобулы переносчика в первоначальное конформационное состояние.

Дата: 2019-04-22, просмотров: 513.