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

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

Плазматична мембрана є механічним бар’єром, 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.

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.

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.

за градієнтом концентрації внаслідок теплового руху молекул, яке приводить систему до стану рівноваги (рис. 3.1).

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;

ліганд-залежні – відкриваються після зв’язування 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, м’язові 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).

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.

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.

Na+-каналів

Тетродотоксин

Na+-каналів

Вератридин – алкалоїд стероїдної природи, міститься в рослинах родини лілейних (Veratrum album – чемериця біла)

отрута секрету жаби Phyllobates
аurotaenia

акумулюються в тілі
коралових риб, з м’ясом яких потрапляють до
шлунково-кишкового тракту людини.

сполука також здатна
накопичуватися в тілі коралових риб.

калієві канали

К+-каналів

Фалоїдин
(Amanita phalloides)

herbraeus)

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

іонних каналів.

 α-конотоксин інгібує нікотиновий ацетилхоліновий рецептор у нервовій і м’язовій системі

 δ- конотоксин інгібує
інактивацію
напругозалежних
натрієвих
каналів

натрієві канали у м’язах
 ω- конотоксин інгібує N-тип напругозалежних кальцієвих 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 м’язу залучаються до стабілізації потенціалу спокою, а у гладеньких м’язах відкриття Cl- каналів спричиняє деполяризацію ПМ. Найвідомішим блокатором хлорних каналів є хлоротоксин отрути скорпіону. Крім того, активність каналів може регулювати внутрішньоклітинна концентрація Cl-.

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 цитоплазмиВиникнення 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 60-90 мВ.

3. Електрична активність клітин різного типу

увагу!!!

концентрації ззовні. Тоді рівняння Фіка буде:

(3.9)

(3.10)

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.

- швидкість переносу води через площу S; р1 і р2 - 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 – об’єм фільтрованої води; t - час; x – гідравлічний опір пори радіусом R; h - в’язкість води;

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 φм - 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)

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 1см2 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.

А А

А

А

А

Х Х

Х Х

Х Х

Х Х

Х

Х

Х

Х

АХ

мембрана

Рис3.5.

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.

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.

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.

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.

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(

).

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.