Основные вопросы темы

1. Пассивный транспорт веществ через биологические мембраны. Простая и облегченная диффузия.

2. Математическое описание процесса пассивного транспорта.

3. Активный транспорт ионов. Механизм активного транспорта ионов на примере натрий-калиевого насоса.

4. Возникновение мембранных потенциалов клетки. Равновесные потенциалы. Уравнение Нернста.

5. Потенциал покоя клетки

1. Пассивный транспорт веществ через биологические мембраны.
Простая и облегченная диффузия.

Любая клетка организма имеет наружную оболочку – мембрану. Ее часто называют плазматической. Основу мембраны составляет двойной слой липидов (липидный бислой). Особенностью липидной молекулы является то, что она состоит из двух частей с разными электрическими свойствами.

Во-первых, из головки, которая имеет отрицательный электрический заряд или неравный нулю дипольный момент. Головка – это полярная часть молекулы липида. Напомним, что если молекула или часть молекулы имеют неравный нулю дипольный мо­мент или электрический заряд, то их называют полярными.

Головка хорошо взаимодействует с другими полярными молекулами, например, с водой. Поэтому ее еще называют гидрофильной частью липида;

Вторая часть липидной молекулы - два неполярных хвоста. Они не взаимодействую с водой, но взаимодействуют с неполярными молекулами. Хвосты – гидрофобная часть липида.

В состав мембраны входят также белки. Часть этих белков проходит через всю толщину мембраны и образует белковые каналы и поры.

Мембрана регулирует поступление в клетку молекул и ионов и выход их наружу из клетки.

Транспорт (перенос) веществ через клеточную мембрану называется пассивным, если клетка не тратит на него энергию метаболических процессов, которые в ней происходят.

Существует тривида пассивного транспорта различных веществ че­рез мембрану:

1.Перенос веществ путем их растворения в липидном бислое. Именно так неполярные, главным образом, органические вещества движутся из области их большей концентрации в область меньшей концентрации через липидныйбислой мембраны (рис.1а). Так, например, переносятся многие лекарственные препараты и кислород.

2. Перенос веществ через белковыеканалы и поры, образованные интегральными белками клеточной мембраны. Так проникают через нее неорганические полярные молекулы и ионы металлов, нерастворимые в липидах (рис.1б). Отметим различие пор и каналов: поры пропускают все молекулы, диаметр которых меньше диаметра поры, каналы специфичны для каждого вида ионов (Na⁺-каналы, Сa²⁺-каналы).

Первый и второй виды пассивного транспорта называются простойдиффузией.

3. Облегченная диффузия. В этом случае перенос вещества через мембрану происходит с помощью специальныхмолекул – переносчиков. При облегченной диффузии вещество переносится из области его высокой кон­центрации в область с меньшей концентрацией с большей скоростью, чем при простой диффузии.

Так переносятся D-глюкоза, L-аминокислоты, ряд ионов металлов и т.д.

Для каждого вещества или иона существует свой определенный пере­носчик.

Известны два вида облегченной диффузии:

а) перенос с помощью подвижного переносчика: молекула переносчи­ка захватывает вещество, которое нужно перенести, на одной стороне мембраны и вместе с ним движется через липидный бислой на ее другую сто­рону. Затем возвращается назад и процесс повторяется (рис.1в);

б) эстафетный перенос: молекулы-переносчики, которые "сидят" в мембране, передают друг другу переносимое вещество как спортсмены эс­тафетную палочку (рис.1г).

2. Математическое описание процесса пассивного транспорта.

Целью этого раздела является получение ответа на вопрос: что заставляет молекулу или ион двигаться через мембрану в нужном направлении без затрат энергии.

Для ответа на него представим себе, что мембрана разделяет два водных раствора одинакового состава, но разной концентрации. Если это растворы ионов, то будут разными и электрические потенциалы растворов. Один раствор заполняет клетку и определяет состав цитоплазмы, второй – межклеточной жидкости, которая окружает клетку. В этом случае процесс пассивного переноса вещества через мембрану описывается уравнением Теорелла:

= – СU (1)

В уравнении (1) Ф – плотность потока диффузии, то есть количество вещества, которое переносится за 1 сек. через единицу площади мембраны. Вектор указывает направление переноса вещества. Величина С – наи­большая молярная концентрация вещества, U – подвижность вещества, которая характеризует скорость его переноса, – вектор градиента электрохимического потенциала, который формируется на мембране.

Электрохимический потенциал – это свободная энергия одного моля вещества. Свободная энергия – это термодинамический потенциал, который определяет способность какой-либо физико-химической системы совер­шать полезную работу. Значение m равно:

m = m ₀ + RТ lnC + zFj. (2)

Здесь слагаемое m ₀ определяется энергией химической связи раство­ренного вещества с растворителем, С – молярная концентрация растворенного вещества, j – электрический потенциал раствора, Z – электрический заряд растворенных ионов, который выражен в единицах заряда электрона, F – число Фарадея, R – универсальная газовая постоянная, T– абсолютная температура раствора. Из формулы (2) видно, что каждый из растворов, разделенных мембраной, может иметь свое значение электрохимического потенциала. Обозначим их m_i и m_e; m_i характеризует цитоплазму (буква i – первая буква слова intra – внутри), m_e– межклеточную жидкость (e – extra – вне, снаружи).

Величина градиента электрохимического потенциала , где d – толщина мембраны. Вектор всегда направлен в сторону больших значений m (см.рис.2).

Уравнение Теорелла = – СU показывает, что перенос вещества через мембрану, есть только тогда, когда ¹ 0, т.е. когда m _i ¹m _e иначе говоря когда система межклеточная жидкость-мембрана-цитоплазма термодинамически неравновесна. Таким образом, перенос возможен только в термодинамически неравновесной системе и градиент электрохимического потенциала является той силой, которая выполняет работу по пассивному транспорту вещества. Знак "–" в формуле (1) указывает на то, что транспорт происходит всегда в направлении, которое противоположно , то есть в направлении меньших значений m (рис.3). Перенос вещества приводит к тому, что m_i и m_e становятся равны друг другу (m_i = m_e), но тогда, по уравнению (1), поток диффузии тоже становится равным нулю: Ф = 0. Пассивный транспорт прекращается. Наступает состояние термодинамического равновесия, в системе межклеточная жидкость-мембрана-цитоплазма. Это состояние часто определяется как состояние покоя для клетки.

Если вычислить , используя (2), и подставить полученное выражение в уравнение Теорелла (1), то получим, что

= – URT – СUZF (3)

Формула (3) называется уравнением Нернста-Планка и описывает диффузию ионов через мембрану. В (3) и – векторы градиента концентрации и электрического потенциала, соответственно. Таким образом, пассивный перенос ионов определяется одновременным действием этих двух величин.

При диффузии незаряженных частиц (Z = 0) формула (3) принимает вид:

= – URT (4)

и называется уравнением Фика; URT = D – называется коэффициентом диффузии. Тогда (4) можно записать так = – D или, если учесть, что , то Ф = = р |C_i – C_e |. Здесь коэффициент p = называется коэффициентом проницаемости мембраны, |C_i – C_e | – абсолют­ное значение разности концентраций растворенного вещества в цитоплаз­ме (С_i) и межклеточной жидкости (С_e).

Таким образом, самое общее уравнение, которое описывает пассивный транспорт вещества через мембрану – это уравнение Теорелла. Из него получают уравнение Нерста-Планка (для ионов) и Фика (для незаря­женных частиц).

3. Активный транспорт ионов. Механизм активного транспорта ионов на примере натрий-калиевого насоса.

Активным транспортом называется перенос молекул и ионов через мембрану, который выполняется клеткой за счет энергии метаболических процессов. При пассивном транспорте градиент электрохимического потенциала уменьшается и, в конце концов, становится равным нулю.

Активный транспорт всегда ведет к увеличению различия m по обе стороны мембраны. Такой процесс требует затрат энергии. Эта

энергия получается при расщеплении молекул аденозинтрифосфата (АТФ) на аденозиндифосфат (АДФ) и фосфатную группу (Ф) под действием специальных белков – ферментов, они называются транспортными АТФ-азами и являются белками – переносчиками. Таким образом, АТФ®АДФ+Ф+Е, и энергия Е идет на совершение работы по активному транспорту.

В настоящее время известны четыре системы активного транспорта ионов в живой клетке (4 транспортные АТФ-азы). Три из них нужны для переноса ионов Na⁺, K⁺, Ca⁺⁺ и H⁺ через мембраны, четвертая необходима для переноса протонов (Н⁺) при работе дыхательной цепи митохондрий. Системы активного транспорта обычно называют насосами или помпами.

Коротко рассмотрим принцип действия Na⁺-K⁺-насоса (рис.3).

Рис. 3. Натрий-калиевый насос

Если вследствие каких-либо причин концентрация ионов натрия в цитоплазме вблизи мембраны превысит определенное значение, то под действием этих ионов транспортная АТФ-аза активизируется, и расщепляет АТФ на АДФ и Ф. При этом выделяется энергия Е 45 кДж/моль (ее значение несколько варьируется для разных типов клеток). Эта энергия тратится на присоединение трех ионов натрия (3 Na⁺) к АТФ-азе и на такое перемещение АТФ-азы внутри мембраны, в результате которого 3 Na⁺ переносятся на внешнюю сторону мембраны, а два иона калия (2К⁺) на ее внутреннюю сторону. Далее фермент освобождается от этих двух ионов и возвращается в исходное состояние, после чего процесс может повториться.

Таким образом, за один цикл действия Na⁺-K⁺-насоса из клетки выносится один положительный заряд. Поэтому внутренняя сторона клетки приобретает отрицательный электрический заряд, а внешняя - положительный. При этом на мембране клетки происходит разделение электрических зарядов и возникает электрическое напряжение или мембранная разность потенциалов. Именно поэтому Na⁺-K⁺-насос называется электрогенным.

Работа, которую делает Na⁺-K⁺-насос, равна 41,2 кДж/моль. Это говорит о том, что почти вся энергия, которая выделяется при расщеплении АТФ (45 кДж/моль) идет на активный транспорт. Коэффициент полезного действия (КПД) Na⁺-K⁺-насоса равен:

Эта самая высокая цифра из известных для различных устройств, которые выполняют работу.

4. Возникновение мембранных потенциалов клетки. Равновесные потенциалы. Уравнение Нернста.

Из ответа на третий вопрос видно, что в процессе работы Na ⁺ - K⁺-насоса на мембране возникает разность потенциалов.

Мембранными потенциалами называется разность электрических потенциалов между внутренней (цитоплазматической) и наружной поверх­ностями мембраны:

j_м = j_i- j _e

Мембранные потенциалы разделяются на:

1) потенциалы покоя - неизменные во времени;

2) потенциалы действия - меняющиеся во времени, кратковременные (импульсные).

Мембранные потенциалы определяются

1. Разной концентрацией ионов K⁺, Na ⁺ и СL^-­ по разные стороны мембраны

(С_iК+ > С_eК+, C_iNa+ < C_eNa+, C_iCL^- < C_eCL^-);

2. Разной проницаемостью мембраны “р” для этих ионов;

3. Диффузией их через мембрану.

Равновесные потенциалы. Формула Нернста

Для того, чтобы понять механизм образования мембранных потенциалов ответим на следующий ниже вопрос.

Каким образом различие в концентрациях какого-либо иона по обе стороны мембраны приводит к появлению на ней разности потенциалов?

Мембранный потенциал, который образуется на мембране клетки в состоянии покоя (иначе – в состоянии термодинамического равновесия), если мембрана проницаема только дляодного вида ионов, называется равновесным мембранным потенциалом Нернста. В качестве примера возьмем ионы K⁺.

По уравнению Нернста-Планка (формула (3) в ответе на второй вопрос) на перенос K⁺ влияет градиент концентрации и градиент электрического потенциала . Анализ показывает, что эти векторы направлены противоположно друг другу. Это значит, что действие одного градиента () выталкивает K⁺ из клетки, а второго (), наобо­рот, препятствует его выходу. Неизменный во времени мембранный потен­циал устанавливается тогда, когда действия этих градиентов уравновесят друг друга. При этом Ф_К+ = 0, а m_i = m _e.

Значение равновесного потенциала можно рассчитать по форму­ле Нернста:

(1)

Формула (1) просто получается из равенства m_i = m _e.

Обычно j_e принимают равным нулю (j_e = 0), тогда

,

таким образом, мембранный потенциал – это потенциал внутри клетки по отношению к окружающей среде.

Так как С_iК+ > С_eК+ у большинства клеток, то ln > 0, а j_м = j_i< 0.

Например, при температуре 37^оС и = 10, j_м = j_i» - 62×10^-3 В (вольт) = - 62 мВ (милливольт).

Для Na⁺ и Сl^-­ С_i < C_e, равновесный потенциал по натрию положителен, а по хлору отрицателен (из-за отрицательного заряда этого иона).

5. Потенциал покоя клетки

Потенциал покоя - потенциал, который формируется на мембране в состоянии термодsинамического равновесия (в состоянии покоя) вследствие переноса K⁺, Na⁺ и Сl^- через мембрану^­.

Формула для значения потенциала покоя была получена Гольдманом, Ходжкиным и Катцем и называется по именам этих авторов:

Потенциал покоя

Однако главную роль в возникновении мембранного потенциала покоя играют ионы К⁺.

Для большинства клеток j₀ варьируется в пределах (– 60 – –100) мВ, проницаемости мембраны для ионов Na⁺, K⁺, C l ^– при формировании j₀ соответствуют следующему соотношению:

Р_К⁺: Р_Na⁺: Р_Сl^– =1: 0,04: 0,45

Именно потенциал покоя определяет (поддерживает) то различие концентраций ионов Na⁺, K⁺ и Cl^- в цитоплазме и межклеточной жидкости, которое соответствует состоянию термодинамического равновесия и определяет нормальную жизнедеятельность клетки.

Рассчитаем напряженность электрического поля, которая соответствует потенциалу покоя φ₀:

Е = φ₀ / d = 80мВ / 8нм = 10⁷В/м = 100кВ/см

(воздух пробивается примерно при 30кВ/см)

Дата добавления: 2015-03-29