Общая характеристика транспортных процессов в клетке (пассивный транспорт)

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТРАНСПОРТНЫХ ПРОЦЕССОВ В КЛЕТКЕ ПАССИВНЫЙ ТРАНСПОРТ

2.

1. Проницаемость биомембран и методы ее
исследования.
2. Пути проникновения веществ в клетку.
Правила Овертона.
3. Классификация транспортных процессов.
4. Диффузия, ее виды.
5. Уравнения, описывающие диффузию.
6. Транспорт с помощью ионофоров
7. Транспорт воды.

3.

ЗНАЧЕНИЕ ТРАНСПОРТА ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ
МЕМБРАНЫ
Обеспечение метаболизма клетки и
биоэнергетических процессов
Регуляция объема клетки
Регуляция рН цитоплазмы
Регуляция ионного состава цитоплазмы
Генерация биоэлектрических потенциалов
Выведение продуктов обмена

4.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ
БИОМЕМБРАН
Осмотический (по изменению объема
клетки)

5.

2.Химический (цитохимический) (проникновение
красителей)
Пример:
использование
флуоресцентных
красителей для
исследования
концентрации
внутриклеточного
кальция
На рисунке представлен спектр Са2+-чувствительного зонда Фура -2 AM.
При связывании с Са2+ наблюдается характерное изменение спектра
возбуждения этого красителя: при возбуждении светом с длиной волны
380 нм происходит уменьшение флуоресценции, а при возбуждении
светом с длиной волны 340 нм - увеличение.

6.

3.Биохимический (по активности
ферментов, участвующих в транспорте)

7.

4. Метод меченых атомов: углерода (С14),
натрия (Na22), рубидия (Rb86) и др.
Химические свойства радиоактивных
изотопов не отличаются от
нерадиоактивных изотопов этого же
элемента. Обнаружить их можно по
излучению.

8.

5.Спектро- и флуорометрический методы
6.Опосредованные методы ( измерение рН,
вольтамперных характеристик)
Типичная кинетика изменения рН в суспензии
эритроцитов человека в ответ на добавление
электронно-донорной системы аскорбат-ФМС

9.

СПОСОБЫ ПРОНИКНОВЕНИЯ ВЕЩЕСТВ В КЛЕТКУ
НЕСПЕЦИФИЧЕСКАЯ
ДИФФУЗИЯ
ТРАНСПОРТ С ПОМОЩЬЮ
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ
СТРУКТУР
ЭКЗО- И ЭНДОЦИТОЗ (связан с
нарушением целостности
мембраны клетки)

10.

НЕСПЕЦИФИЧЕСКАЯ ДИФФУЗИЯ
осуществляется благодаря физикохимическим свойствам липидного бислоя
вещества проникают, растворяясь в липидах
мембран
без участия специальных механизмов: вещества
проникают через мембрану благодаря наличию
кинков (от англ. kink – петля) или в области
мембранных дефектов

11.

Э.Овертон - британский биолог и физиолог.
Известен своими исследованиями
проницаемости биологических мембран.
Исследовал способность химических
соединений проникать в животные и
растительные клетки путём отслеживания
степени плазмолиза в гипертоническом
растворе тестируемого вещества.
(1865-1933)
В ходе своих экспериментов проверил
около 500 соединений.

12.

В 1899 г. Э.Овертон
сформулировал основы
липидной теории,
впоследствии получившей
его имя (правило Овертона):
коэффициент
проницаемости
растворённого вещества
линейно связан с
коэффициентом его
разделения между
маслянистыми веществами
и водой.

13.

ПРАВИЛА Э.ОВЕРТОНА
Проницаемость клеток для
органических веществ
уменьшается по мере возрастания
в них карбоксильных,
гидроксильных и аминогрупп
Увеличение в веществе
метиловых, этиловых, фениловых
групп увеличивает
проницаемость мембраны для этих
веществ

14.

КЛАССИФИКАЦИЯ ТРАНСПОРТНЫХ
ПРОЦЕССОВ
По количеству и
направлению
переносимых
частиц
По изменению
свободной
энергии

15.

По количеству и направлению
переносимых частиц

16.

По изменению свободной энергии
Свободная энергия
уменьшается
Свободная энергия
увеличивается

17.

ОСМОС
ПАССИВНЫЙ ТРАНСПОРТ
ДИФФУЗИЯ

18.

Движущие силы пассивного транспорта
веществ
через биологическую мембрану градиенты:
концентрационный – для нейтральных
молекул
электрохимический – для ионов

19.

ТРАНСПОРТ
ИОНОВ
И НЕЙТРАЛЬНЫХ
МОЛЕКУЛ
+

20. УРАВНЕНИЯ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ПАССИВНОГО ТРАНСПОРТА

G
n
- ХИМИЧЕСКИЙ
ПОТЕНЦИАЛ
0 RT ln C
~ 0 RT ln C zF
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ
ПОТЕНЦИАЛ

21.

УРАВНЕНИЕ ТЕОРЕЛЛА
d ~
J UC
dx
J – плотность потока
U – подвижность частицы
С - концентрация
- электрохимический
потенциал
J - ПЛОТНОСТЬ ПОТОКА МОЖНО ОПРЕДЕЛИТЬ КАК
СКОРОСТЬ ПЕРЕНОСА ВЕЩЕСТВА ЧЕРЕЗ ЕДИНИЦУ
ПЛОЩАДИ
1 dn
J
S dt
n– количество
вещества в
молях

22.

УРАВНЕНИЕ НЕРНСТА – ПЛАНКА
М. Планк
1858-1947
В. Нернст
1864-1941
dC
d
J URT
UCzF
dx
dx
ЕСЛИ ПЕРЕНОСИМЫЕ ЧАСТИЦЫ НЕ ЗАРЯЖЕНЫ, ТО УРАВНЕНИЕ
НЕРНСТА - ПЛАНКА ПРЕОБРАЗУЕТСЯ В УРАВНЕНИЕ ФИКА

23.

УРАВНЕНИЕ ФИКА ДЛЯ ПРОСТОЙ ДИФФУЗИИ
dC
J D
dx
или с учетом определения потока
dn
dC
DS
dt
dx

24.

УРАВНЕНИЕ КОЛЛЕНДЕРА – БЕРЛУНДА
(при условии, что мембрана имеет постоянную
толщину)
J =PS( c1 c2 )
P – КОЭФФИЦИЕНТ ПРОНИЦАЕМОСТИ
P=D /l, ГДЕ l – ТОЛЩИНА МЕМБРАНЫ, КОЭФФИЦИЕНТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
C1 И C2 – КОНЦЕНТРАЦИИ ВЕЩЕСТВА ПО ОБЕ
СТОРОНЫ МЕМБРАНЫ
S – площадь мембраны, через которую
идет перенос

25.

Зависимость скорости (dn/dt)простой диффузии
от концентрации переносимого вещества (c)
dn/dt
n – число молей
переносимого
вещества
c

26.

ОБЛЕГЧЕННАЯ ДИФФУЗИЯ

27.

ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ПРИЗНАКИ ОБЛЕГЧЕННОЙ ДИФФУЗИИ
перенос веществ с участием переносчика
происходит значительно быстрее по сравнению со
свободной диффузией
обладает свойством насыщения
наблюдается конкуренция переносимых
веществ в тех случаях, когда одним переносчиком
переносятся разные вещества
имеются блокаторы

28. ОБЛЕГЧЕННАЯ ДИФФУЗИЯ

J max S
J
K S

29. БЕЛКИ-ПЕРЕНОСЧИКИ: СПОСОБЫ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В МЕМБРАНЕ

30.

МИГРАЦИОННЫЙ МЕХАНИЗМ
РАЗМЕР ПЕРЕНОСЧИКА
МЕНЬШЕ, ЧЕМ ТОЛЩИНА
МЕМБРАНЫ

31.

РОТАЦИОННЫЙ МЕХАНИЗМ
Л – липидный
бислой
П – переносчик
S – переносимый
субстрат

32.

ИЗМЕНЕНИЕ
КОНФОРМАЦИИ
ПЕРЕНОСЧИКА

33. ТРАНСПОРТ С ПОМОЩЬЮ ИОНОФОРОВ

ИОНОФОРЫ – ГИДРОФОБНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
РАЗЛИЧНОЙ ХИМИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ,
ОБРАЗУЮЩИЕ КОМПЛЕКС С ПЕРЕНОСИМЫМИ
ИОНАМИ
Скульптурная композиция,
изображающая структуру
калиевого комплекса
валиномицина перед
Институтом биоорганической
химии РАН им. академиков
М.М. Шемякина и Ю.А.
Овчинникова

34. КЛАССИФИКАЦИЯ ИОНОФОРОВ ПО МЕХАНИЗМУ ПЕРЕНОСА

ИОНОФОРЫ
ПОДВИЖНЫЕ
ПЕРЕНОСЧИКИ
•ВАЛИНОМИЦИН
•КАЛЬЦИЕВЫЙ ИОНОФОР
ФОРМИРУЮЩИЕ
КАНАЛ
•ГРАМИЦИДИН
•АМФОТЕРИЦИН
•НИСТАТИН
•АЛАМЕТИЦИН

35. ВАЛИНОМИЦИН

К+
Структура комплекса напоминает ячейку, в центре которой находится
ион калия. Комплекс К +-валиномицин является гидрофобным и легко
проникает через бислой.

36.

Новая
группа
антибиотиков-ионофоров,
содержащих незамкнутую полиэфирную цепь;
наиболее известными среди них являются,
нигерицин, моненсин, кальциевый ионофор
(антибиотик А-23187).

37.

В комплексах с ионами молекулы полиэфирных антибиотиков
удерживают ион за счет ион-дипольных взаимодействий с
простыми эфирными группировками.
Подковообразная конформация антибиотика
стабилизируется
водородной связью между группами, расположенными на
противоположных концах цепи.
В случае Са2+ в связывании обычно участвуют две молекулы
соответствующего антибиотика, образующие «сэндвич».
Na+-комплекс моненсина
Са2+-комплекс кальциевого
ионофора А23187

38. СВОЙСТВА ИОНОФОРОВ, ОБРАЗУЮЩИХ КАНАЛЫ

1. АМФИФИЛЬНОСТЬ
2. ДЛИНА МОЛЕКУЛЫ РАВНА ТОЛЩИНЕ
МЕМБРАНЫ, ЛИБО ВПОЛОВИНУ МЕНЬШЕ ЕЕ
3. КАНАЛЫ ИЗ ИОНОФОРА ПРОНИЗЫВАЮТ
НАСКВОЗЬ МЕМБРАНУ
4. ОБРАЗОВАНИЕ ВНУТРИМОЛЕКУЛЯРНЫХ
ВОДОРОДНЫХ СВЯЗЕЙ

39.

ГРАМИЦИДИН
ПРОНИЦАЕМОСТЬ ГРАМИЦИДИНОВОГО КАНАЛА ДЛЯ ИОНОВ
Li Na K Rb Cs
Две молекулы грамицидина А образуют димер «голова к голове».
В такой конформации молекулы грамицидина А образуют своеобразный полый цилиндр, в котором все СО- и NH-группы пептидной цепи соединены внутри- и межмолекулярными водородными
связями.

40.

Альтернативный вариант пространственной укладки
молекулы грамицидина А, в котором две молекулы
антибиотика образуют двойную спираль

41.

И в растворах, и в мембране грамицидин А может образовывать одно- и
двутяжевые спиральные димеры.
Диаметр осевой полости около 0,3 нм, т. е. достаточен для внедрения ионов
металлов.
Длина димера (~ 3 нм) близка толщине углеводородной зоны липидного
бислоя.
Одиночный канал грамицидина А переносит до 109 ионов в секунду, а
антибиотики-переносчики ~ 105 ионов в секунду.

42.

АМФОТЕРИЦИНОВЫЙ КАНАЛ
ДИАМЕТР 0,4 НМ
ПРОПУСКАЕТ ОДНОВАЛЕНТНЫЕ ИОНЫ, ВОДУ, НЕЭЛЕКТРОЛИТЫ
ЛУЧШЕ ПРОВОДИТ АНИОНЫ

43.

Модель
мембранной поры,
образованной
молекулами
амфотерицина В и
стеринами
Красным цветом показаны гидрофобные, синим — гидрофильные зоны
молекулы.

44. АЛАМЕТИЦИН

Аламетицин образует в мембранах серию ион-проводящих
агрегатов. Число молекул аламетицина в агрегате варьирует
от 6 до 10. Агрегаты меньшего размера проводят только
одновалентные катионы.
В более крупных агрегатах диаметр канала достигает 1,5 нм
и появляется анионная проводимость.

45.

В отсутствие поля аламетицин не образует ион-проводящих форм (а),
по мере увеличения потенциала проводимость модифицированных
аламетицином мембран резко растет, т. е. увеличивается вероятность
пребывания канала во включенном состоянии (б, в).

46.

Реализуются
электростатические
взаимодействия,
непроводящее
состояние
Мономеры
переориентируются,
образуется пора
достаточно большого
диаметра

47.

ТРАНСПОРТ ВОДЫ
градиент
гидростатического
давления
осмотический градиент
Фильтрация
Осмос

48.

ОСМОС – ПЕРЕНОС ВОДЫ ИЗ ОБЛАСТИ НИЗКОЙ
КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРЕННОГО ВЕЩЕСТВА В ОБЛАСТЬ ЕГО
ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ
P nRTc
ОСМОТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ

49.

50.

ФИЛЬТРАЦИЯ – ПЕРЕНОС ВОДЫ ИЗ ОБЛАСТИ
ВЫСОКОГО В ОБЛАСТЬ НИЗКОГО
ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ
ОБЪЕМНАЯ СКОРОСТЬ
ПЕРЕНОСА (мл/с)
r – радиус поры
dp/dx –градиент давления
l – длина поры
ƞ – вязкость жидкости

51. ВОДНЫЙ КАНАЛ, ОБРАЗОВАННЫЙ АКВАПОРИНАМИ

Питер Агре ( Agre)
(Питер Эгр)
(род.1949г.)
За открытие аквапоринов
получил в 2003 году
Нобелевскую премию по
химии

52.

Общая структура аквапоринов
Общая структура аквапоринов (AQPs). Кристаллическая структура человеческого
AQP5 (код PDB 3D9S), показывающая тетрамер AQP, если смотреть:
(а) параллельно мембране и (б) с внеклеточной стороны.
Тетрамер AQP5 показан в виде синей ленты с охватывающими полумембрану
спиралями, образованными петлями B и E, окрашенными в желтый цвет.
Молекулы воды в порах показаны в виде красных сфер.

53.

АКВАПОРИНЫ – БЕЛКИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
МАССОЙ 30 кДа
Канал аквапорина напоминает по форме
гантель (или песочные часы). Он состоит
из внешней и цитоплазматической
воронок и соединяющей их узкой и
длинной селективной поры.
Скорость 3·109
молекул воды в
секунду
«Водные каналы« (аквапорины)
избирательно пропускают молекулы воды,
но препятствуют потоку ионов и других
растворимых веществ.
Другие акваглицерофорины
пропускают не только воду, но и глицерин,
CO2, аммиак и мочевину, в зависимости от
диаметра и формы образуемой поры.

54.

Механизм, предотвращающий
проведение протонов через
водную пору
Благодаря диполям спиралей атомы
кислорода в молекулах воды,
оказавшихся в сужении поры,
ориентируются к боковым группам
аспарагинов 76 и 192 (вверху). После
этого между их амидными группами
и кислородом образуются
водородные связи, а те, что
соединяли непрерывную цепочку
молекул воды, в этом месте
обрываются.