Транспорт веществ через биологические мембраны

1.

Раздел: Биофизика мембранных процессов
Тема: Транспорт веществ через
биологические мембраны
1

2.

Живые системы - открытые системы на
всех уровнях организации
Необходимое условие существования
клетки – транспорт веществ через
биомембраны, который обеспечивает:
- метаболизм клетки
- биоэнергетические процессы
- создания потенциалов и генерации
нервного импульса
Нарушение транспортной функции
биомембран – развитие патологии
2

3.

Основные понятия при описании явления
переноса веществ через мембрану
Основная количественная характеристика, используемая при описании переноса
ионов или незаряженных молекул (неэлектролитов) через мембраны, — это
поток.
Поток частиц Фn (моль/с) через площадь S измеряется числом частиц,
которые пересекают эту площадь (например, мембрану клетки) за секунду. Поток
вещества Ф измеряют не в числе частиц, а в числе молей данного вещества (или
молей данных ионов).
Фn=Ф • NA
Трансмембранные
потоки
ионов
имеют
направление,
нормальное
к
поверхности мембраны. Плотность потока (J, моль/с • м2) – это
количество вещества (в молях), переносимого за секунду через единицу
площади, расположенной нормально к направлению потока.
Jn=J • NA
Положительным считается направление потока из замкнутого контура наружу.
Таким образом, поток из клетки в окружающую среду имеет знак «+», а поток в
клетку имеет знак «-».
3

4.

Величина J зависит от концентраций переносимых
частиц по сторонам мембраны — С1 и С2, а в случае
ионов — также и от разности потенциалов между
водными фазами, омывающими мембрану φ1 и φ2 :
Δφ=φ2 - φ1 .
Поток ионов из
клетки.
S┴ — площадь,
пересекаемая потоком
перпендикулярно его
направлению. В
случае потока
через мембрану S┴площадь мембраны
4

5. Потенциалы в клетке

ХИМИЧЕСКИЙ
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ
Химическим потенциалом данного вещества μк называется
величина, численно равная энергии Гиббса, приходящаяся на
один моль этого вещества. Математически химический
потенциал определяется как частная производная от энергии
Гиббса G по количеству k-го вещества, при постоянстве
температуры Т, давления Р и количеств всех других веществ
ml (l≠к):
G
k
mk p ,T ,l k
5

6. Химический потенциал для разбавленного раствора

k k 0 RT ln Ck
k 0 стандартный химический потенциал
( химический потенциал данного вещества
при концентрации 1моль / л в растворе)
R универсальная газовая постоянная
Ck концентрация k го вещества
6

7. Электрохимический потенциал

k k Z k F
k 0 RT ln Ck Z k F
F 96500 Кл / моль число Фарадея
Ck концентрация k го вещества
Z k степень ионизации k го вещества
потенциал электрического поля
7

8. Виды транспорта через БМ

• Пассивный транспорт перенос вещества без
затраты энергии
• Активный транспорт перенос вещества с
затратами энергии
Пассивный транспорт - это транспорт
самопроизвольный, без затраты энергии, "под гору".
Активный - требует затраты энергии.
8

9.

9

10. Пассивный транспорт веществ через биологические мембраны

10

11. Пассивный транспорт

• Перенос k-ого вещества по градиенту ЭХП,
то есть из мест с большим значением ЭХП
к местам с меньшим значением ЭХП
11

12. Пассивный транспорт через БМ

осмос
фильтрация
Облегченная
диффузия
Простая
диффузия
через
липидный
слой
через
белковые
поры
через
липидные
поры
С подвижным
переносчиком
С фиксированным
переносчиком
12

13. Простая диффузия: а – через липидный слой б – через липидные поры в – через белковые поры

13

14.

k ( x1 )
k ( x2 )
x1
Jk
x2
x
Плотность потока (J) – величина, равная количеству вещества, перенесенного за
единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной
направлению переноса
[J]=1моль/с*м2
Уравнение Теорелла – плотность потока к-го сорта вещества при пассивном переносе
d k
k k 0 RT ln Ck Z k F
dx
dCk
d
U k RT
U k Ck Z k F
dx
dx
уравнение Нернаста Планка
J k U k Ck
14

15. Причины пассивного транспорта

dCk
d
J k U k RT
U k Ck Z k F
dx
dx
Градиент концентрации
dCk
0
dx
Градиент ЭП
d
0
dx
15

16. 1 закон Фика

dCk
dCk
J k U k RT
Dk
dx
dx
Dk коэффициен т диффузии _ к го вещества
м
м
м
м
Ck 2 Ck 1
Ck 1 Ck 2
Dk
Dk
l
l
С1 С1м
мембрана
>
l
м
С2м С2
jm
м
Ck 1 , Ck 2 концентрация вещества в мембране с разных сторон
Ck 1 , Ck 2 концентрация вещества вне мембраны (вблизи поверхности )
16

17.

м
м
Ck 1 Ck 2 Dk K
J k Dk
(Ck 1 Ck 2 )
l
l
м
Ck 1 kCk 1
C
м
k2
kCk 2
J k Pk (Ck 1 Ck 2 )
Dk K U k RTK
Pk
проницаемость мембраны
l
l
17

18. Коэффициент диффузии Dk

• Зависит от размера и формы молекул
• Для малых молекул
• Для сферических молекул
см
10
с
5
2
kT
Dk
6 rk k
18

19. Проницаемость мембран

Хорошая для:
• Неполярных веществ
(хорошо растворимые
в липидной фазе)
- Органические
кислоты
- Эфиры
Плохая для:
• Полярных
(водорастворимых)
веществ
- Соли
- Основания
- Спирты
- Сахара
- Аминокислоты
19

20.

Проницаемость мембран для
различных веществ
20

21.

Отношение проницаемостей для
одновалентных ионов в калиевом канале
аксона кальмара
Рион/РК+
Ион
Кристаллический
радиус, нм
0,018
Литий
0,060
0,010
Натрий
0,095
1,000
Калий
0,133
0,910
Рубидий
0,148
0,077
Цезий
0,169
21

22. Образование кинков а – транс-конфигурация б - гош-транс-гош конфигурация

22

23. Перемещение иона в липидном слое мембран

Ион перемещается,
совершая скачки
между петлями
(кинками - (от англ.
kink — петля, изгиб) жирнокислотных
цепей. Кинки
образуются в
результате теплового
движения молекул, и
ион может
перемещаться в
липидном слое
мембраны,
перескакивая из
одного кинка в
соседний.
23

24.

Движение иона поперек мембраны путем
перескакивания из одного кинка в другой
24

25. Пассивный транспорт через поры:

Липидные
поры –гидрофильные
поры в липидном
бислое
Белковые
поры
25

26.

ЛИПИДНЫЕ ПОРЫ
БЕЛКОВЫЕ ПОРЫ
• Размеры канала
изменяются в
зависимости от внешних
условий и имеют
динамических характер
• Размер сохраняется на
протяжении всей жизни
поры
• Размеры варьируются в
широких пределах, поры
могут «затекать»
• Фиксированный набор
радиусов
• Нет выраженной
избирательности
каналов - универсальны
• Избирательность
переноса
26

27. Пассивный транспорт: облегченная диффузия

С ПОДВИЖНЫМ
ПЕРЕНОСЧИКОМ
С ФИКСИРОВАННЫМ
ПЕРЕНОСЧИКОМ
Отличия от простой диффузии:
1.Значительно быстрее
2.Имеет свойство насыщения (все молекулы
переносчики - заняты)
3.Высокая специфичность
4.Вещества – блокаторы облегченной диффузии
(ингибиторы)
27

28.

Схема молекулы валиномицина: а,б - без включения
иона калия; в — с включением иона калия
б
в
28

29. Схема переноса валиномицином ионов калия через мембрану

29

30.

Механизм работы валиномицина в
качестве переносчика
К
К
К
К
К
К
30

31. Зависимость плотности потока веществ через БМ в клетку в зависимости от соотношения концентраций 1 – простая диффузия 2 –

облегченная диффузия
31

32. Каналообразующий переносчики

• Внешняя часть молекулы – гидрофобна,
внутренняя – гидрофильна
• На одном из концах молекулы – «якорь» заряженные и сильно полярные группы,
которые удерживают молекулу на одной
стороне мембраны и позволяет ей
пронизывать гидрофобную часть БМ
32

33. Виды каналообразующих переносчиков (ионофоров)

• Грамицидин А-цепь из 15 гидрофобных аминокислот
спираль полый цилиндр пора
низкая селективность из-за высокой эластичности
спиральной структуры
• Аламецитин-пептидный антибиотик – 20 аминокислот в
линейной цепи водная пора переменного диаметра
• Полиеновые антибиотики
33

34. Бислойная мембрана с липидными порами

СОЖ 1998 №10 С.10. Антонов В.Ф.
34

35. Пассивный транспорт - осмос

• Диффузия воды из мест с ее большей
концентрацией в места с меньшей
концентрацией
p1 p2
Вода
р1
р2
Осмотическое давление
35

36. Пассивный транспорт - фильтрация

• Движение раствора через поры под
действием градиента давления
dV p1 p2
объемная скорость переноса вещества
dt
W
8l
W 4 гидравлическое сопротивление
r
коэффициен т вязкости раствора
l длина поры
r радиус поры
36

37. Простая диффузия (вверху), облегченная диффузия через канал в мембране (в середине) электрофорез ионов - внизу.

37

38. Насыщаемый и ненасыщаемый транспорт ионов.

При обычной диффузии
потоки невелики, но прямо
пропорциональны
концентрации иона в среде,
из которой происходит
перенос (нижняя прямая).
При переносе через канал
или с помощью
подвижного переносчика
потоки гораздо больше, но
при увеличении
концентрации
ионов наступает
38
насыщение.

39. Активный транспорт веществ через биологические мембраны

39

40. Активный транспорт

Перенос k-ого вещества против градиента
электрохимического потенциала (ЭХП), то есть
из мест с меньшим значением ЭХП к местам с
его большим значением.
Сопровождается увеличением энергии Гиббса
Не может идти самопроизвольно, а только в
сопряжении с процессом гидролиза АТФ, то
есть за счет энергии, запасенной в
макроэргических связях
40

41.

Схема активного транспорта
Перенос k-ого вещества против градиента
ЭХП, то есть из мест с меньшим
значением ЭХП к местам с большим
значением ЭХП
41

42.

Функции активного
транспорта
• Создание градиента концентрации вещества
• Создание градиента электрического потенциала
• Создание градиента давления
АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ УДЕРЖИВАЕТ
ОРГАНИЗМ В НЕРАВНОВЕСНОМ
СОСТОЯНИИ
42

43. Опыты Уссинга: 1949 г. АТ показан на примере переноса ионов натрия через кожу лягушки

43

44.

Транспортные АТФ-азы
Фермент
Тип клеток
Большинство
Na, Кживотных и
АТФ-аза
растительных
клеток
Обкладочные
Н-АТФклетки слизистой
аза
желудка
Н-АТФаза
Локализация
Функция
Плазматическая
мембрана
Поддерживает высокую
внутриклеточную
концентрацию К
Плазматическая
мембрана
Секретирует Н+ в желудочный
сок
Внутренняя мембрана
митохондрий,
Животные и
внутренняя мембрана
растительные
хлоропластов,
клетки, бактерии
плазматическая
мембрана
Участвует в окислительном
фотосинтетическом
фосфорилировании АДФ до
АТФ
Выкачивает Са2+ из клеток,
Са-АТФПлазматическая
Животные клетки
способствуя их накоплению в
аза
мембрана
цитозоле
Способствует накоплению Са2+
Саркоплазматический в цистернах саркоплазматиретикулум
ческого рстикулума, вызывая
расслабление мышц 44

45.

Виды ионных насосов
K+-Na+-АТФаза в
цитоплазматических
мембранах
(K+-Na+-нacoc)
Са2+-АТФаза
(Са2+-насос)
Н+-АТФаза в
энергосопрягающих
мембранах митохондрий, хлоропластов (Н+-насос,
или протонная помпа)
45

46.

46

47.

From Mathews and van Holde: Biochemistry 2/e. © The Benjamin/Cummings
Publishing Co., Inc.
47

48.

48

49. Схема механизма Na+-К+-АТФ-фазы

1) Е + АТФ → Е*АТФ,
2) Е*АТФ + 3Na → [E*ATФ]*Na3,
3) [E*ATФ]*Na3 → [Е1~P]*Na3 + АДФ,
4) [Е1~P]*Na3 → [Е2~P]*Na3,
5) [Е2~P]*Na3 + 2К → [Е2~Р]*К2 + 3Na,
6) [Е2–Р]*К2 → [E1–Р]*К2,
7) [Е1–Р]*К2 → Е + Р + 2К.
49

50.

Схема механизма
Na+-К+-АТФ-фазы
• 1. образование комплекса фермента с АТФ на
внутренней поверхности мембраны
• 2. связывание комплексом 3-х ионов натрия
• 3. фосфорилирование фермента с образованием АДФ
• 4. переворот (флип-флоп) фермента внутри мембраны
• 5. реакция ионного обмена натрия на калий на
внешней поверхности мембраны
• 6. обратный переворот ферментного комплекса с
переносом ионов калия внутрь клетки
• 7. возвращение фермента в исходное состояние с
освобождением ионов калия и неорганического
фосфата
50

51. Активный транспорт

Электронейтральный
Электрогенный
Функционирование транспортной системы
сопровождается
количество зарядов,
обменом
переносимых за единицу
внутриклеточных
времени в одном
ионов на
направлении НЕ
компенсируется суммарным
внеклеточные в
зарядом, переносимым в
отношении «заряд
противоположном
на заряд»
направлении
Создаются дополнительные
разности потенциалов
51

52.

Вторичный активный транспорт
52