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. Осмос и фильтрация.

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
1.Осмотический (по изменению объема клетки).

5.

2.Химический (цитохимический) (проникновение
красителей)
Пример:
использование
красителей
для
исследования
концентрации
внутриклеточного
кальция
На рисунке представлен спектр Са2+-чувствительного зонда Фура -2
AM.
При связывании с кальцием происходит 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 изотопных меток: углерода
(С14), натрия (Na22), рубидия (Rb86) и др.

8.

5.Спектро- и флуорометрический метод.
6.Опосредованные методы ( измерение рН,
вольтамперных характеристик)

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

11.

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

12.

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

13.

По количеству и направлению
переносимых частиц

14.

По изменению свободной энергии
Свободная энергия
уменьшается
Свободная энергия
увеличивается

15.

16.

ОСМОС
ПАССИВНЫЙ ТРАНСПОРТ
ДИФФУЗИЯ

17.

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

18.

ТРАНСПОРТ НЕЙТРАЛЬНЫХ МОЛЕКУЛ И
ИОНОВ
+

19. УРАВНЕНИЯ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ПАССИВНОГО ТРАНСПОРТА

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

20.

d ~
J UC
dx
1 dn
J
S dt
УРАВНЕНИЕ ТЕОРЕЛЛА

21.

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

22.

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

23.

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

24.

dm/dt
Зависимость скорости простой
диффузии
от
концентрации
переносимого вещества
c

25.

ОБЛЕГЧЕННАЯ
ДИФФУЗИЯ

26.

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

27. ОБЛЕГЧЕННАЯ ДИФФУЗИЯ

J max S
J
K S

28. БЕЛКИ-ПЕРЕНОСЧИКИ: СПОСОБЫ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В МЕМБРАНЕ

29.

МИГРАЦИОННЫЙ МЕХАНИЗМ
РАЗМЕР ПЕРЕНОСЧИКА
МЕНЬШЕ, ЧЕМ ТОЛЩИНА
МЕМБРАНЫ

30.

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

31.

ИЗМЕНЕНИЕ
КОНФОРМАЦИИ
ПЕРЕНОСЧИКА

32. 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
АН СССР (ныне — РАН)

33. КЛАССИФИКАЦИЯ ИОНОФОРОВ ПО МЕХАНИЗМУ ПЕРЕНОСА

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

34. ВАЛИНОМИЦИН

К+

35. 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

36.

ГРАМИЦИДИН
ДИАМЕТР 0,4 НМ
ПРОНИЦАЕМОСТЬ
ГРАМИЦИДИНОВОГО
КАНАЛА ДЛЯ ИОНОВ
Li Na K Rb Cs

37.

АМФОТЕРИЦИНОВЫЙ КАНАЛ
ДИАМЕТР 0,7 НМ
ПРОПУСКАЕТ
ОДНОВАЛЕНТНЫЕ
ИОНЫ, ВОДУ,
НЕЭЛЕКТРОЛИТЫ
ЛУЧШЕ ПРОВОДИТ
АНИОНЫ

38. АЛАМЕТИЦИН

МОДЕЛЬ «БОЧОНКА»
ЗАВИСИМОСТЬ ОТ МП; ПРОНИЦАЕМ ДЛЯ
КАТИОНОВ И АНИОНОВ

39. ТРАНСПОРТ ВОДЫ

40.

ТРАНСПОРТ ВОДЫ
градиент
гидростатического
давления
осмотический градиент
Фильтрация
Осмос

41.

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

42.

43.

ФИЛЬТРАЦИЯ – ПЕРЕНОС ВОДЫ ИЗ ОБЛАСТИ
ВЫСОКОГО В ОБЛАСТЬ НИЗКОГО
ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ
dv r dp
dt 8 l dx
4
СКОРОСТЬ ПЕРЕНОСА

44. ВОДНЫЙ КАНАЛ, ОБРАЗОВАННЫЙ АКВАПОРИНАМИ

За открытие аквапоринов
Питер Эгр получил в
2003 году Нобелевскую
премию по химии

45.

АКВАПОРИНЫ – БЕЛКИ
МОЛЕКУЛЯРНОЙ
МАССОЙ 30 кДа
ОБРАЗУЮТ ТЕТРАМЕРЫ
«Водные каналы« (аквапорины)
избирательно пропускают молекулы
воды, но препятствуют потоку ионов и
других растворимых веществ.
Скорость 3·109
молекул воды в
секунду
Другие акваглицерофорины
пропускают не только воду, но и
глицерин, CO2, аммиак и мочевину, в
зависимости от диаметра и формы
образуемой поры.

46.

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.