Passiv transport av stoffer over cellemembraner inkluderer følgende typer: enkel diffusjon og tilrettelagt diffusjon Filtrering
Enkel diffusjon- prosessen med overføring av et stoff fra et område med høyere konsentrasjon til et område med lavere konsentrasjon. Diffusjon er beskrevet Fick-ligning:
hvor er vektoren for masseflukstettheten til det diffuserende stoffet, C i og C 0 er konsentrasjonene av det diffuserende stoffet i og utenfor cellen. C mi og C m 0 er konsentrasjonene av det diffuserende stoffet inne i membranen ved membrangrensen P er membranens permeabilitet.
Tilrettelagt diffusjon.
Evnen til membraner skyldes to årsaker: tilstedeværelsen i dem transportører, kalt ionoforer (mobil Og fikset) Og kanaler . Tilrettelagt diffusjon er prosessen med å transportere stoffer ved hjelp av spesielle bærermolekyler.
hvor er trykkfallet på avstand, er viskositeten til væsken, er radiusen til filtreringsoverflaten, er overføringstiden.
Filtrering. Filtrering er overføring av løsemiddelmolekyler under påvirkning av en trykkgradient. Dermed er årsaken og drivkraften i filtreringsprosessen trykkforskjellen. Volumet av løsemiddel som overføres som et resultat av filtrering bestemmes av Poiseuille-formelen:
hvor er trykkfallet på avstand , er viskositeten til væsken, er overflatens radius
væsker.
54. Aktiv transport av ioner. Mekanismen for aktiv transport av stoffer ved å bruke eksempelet på en Na-K-pumpe. Hvis i celler substantiv. bare passiv transport, da ville konsentrasjonene, trykket og andre verdier utenfor og inne i cellen være like. Derfor er det en annen mekanisme som virker i retning mot den elektrokjemiske gradienten og oppstår med cellens energiforbruk. Overføringen av molekyler og ioner mot den elektrokjemiske gradienten, utført av cellen på grunn av energien til metabolske prosesser, kalles. aktiv transport. Det er bare iboende i biologiske membraner. Aktiv overføring av et stoff gjennom en membran skjer på grunn av fri energi frigjort under kjemiske reaksjoner. Reaksjoner inne i cellen Aktiv transport i kroppen skaper konsentrasjonsgradienter, elektrisitet. potensialer, trykk, dvs. opprettholder liv i kroppen. Tre hovedaktive transportsystemer er studert, som sikrer overføring av Na, K, Ca, H ioner over membranen. Mekanisme. K + og Na + ioner er ujevnt fordelt på forskjellige sider av membranen: konsent. Na + utenfor > K + ioner, og inne i cellen K + > Na + Disse ionene diffunderer gjennom membranen i retning av den elektrokjemiske gradienten, som fører til utjevning. Na-K innløpspumper i sammensetningen av cytoplasmaet. membraner og arbeid på grunn av energien til hydrolyse av ATP-molekyler med et volum på mol-l ADP og uorganisk. fosfat F n:ATP=ADP+P n. Pumpen fungerer reversibelt: gradienter av ionekonsentrasjoner letter syntesen av mol-l ATP fra mol-l ADP og Ph n: ADP + Ph n = ATP Pumpen overføres fra cellen til utsiden. miljø 3 K + ioner inn i cellen.
55.Metoder for penetrering av ting gjennom biologiske membraner.. En av de viktigste egenskapene til cellemembraner (CM) er seleksjon. permeabilitet. CM reduserer selektivt bevegelseshastigheten til molekyler inn og ut av cellen. Jo mindre mol og jo mindre er den. hydrogen. koblinger, jo raskere diffunderer den gjennom membranen. =>, jo mindre molekylet er og jo mer fettløselig det er, jo raskere vil det trenge gjennom membranen Små ikke-polare molekyler er lett løselige i CM-lipider og diffunderer raskt Cellen ble tvunget til å lage spesielle mekanismer for transporten av vannløselige stoffer ting-inn gjennom membranen-gjennom porene i membranen og gjennom transportproteiner-bærere mol-l. For fettuløselige stoffer og ioner fungerer membranen som molekylsikt: Jo større partikkelstørrelse, jo mindre permeabel er membranen for dette stoffet. Overføringsselektivitet sikres av et sett med porer i membranen med en viss radius som tilsvarer størrelsen på den penetrerende partikkelen.Denne fordelingen avhenger av membranpotensialet. Overføre liten vannløselig mol-l utføres ved hjelp av spesielle transportproteiner.Dette er spesielle proteiner som hver for seg er ansvarlig for transporten av visse molekyler eller grupper av molekyler. Spesielle membrantransportproteiner er ansvarlige for overføringen av sukker, aminosyrer og andre polare molekyler. Hver av dem er beregnet på en bestemt klasse av molekyler. De sørger alle for overføring av molekyler gjennom membranen, som dannes i den gjennom passasjer. Transportproteiner deles inn i bærerproteiner og kanaldannende proteiner. Vektorer samhandle med molekylet til det overførte stoffet og på en eller annen måte bevege det gjennom membranen. Kanaldannende-de danner vannporer i membranen som ting kan passere gjennom. Forskjeller mellom tilrettelagt diffusjon og enkel diffusjon: 1) overføring av ioner med deltakelse av bærere. mye raskere; 2) har en metningstilstand - ved uv. kons. På den ene siden av membranen øker stoffets strømningstetthet bare til en viss grense. En type forenklet diff.-transport ved bruk av immobile molekylære bærere festet over membranen. Osmose- bevegelse av mol-l vann gjennom semipermeable membraner fra steder med lavere konsentrasjon av et oppløst stoff til steder med høyere konsentrasjon. Osmose forårsaker hemolyse av røde blodceller i hypotone løsninger og turgor i planter.
56. Historie om oppdagelsen av biopotensialer. Bernsteins hypotese. . fransk prest Abbed Nollet i 1746 oppdaget han fenomenet osmose. 1826 Dutrochet bevist at osmose er resultatet av manifestasjonen ikke av spesielle, mytiske krefter, men av fysikk- og kjemilovene. tysk botaniker Pfeffer-oppfant et osmometer og målte verdien av osmotisk trykk.Han oppdaget at for hver løsning er trykkverdien direkte proporsjonal med konsentrasjonen. oppløst stoff som ikke går gjennom den semipermeable membranen (P osm =m/V m-masse av det oppløste stoffet, V-volum av løsningen). Van't Hoff kom til den konklusjon at mol av et oppløst stoff i et løsemiddel oppfører seg som mol av en ideell gass (P osm = C m RT C m er molartettheten til det oppløste stoffet). Van't Hoffs teori ga nøyaktige verdier for verdien av osm.trykk for mange ting, men for noen viser det seg. 2 ganger mer enn beregnet. S. Arrhenius antydet at i løsningen brytes saltmolen opp i 2 elektrolytiske partikler. dissosiasjon. Walter Nernst underbygget ideen om diffusjonspotensial, som oppstår når to væsker kommer i kontakt. Vel-på diff.potensial regne ut: Ф n =(u-v/u+v)×(RT/F)×Ln(C 1 /C 2), Hvor u Og v- raske og lave hastigheter. ioner , R- gass.konstant , C1 og C2- elektrolyttkonsentrasjon. For å endre differensialpotensialet. en forskjell i elektrolyttkonsentrasjoner og ulik mobilitet av anioner og kationer er nødvendig. Bernstein begynte å forklare de elektriske egenskapene til muskler ikke ved strukturen til disse organene som helhet, men med egenskapene til cellene som disse organene besto av. 1902 er fødselsåret for membranteorien om biopotensialer. Ifølge Bernsteins hypotese, hver celle skallet, som er en semipermeabel membran. Det er mange frie ioner i og utenfor cellen, blant dem er K + ioner. Forskjellen i svette mellom indre siden av BM og dens ytre side kalles hvilepotensialet (RP). Verdien av RP er beskrevet av Nernst-formelen: F N =-(RT/F)×Ln[(K +) I /(K +) 0 ] hvor i - konsentrasjon av K-ioner inne i cellen, 0 - konsentrasjon av K-ioner utenfor cellen.
57.Membranionteori om cellebiopotensialgenerering og grunnleggende. eksperimenter som bekrefter det. Yu Bernshtein(eksperimenter på froskemuskel). Oppvarming av 1 ende av hele muskelen, strøm vil flyte fra det oppvarmede området til det kalde. Elektrisk strøm flyter i retning fra punkter i rommet med høyere potensial til et sted med lavere elektrisk potensial. I 1905. Geber fant ut at alle salter, brus K, viste seg å være en lignende effekt på muskelen: området som K-saltløsningen virket på fikk et negativt potensial i forhold til andre områder av muskelen Alle K-salter, når de ble dissosiert i vann, økte den ytre konsentrasjonen av K-ioner, mens forholdet (K +) i\(K +) 0 smart, smart og svett i det området av muskelen på katten. d-yut salter K. Imidlertid var forsøkene til Bernstein og Geber indirekte. For å bekrefte riktigheten av hypotesen, var det nødvendig å bevise følgende: 1) celler oppkalt etter en membran som er permeabel for kun ett ion; 2) konsentrasjonen av dette ionet på begge sider av BM er forskjellig; 3) potensialet på membranen oppstår kun på grunn av membranens permeabilitet for dette ionet og det er lik Nernst-potensialet. I 1936 J. Jung oppdaget en blekksprut hvis nervefiberdiameter nådde opp til en millimeter Blekksprutens akson var en gigantisk celle, selv om bløtdyret i seg selv ikke var en kjempe Nervefiberen ble tatt ut av bløtdyret og plassert i sjøvann, og den døde ikke . => (celleeksperiment. nivå). I 1939 A. Hodgkin og Huxley målte potensialforskjellen på blekksprutaksonet De beviste at inne i aksonet de. det er mange K-ioner, og de er arr. iongass, dvs. finnes i gratis. betingelse
Konsentrasjonsgradient(fra lat. grady, gradu, gradus- fremgang, bevegelse, flyt, tilnærming; lure- med, sammen, sammen + sentrum- sentrum) eller konsentrasjonsgradient er vektor fysisk mengde, som karakteriserer størrelsen og retningen til den største endringen konsentrasjoner noe stoff i miljøet. Hvis vi for eksempel tar for oss to regioner med forskjellige konsentrasjoner av et stoff, atskilt med en semipermeabel membran, vil konsentrasjonsgradienten bli rettet fra regionen med lavere konsentrasjon av stoffet til regionen med høyere konsentrasjon.
Aktiv transport- overføring av materie gjennom mobilnettet eller intracellulært membran(transmembran A.t.) eller gjennom et lag med celler (transcellulær A.t.), som strømmer mot konsentrasjonsgradient fra et område med lav konsentrasjon til et område med høy, dvs. med bruk av fri energi i kroppen. I de fleste tilfeller, men ikke alltid, er energikilden energien til høyenergibindinger ATP.
Ulike transport-ATPaser, lokalisert i cellemembraner og involvert i mekanismene for stoffoverføring, er hovedelementet i molekylære enheter - pumper som sikrer selektiv absorpsjon og utpumping av visse stoffer (for eksempel elektrolytter) av cellen. Aktiv spesifikk transport av ikke-elektrolytter (molekylær transport) realiseres ved hjelp av flere typer molekylære maskiner - pumper og bærere. Transport av ikke-elektrolytter (monosakkarider, aminosyrer og andre monomerer) kan kobles med importere- transport av et annet stoff, hvis bevegelse mot konsentrasjonsgradienten er en energikilde for den første prosessen. Symport kan gis av ionegradienter (for eksempel natrium) uten direkte deltakelse av ATP.
Passiv transport- overføring av stoffer gjennom konsentrasjonsgradient fra et område med høy konsentrasjon til et område med lavt, uten energiforbruk (for eksempel, diffusjon, osmose). Diffusjon er den passive bevegelsen av et stoff fra et område med høyere konsentrasjon til et område med lavere konsentrasjon. Osmose er den passive bevegelsen av visse stoffer gjennom en semipermeabel membran (vanligvis passerer små molekyler, store molekyler passerer ikke gjennom).
Det er tre typer penetrering av stoffer inn i celler gjennom membraner: enkel diffusjon, forenklet diffusjon, aktiv transport.
Enkel diffusjon
Ved enkel diffusjon beveger partikler av et stoff seg gjennom lipid-dobbeltlaget. Retningen for enkel diffusjon bestemmes kun av forskjellen i konsentrasjonene av stoffet på begge sider av membranen. Ved enkel diffusjon trenger de inn i cellen hydrofobisk stoffer (O2, N2, benzen) og polare små molekyler (CO 2, H 2 O, urea). Polare relativt store molekyler (aminosyrer, monosakkarider), ladede partikler (ioner) og makromolekyler (DNA, proteiner) trenger ikke gjennom.
Tilrettelagt diffusjon
De fleste stoffene transporteres over membranen ved hjelp av transportproteiner (bærerproteiner) nedsenket i den. Alle transportproteiner danner en kontinuerlig proteinpassasje over membranen. Ved hjelp av bærerproteiner utføres både passiv og aktiv transport av stoffer. Polare stoffer (aminosyrer, monosakkarider), ladede partikler (ioner) passerer gjennom membraner ved hjelp av tilrettelagt diffusjon, med deltakelse av kanalproteiner eller bærerproteiner. Deltakelsen av bærerproteiner gir en høyere hastighet for tilrettelagt diffusjon sammenlignet med enkel passiv diffusjon. Hastigheten for tilrettelagt diffusjon avhenger av en rekke årsaker: av trantil det transporterte stoffet, av mengden av transportøren som binder seg til det transporterte stoffet, av bindingshastigheten av stoffet av transportøren på en overflate av membranen (for eksempel på den ytre overflaten), på hastigheten av konformasjonsendringer i transportørmolekylet, som et resultat av at stoffet overføres gjennom membranen og frigjøres på den andre siden av membranen. Tilrettelagt diffusjon krever ikke spesielle energikostnader på grunn av ATP-hydrolyse. Denne funksjonen skiller tilrettelagt diffusjon fra aktiv transmembrantransport.
Utvekslingen av ulike stoffer og energi mellom cellen og det ytre miljø er en viktig betingelse for dens eksistens.
For å opprettholde konstansen til den kjemiske sammensetningen og egenskapene til cytoplasmaet under forhold der det er betydelige forskjeller i den kjemiske sammensetningen og egenskapene til det ytre miljøet og cytoplasmaet til cellen, må det eksistere spesielle transportmekanismer selektivt beveger stoffer gjennom.
Spesielt må celler ha mekanismer for å levere oksygen og næringsstoffer fra miljøet og fjerne metabolitter inn i det. Konsentrasjonsgradienter av ulike stoffer eksisterer ikke bare mellom cellen og det ytre miljøet, men også mellom celleorganeller og cytoplasma, og transportstrømmer av stoffer observeres mellom ulike rom i cellen.
Av spesiell betydning for oppfatningen og overføringen av informasjonssignaler er opprettholdelsen av transmembranforskjellen i konsentrasjonene av mineralioner Na+, K+, Ca2+. Cellen bruker en betydelig del av sin metabolske energi på å opprettholde konsentrasjonsgradienter av disse ionene. Energien til elektrokjemiske potensialer lagret i ionegradienter sikrer den konstante beredskapen til celleplasmamembranen til å reagere på stimuli. Inntreden av kalsium i cytoplasmaet fra det intercellulære miljøet eller fra cellulære organeller sikrer responsen til mange celler på hormonelle signaler, kontrollerer frigjøringen av nevrotransmittere i og utløser.
Ris. Klassifisering av transporttyper
For å forstå mekanismene for overgang av stoffer gjennom cellemembraner, er det nødvendig å ta hensyn til både egenskapene til disse stoffene og egenskapene til membranene. Transporterte stoffer er forskjellige i molekylvekt, ladningsoverføring, løselighet i vann, lipider og en rekke andre egenskaper. Plasma og andre membraner er representert av store områder med lipider, gjennom hvilke fettløselige ikke-polare stoffer lett diffunderer og vann og vannløselige stoffer av polar natur ikke passerer gjennom. For transmembranbevegelse av disse stoffene er tilstedeværelsen av spesielle kanaler i cellemembraner nødvendig. Transporten av molekyler av polare stoffer blir vanskeligere når størrelsen og ladningen øker (i dette tilfellet kreves det ytterligere transportmekanismer). Overføring av stoffer mot konsentrasjon og andre gradienter krever også medvirkning av spesielle bærere og energiforbruk (fig. 1).
Ris. 1. Enkel, tilrettelagt diffusjon og aktiv transport av stoffer over cellemembraner
For transmembranbevegelse av høymolekylære forbindelser, supramolekylære partikler og cellekomponenter som ikke er i stand til å trenge gjennom membrankanaler, brukes spesielle mekanismer - fagocytose, pinocytose, eksocytose, transport gjennom intercellulære rom. Dermed kan transmembranbevegelsen av forskjellige stoffer utføres ved hjelp av forskjellige metoder, som vanligvis er delt inn i henhold til deltakelsen av spesielle bærere i dem og energiforbruk. Det er passiv og aktiv transport over cellemembraner.
Passiv transport— overføring av stoffer gjennom en biomembran langs en gradient (konsentrasjon, osmotisk, hydrodynamisk osv.) og uten energiforbruk.
Aktiv transport- overføring av stoffer gjennom en biomembran mot en gradient og med energiforbruk. Hos mennesker brukes 30-40 % av all energi som genereres under metabolske reaksjoner på denne typen transport. I nyrene går 70-80 % av oksygenet som forbrukes til aktiv transport.
Passiv transport av stoffer
Under passiv transport forstå overføringen av et stoff gjennom membraner langs ulike gradienter (elektrokjemisk potensial, konsentrasjon av et stoff, elektrisk felt, osmotisk trykk, etc.), som ikke krever direkte energiforbruk for implementeringen. Passiv transport av stoffer kan skje gjennom enkel og tilrettelagt diffusjon. Det er kjent at under diffusjon forstå de kaotiske bevegelsene til materiepartikler i ulike miljøer, forårsaket av energien til dens termiske vibrasjoner.
Hvis molekylet til et stoff er elektrisk nøytralt, vil diffusjonsretningen til dette stoffet kun bestemmes av forskjellen (gradienten) i konsentrasjonene av stoffet i medier adskilt av en membran, for eksempel utenfor og inne i cellen eller mellom dens avdelinger. Hvis molekylet eller ionene til et stoff bærer en elektrisk ladning, vil diffusjon bli påvirket av både konsentrasjonsforskjellen, mengden ladning av dette stoffet, og tilstedeværelsen og tegn på ladninger på begge sider av membranen. Den algebraiske summen av konsentrasjonskreftene og elektriske gradienter på membranen bestemmer størrelsen på den elektrokjemiske gradienten.
Enkel diffusjon utføres på grunn av tilstedeværelsen av konsentrasjonsgradienter av et bestemt stoff, elektrisk ladning eller osmotisk trykk mellom sidene av cellemembranen. For eksempel er gjennomsnittlig innhold av Na+ ioner i blodplasma 140 mmol/l, og i erytrocytter er det omtrent 12 ganger mindre. Denne konsentrasjonsforskjellen (gradienten) skaper en drivkraft som gjør at natrium kan bevege seg fra plasma til røde blodceller. Imidlertid er hastigheten på en slik overgang lav, siden membranen har svært lav permeabilitet for Na + -ioner. Permeabiliteten til denne membranen for kalium er mye større. Prosessene med enkel diffusjon forbruker ikke energien til cellulær metabolisme.
Hastigheten for enkel diffusjon er beskrevet av Fick-ligningen:
dm/dt = -kSΔC/x,
Hvor dm/ dt- mengden stoff som diffunderer per tidsenhet; Til - diffusjonskoeffisient som karakteriserer permeabiliteten til membranen for en diffuserende substans; S- diffusjon overflateareal; ΔС— forskjellen i konsentrasjoner av stoffet på begge sider av membranen; X— avstand mellom diffusjonspunkter.
Fra analysen av diffusjonsligningen er det klart at hastigheten på enkel diffusjon er direkte proporsjonal med konsentrasjonsgradienten til et stoff mellom sidene av membranen, membranens permeabilitet for et gitt stoff og diffusjonsoverflatearealet.
Det er åpenbart at de enkleste stoffene å bevege seg gjennom membranen ved diffusjon vil være de stoffene hvis diffusjon skjer langs både en konsentrasjonsgradient og en elektrisk feltgradient. En viktig betingelse for diffusjon av stoffer gjennom membraner er imidlertid de fysiske egenskapene til membranen og spesielt dens permeabilitet for stoffet. For eksempel bør Na+-ioner, hvis konsentrasjon er høyere utenfor cellen enn inne i den, og den indre overflaten av plasmamembranen er negativt ladet, lett diffundere inn i cellen. Imidlertid er diffusjonshastigheten av Na+ ioner gjennom plasmamembranen til en celle i hvile lavere enn for K+ ioner, som diffunderer langs konsentrasjonsgradienten ut av cellen, siden permeabiliteten til membranen under hvileforhold for K+ ioner er høyere enn for Na+ ioner.
Siden hydrokarbonradikalene til fosfolipider som danner membrandobbeltlaget har hydrofobe egenskaper, kan stoffer av hydrofob natur, spesielt de som er lett løselige i lipider (steroider, skjoldbruskkjertelhormoner, noen medikamenter, etc.), lett diffundere gjennom membranen. Lavmolekylære stoffer av hydrofil natur, mineralioner diffunderer gjennom passive ionekanaler av membraner dannet av kanaldannende proteinmolekyler, og eventuelt gjennom pakkingsdefekter i membranen til fosfolipidmolekyler som oppstår og forsvinner i membranen som følge av termiske svingninger.
Diffusjon av stoffer i vev kan skje ikke bare gjennom cellemembraner, men også gjennom andre morfologiske strukturer, for eksempel fra spytt inn i dentinvevet til en tann gjennom emaljen. I dette tilfellet forblir betingelsene for diffusjon de samme som gjennom cellemembraner. For eksempel, for diffusjon av oksygen, glukose og mineralioner fra spytt til tannvev, må deres konsentrasjon i spytt overstige konsentrasjonen i tannvev.
Under normale forhold kan ikke-polare og små elektrisk nøytrale polare molekyler passere gjennom fosfolipid-dobbeltlaget i betydelige mengder gjennom enkel diffusjon. Transport av betydelige mengder andre polare molekyler utføres av bærerproteiner. Hvis transmembranovergangen til et stoff krever deltakelse av en bærer, brukes ofte begrepet i stedet for begrepet "diffusjon". transport av et stoff over en membran.
Tilrettelagt diffusjon, akkurat som enkel "diffusjon" av et stoff, skjer langs dets konsentrasjonsgradient, men i motsetning til enkel diffusjon, er et spesifikt proteinmolekyl, en bærer, involvert i overføringen av et stoff gjennom membranen (fig. 2).
Tilrettelagt diffusjon er en type passiv transport av ioner gjennom biologiske membraner, som utføres langs en konsentrasjonsgradient ved hjelp av en bærer.
Overføringen av et stoff ved hjelp av et bærerprotein (transportør) er basert på evnen til dette proteinmolekylet til å integrere seg i membranen, trenge inn i den og danne kanaler fylt med vann. Bæreren kan reversibelt binde seg til det transporterte stoffet og samtidig endre konformasjonen reversibelt.
Det antas at bærerproteinet er i stand til å være i to konformasjonstilstander. For eksempel i en stat EN dette proteinet har en affinitet for det transporterte stoffet, dets stoffbindingssteder er vendt innover og det danner en pore som er åpen til den ene siden av membranen.
Ris. 2. Tilrettelagt diffusjon. Beskrivelse i teksten
Etter å ha kontaktet stoffet, endrer bærerproteinet sin konformasjon og går inn i tilstanden 6 . Under denne konformasjonstransformasjonen mister bæreren sin affinitet for stoffet som transporteres, den frigjøres fra forbindelsen med bæreren og flyttes til en pore på den andre siden av membranen. Etter dette går proteinet tilbake til tilstand a igjen. Denne overføringen av et stoff av et transportørprotein over en membran kalles uniport.
Gjennom tilrettelagt diffusjon kan lavmolekylære stoffer som glukose transporteres fra interstitielle rom inn i celler, fra blodet inn i hjernen, noen aminosyrer og glukose kan reabsorberes fra primær urin inn i blodet i nyretubuli, og aminosyrer og monosakkarider kan absorberes fra tarmen. Hastigheten for transport av stoffer ved tilrettelagt diffusjon kan nå opp til 10 8 partikler per sekund gjennom kanalen.
I motsetning til overføringshastigheten av et stoff ved enkel diffusjon, som er direkte proporsjonal med forskjellen i dets konsentrasjoner på begge sider av membranen, øker overføringshastigheten av et stoff under tilrettelagt diffusjon proporsjonalt med økningen i forskjellen i konsentrasjoner av stoffet opp til en viss maksimalverdi, over hvilken det ikke øker, til tross for økningen i forskjellen i konsentrasjoner av stoffet langs begge sider av membranen. Å oppnå maksimal hastighet (metning) for overføring i prosessen med tilrettelagt diffusjon forklares av det faktum at ved maksimal hastighet er alle molekyler av bærerproteiner involvert i overføring.
Utvekslingsdiffusjon- ved denne typen transport av stoffer kan det oppstå en utveksling av molekyler av samme stoff som befinner seg på forskjellige sider av membranen. Konsentrasjonen av stoffet på hver side av membranen forblir uendret.
En type utvekslingsdiffusjon er utveksling av et molekyl av ett stoff for ett eller flere molekyler av et annet stoff. For eksempel, i de glatte muskelcellene i blodkar og bronkier, i hjertets kontraktile myocytter, er en av måtene å fjerne Ca 2+ ioner fra cellene på å bytte dem ut med ekstracellulære Na+ ioner. For hver tre innkommende Na+-ioner fjernes ett Ca 2+-ion fra cellen. En gjensidig avhengig (koblet) bevegelse av Na+ og Ca2+ gjennom membranen i motsatte retninger skapes (denne typen transport kalles antiport). Dermed frigjøres cellen fra overflødig Ca 2+ -ioner, som er en nødvendig betingelse for avslapning av glatte myocytter eller kardiomyocytter.
Aktiv transport av stoffer
Aktiv transport stoffer gjennom er overføring av stoffer mot deres gradienter, utført med forbruk av metabolsk energi. Denne typen transport skiller seg fra passiv transport ved at transport ikke skjer langs en gradient, men mot konsentrasjonsgradientene til et stoff, og den bruker energien til ATP eller andre typer energi for å lage ATP som tidligere ble brukt. Hvis den direkte kilden til denne energien er ATP, kalles slik overføring primær aktiv. Hvis energi (konsentrasjon, kjemiske, elektrokjemiske gradienter) tidligere lagret på grunn av driften av ionepumper som forbrukte ATP brukes til transport, kalles slik transport sekundær aktiv, så vel som konjugat. Et eksempel på koblet, sekundær aktiv transport er absorpsjonen av glukose i tarmen og dens reabsorpsjon i nyrene med deltakelse av Na-ioner og GLUT1-transportører.
Takket være aktiv transport kan kreftene til ikke bare konsentrasjon, men også elektriske, elektrokjemiske og andre gradienter av et stoff overvinnes. Som et eksempel på driften av primær aktiv transport kan vi vurdere driften av Na+ -, K+ -pumpen.
Den aktive transporten av Na + og K + -ioner sikres av et proteinenzym - Na + -, K + -ATPase, som er i stand til å bryte ned ATP.
Na K-ATPase-proteinet finnes i den cytoplasmatiske membranen til nesten alle celler i kroppen, og utgjør 10 % eller mer av det totale proteininnholdet i cellen. Mer enn 30 % av den totale metabolske energien til cellen brukes på driften av denne pumpen. Na + -, K + -ATPase kan være i to konformasjonstilstander - S1 og S2. I S1-tilstanden har proteinet en affinitet for Na-ion og 3 Na-ioner er festet til tre bindingssteder med høy affinitet som vender mot cellen. Tilsetningen av Na"-ionet stimulerer ATPase-aktivitet, og som et resultat av ATP-hydrolyse blir Na+ -, K+ -ATPase fosforylert på grunn av overføringen av en fosfatgruppe til den og utfører en konformasjonsovergang fra S1-tilstanden til S2 tilstand (fig. 3).
Som et resultat av endringer i den romlige strukturen til proteinet, vender bindingsstedene for Na-ioner til den ytre overflaten av membranen. Affiniteten til bindingssteder for Na+ -ioner avtar kraftig, og den, etter å ha blitt frigjort fra bindingen med proteinet, overføres til det ekstracellulære rommet. I konformasjonstilstanden S2 øker affiniteten til Na+ -, K-ATPase-sentre for K-ioner og de fester to K-ioner fra det ekstracellulære miljøet. Tilsetning av K-ioner forårsaker defosforylering av proteinet og dets omvendte konformasjonsovergang fra S2-tilstanden til S1-tilstanden. Sammen med rotasjonen av bindingssentrene til den indre overflaten av membranen, frigjøres to K-ioner fra deres forbindelse med bæreren og overføres innvendig. Slike overføringssykluser gjentas med en hastighet som er tilstrekkelig til å opprettholde ulik fordeling av Na+- og K+-ioner i en hvilende celle i cellen og det intercellulære mediet og, som en konsekvens, for å opprettholde en relativt konstant potensialforskjell på membranen til eksiterbare celler.
Ris. 3. Skjematisk fremstilling av driften av Na+ -, K + -pumpen
Stoffet strophanthin (ouabain), isolert fra revebjelleplanten, har den spesifikke evnen til å blokkere Na + -, K + - pumpen. Etter introduksjonen i kroppen, som et resultat av å blokkere pumpingen av Na+ ion fra cellen, observeres en reduksjon i effektiviteten til Na+ -, Ca 2 -utvekslingsmekanismen og akkumulering av Ca 2+ ioner i kontraktile kardiomyocytter. Dette fører til økt myokardkontraksjon. Legemidlet brukes til å behandle insuffisiens av pumpefunksjonen til hjertet.
I tillegg til Na "-, K + -ATPase, er det flere andre typer transport-ATPaser, eller ionepumper. Blant dem en pumpe som transporterer hydrogengasser (cellemitokondrier, renalt tubulært epitel, parietalceller i magen); kalsiumceller pumper (pacemaker og kontraktile celler i hjertet, muskelceller i tverrstripet og glatt muskulatur) For eksempel, i cellene i skjelettmuskulatur og myokard er Ca 2+ -ATPase-proteinet bygget inn i membranene til det sarkoplasmatiske retikulumet og takket være til sitt arbeid, opprettholder en høy konsentrasjon av Ca 2+ ioner i sine intracellulære lagre (sisterner, langsgående tubuli i det sarkoplasmatiske retikulum).
I noen celler brukes kreftene til den transmembrane elektriske potensialforskjellen og natriumkonsentrasjonsgradienten, som følge av driften av Na+, Ca 2+ pumpen, til å utføre sekundære aktive typer overføring av stoffer over cellemembranen.
Sekundær aktiv transport preget av det faktum at overføringen av et stoff over membranen utføres på grunn av konsentrasjonsgradienten til et annet stoff, som ble skapt av mekanismen for aktiv transport med forbruk av ATP-energi. Det er to typer sekundær aktiv transport: symport og antiport.
Importer kalt overføring av et stoff, som er forbundet med samtidig overføring av et annet stoff i samme retning. Symportmekanismen transporterer jod fra det ekstracellulære rommet til thyrocyttene i skjoldbruskkjertelen, glukose og aminosyrer når de absorberes fra tynntarmen til enterocytter.
Antiport kalt overføring av et stoff, som er forbundet med samtidig overføring av et annet stoff, men i motsatt retning. Et eksempel på en antiporter-overføringsmekanisme er arbeidet til den tidligere nevnte Na + -, Ca 2+ - utveksleren i kardiomyocytter, K + -, H + - utvekslingsmekanismen i epitelet til nyretubuli.
Fra eksemplene ovenfor er det klart at sekundær aktiv transport utføres ved bruk av gradientkrefter av Na+-ioner eller K+-ioner. Na+-ionet eller K-ionet beveger seg gjennom membranen mot sin lavere konsentrasjon og trekker med seg et annet stoff. I dette tilfellet brukes vanligvis et spesifikt bærerprotein innebygd i membranen. For eksempel skjer transporten av aminosyrer og glukose når de absorberes fra tynntarmen inn i blodet på grunn av at membranbærerproteinet i epitelet i tarmveggen binder seg til aminosyren (glukose) og Na + ion og først da endrer posisjon i membranen på en slik måte at den transporterer aminosyren (glukose) og Na+ ion inn i cytoplasmaet. For å utføre en slik transport er det nødvendig at konsentrasjonen av Na+-ionet utenfor cellen er mye større enn inne, noe som sikres av det konstante arbeidet med Na+, K+ - ATPase og forbruket av metabolsk energi.
Under passiv overføring beveger vann, ioner og noen lavmolekylære forbindelser seg fritt på grunn av konsentrasjonsforskjeller og utjevner konsentrasjonen av stoffet i og utenfor cellen. Ved passiv transport spilles hovedrollen av fysiske prosesser som diffusjon, osmose og filtrering (fig. 24-26).
Hvis et stoff beveger seg over en membran fra et område med høy konsentrasjon til en lav konsentrasjon uten at cellen bruker energi, kalles slik transport passiv, eller diffusjon ). Det er to typer diffusjon: enkel Og lett . Cellemembranen er permeabel for noen stoffer og ugjennomtrengelig for andre. Hvis cellemembranen er permeabel for oppløste molekyler, forhindrer den ikke diffusjon.
Enkel diffusjon karakteristisk for små nøytrale molekyler (H 2 O, CO 2, O 2), samt hydrofobe lavmolekylære organiske stoffer. Disse molekylene kan passere uten interaksjon med membranproteiner gjennom membranporer eller -kanaler så lenge konsentrasjonsgradienten opprettholdes.
Tilrettelagt diffusjon. Karakteristisk for hydrofile molekyler som transporteres gjennom membranen også langs en konsentrasjonsgradient, men ved hjelp av spesielle membranproteiner - bærere. Tilrettelagt diffusjon, i motsetning til enkel diffusjon, er preget av høy selektivitet, siden transportørproteinet har et bindingssenter komplementært til det transporterte stoffet, og overføringen er ledsaget av konformasjonsendringer i proteinet.
En av de mulige mekanismene for tilrettelagt diffusjon kan være som følger: et transportprotein (translokase) binder et stoff, nærmer seg deretter motsatt side av membranen, frigjør dette stoffet, tar på seg sin opprinnelige konformasjon og er igjen klar til å utføre transportfunksjonen . Lite er kjent om hvordan proteinet i seg selv beveger seg. En annen mulig transportmekanisme involverer deltakelse av flere transportørproteiner. I dette tilfellet beveger den opprinnelig bundne forbindelsen seg fra ett protein til et annet, og binder seg sekvensielt med det ene eller det andre proteinet til det ender på motsatt side av membranen.
Når det gjelder transport av ioner, utføres det som regel ved bruk av diffusjon gjennom spesielle ionekanaler (Fig.27).
Fig.27. Hovedmekanismene for transmembranoverføring av signalinformasjon: I - passasje av et fettløselig signalmolekyl gjennom cellemembranen; II - binding av et signalmolekyl til reseptoren og aktivering av dets intracellulære fragment; III - regulering av ionekanalaktivitet; IV - overføring av signalinformasjon ved bruk av sekundære sendere. 1 - medisin; 2 - intracellulær reseptor; 3 - cellulær (transmembran) reseptor; 4 - intracellulær transformasjon (biokjemisk reaksjon); 5 - ionekanal; 6 - ionestrøm; 7 - sekundær mellommann; 8 - enzym eller ionekanal; 9 - sekundær mellommann.
Dermed er det flere mekanismer for transport av stoffer.
Den første mekanismen er at et lipidløselig signalmolekyl passerer gjennom cellemembranen og aktiverer en intracellulær reseptor (f.eks. et enzym). Dette gjøres av nitrogenoksid, en rekke fettløselige hormoner (glukokortikoider, mineralokortikoider, kjønnshormoner og skjoldbruskhormoner) og vitamin D. De stimulerer transkripsjonen av gener i cellekjernen og dermed syntesen av nye proteiner. Virkningsmekanismen til hormoner er å stimulere syntesen av nye proteiner i cellekjernen, som forblir aktive i cellen i lang tid.
Den andre mekanismen for signaloverføring gjennom cellemembranen er binding til cellulære reseptorer som har ekstracellulære og intracellulære fragmenter (det vil si transmembrane reseptorer). Slike reseptorer er mellomledd i den første fasen av virkningen av insulin og en rekke andre hormoner. De ekstracellulære og intracellulære delene av slike reseptorer er forbundet med en polypeptidbro som går gjennom cellemembranen. Det intracellulære fragmentet har enzymatisk aktivitet, som øker når signalmolekylet binder seg til reseptoren. Følgelig øker frekvensen av intracellulære reaksjoner som dette fragmentet deltar i.
Den tredje mekanismen for informasjonsoverføring er effekten på reseptorer som regulerer åpning eller lukking av ionekanaler. Naturlige signalmolekyler som interagerer med slike reseptorer inkluderer spesielt acetylkolin, gamma-aminosmørsyre (GABA), glycin, aspartat, glutamat og andre, som er mediatorer av ulike fysiologiske prosesser. Når de samhandler med reseptoren, øker transmembrankonduktansen for individuelle ioner, noe som forårsaker en endring i det elektriske potensialet til cellemembranen. For eksempel øker acetylkolin, som interagerer med H-kolinerge reseptorer, inngangen av natriumioner inn i cellen og forårsaker depolarisering og muskelkontraksjon. Samspillet mellom gamma-aminosmørsyre og reseptoren fører til en økning i tilførselen av klorioner til cellene, økt polarisering og utvikling av hemming (undertrykkelse) av sentralnervesystemet. Denne signalmekanismen er preget av den raske utviklingen av effekten (millisekunder).
Den fjerde mekanismen for transmembranoverføring av et kjemisk signal realiseres gjennom reseptorer som aktiverer en intracellulær sekundær transmitter. Ved interaksjon med slike reseptorer skjer prosessen i fire stadier. Signalmolekylet gjenkjennes av en reseptor på overflaten av cellemembranen; som et resultat av deres interaksjon aktiverer reseptoren G-proteinet på den indre overflaten av membranen. Et aktivert G-protein endrer aktiviteten til enten et enzym eller en ionekanal. Dette fører til en endring i den intracellulære konsentrasjonen til den sekundære budbringeren, gjennom hvilken effektene blir direkte realisert (metabolske prosesser og energiprosesser endres). Denne mekanismen for overføring av signalinformasjon gjør det mulig å styrke det overførte signalet. Så hvis interaksjonen mellom et signalmolekyl (for eksempel noradrenalin) med reseptoren varer flere millisekunder, vedvarer aktiviteten til den sekundære senderen, som reseptoren videresender signalet til, i titalls sekunder.
Sekundære budbringere er stoffer som dannes inne i cellen og er viktige komponenter i en rekke intracellulære biokjemiske reaksjoner. Intensiteten og resultatene av celleaktivitet og funksjonen til hele vevet avhenger i stor grad av deres konsentrasjon. De mest kjente andre budbringerne er syklisk adenosinmonofosfat (cAMP), syklisk guanosinmonofosfat (cGMP), kalsium- og kaliumioner, etc.
Osmose- en spesiell type diffusjon av vann gjennom en semipermeabel membran til et område med høyere konsentrasjon av et oppløst stoff. Som et resultat av denne bevegelsen skapes det betydelig trykk inne i cellen, som kalles osmotisk trykk. Dette trykket kan til og med ødelegge cellen.
For eksempel, hvis røde blodlegemer plasseres i rent vann, vil vannet under påvirkning av osmose trenge inn i dem raskere enn det vil forlate. Dette miljøet kalles hypotonisk. Når vann trenger inn, vil de røde blodcellene hovne opp og "sprekke". En annen situasjon er et isotonisk miljø. Hvis du plasserer røde blodlegemer i vann som inneholder 0,87 % bordsalt, dannes det ikke noe osmotisk trykk. Dette forklares med det faktum at med like konsentrasjoner av løsning i og utenfor cellen, beveger vann seg likt i begge retninger. Et medium regnes som hypertonisk når konsentrasjonen av stoffer oppløst i det er høyere enn i cellen. En celle (erytrocytt) i et slikt miljø begynner å miste vann, krymper og dør.
Alle disse egenskapene til osmose tas i betraktning ved administrering av medisinske stoffer. Som regel tilberedes medisiner beregnet for injeksjon i en isotonisk løsning. Dette forhindrer at blodcellene hovner eller krymper når medisinen administreres. Nesedråper tilberedes også i en isotonisk løsning for å unngå hevelse eller dehydrering av cellene i neseslimhinnen.
Osmose forklarer også noen av effektene av legemidler, for eksempel den lakserende effekten av Epsom-salter (magnesiumsulfat) og andre saltvannsavføringsmidler. I tarmens lumen danner de et hypertont miljø. Under påvirkning av osmose forlater vann tarmepitelcellene, intercellulært rom og blod inn i tarmens lumen, strekker tarmveggene, gjør innholdet flytende og akselererer tømmingen.
Filtrering- bevegelsen av vannmolekyler og stoffer oppløst i den gjennom cellemembranen i motsatt retning av virkningen av osmotisk trykk.
Denne prosessen blir mulig hvis løsningen i cellen er under trykk som er høyere enn osmotisk. For eksempel pumper hjertet blod inn i karene under et visst trykk. I de tynneste kapillærene øker dette trykket og blir tilstrekkelig til å tvinge vann og stoffer oppløst i blodet til å forlate kapillærene inn i det intercellulære rommet. Den såkalte vevsvæsken dannes, den spiller en viktig rolle i tilførselen av næringsstoffer til cellene og fjerning av metabolske sluttprodukter fra dem. Etter å ha utført sine funksjoner, returnerer vevsvæske i form av lymfe til blodstrømmen gjennom lymfekarene.
Filtrering spiller også en viktig rolle i funksjonen til nyrene. I nyrenes kapillærer er blodet under høyt trykk, noe som forårsaker filtrering av vann og stoffer oppløst i det fra blodårene til de tynneste nyretubuli. Deretter absorberes en del av vannet og stoffene som er nødvendige for kroppen igjen og kommer inn i den generelle blodstrømmen, og den resterende delen danner urin og skilles ut fra kroppen.
Passiv transport er transport av stoffer langs en konsentrasjonsgradient som ikke krever energi. Passiv transport av hydrofobe stoffer skjer gjennom lipid-dobbeltlaget. Alle kanalproteiner og noen transportører passerer stoffer passivt gjennom dem. Passiv transport som involverer membranproteiner kalles forenklet diffusjon.
Andre bærerproteiner (noen ganger kalt pumpeproteiner) transporterer stoffer over membranen ved hjelp av energi, som vanligvis tilføres ved hydrolyse av ATP. Denne typen transport skjer mot konsentrasjonsgradienten til det transporterte stoffet og kalles aktiv transport.
Simport, antiport og uniport
Membrantransport av stoffer er også forskjellig i bevegelsesretningen og mengden stoffer som bæres av en gitt bærer:
1) Uniport - transport av ett stoff i én retning avhengig av gradienten
2) Symport - transport av to stoffer i én retning gjennom én bærer.
3) Antiport - bevegelse av to stoffer i forskjellige retninger gjennom en bærer.
Uniport utfører for eksempel en spenningsavhengig natriumkanal gjennom hvilken natriumioner beveger seg inn i cellen under generering av et aksjonspotensial.
Importer utfører en glukosetransportør plassert på den ytre (vendt mot tarmlumen) siden av tarmepitelcellene. Dette proteinet fanger samtidig et glukosemolekyl og et natriumion og, endret konformasjon, overfører begge stoffene inn i cellen. Dette bruker energien til den elektrokjemiske gradienten, som igjen skapes på grunn av hydrolysen av ATP av natrium-kalium ATPase.
Antiport utføres for eksempel av natrium-kalium ATPase (eller natriumavhengig ATPase). Det transporterer kaliumioner inn i cellen. og fra cellen - natriumioner.
Arbeidet med natrium-kalium atPase som et eksempel på antiport og aktiv transport
Til å begynne med fester denne transportøren tre ioner til innsiden av membranen Na+ . Disse ionene endrer konformasjonen til det aktive stedet til ATPase. Etter slik aktivering er ATPasen i stand til å hydrolysere ett ATP-molekyl, og fosfationet festes på overflaten av transportøren på innsiden av membranen.
Den frigjorte energien brukes på å endre konformasjonen til ATPase, hvoretter tre ioner Na+ og ionet (fosfatet) havner på utsiden av membranen. Her ionene Na+ spaltes og erstattes av to ioner K+ . Deretter endres bærerkonformasjonen til den opprinnelige, og ionene K+ vises på innsiden av membranen. Her ionene K+ deles av, og transportøren er klar til å fungere igjen.
Mer kort kan handlingene til ATPase beskrives som følger:
1) Den "tar" tre ioner fra innsiden av cellen Na+, deler deretter ATP-molekylet og fester fosfat
2) "Kaster ut" ioner Na+ og legger til to ioner K+ fra det ytre miljø.
3) Kobler fra fosfat, to ioner K+ kaster inn i cellen
Som et resultat skapes det en høy konsentrasjon av ioner i det ekstracellulære miljøet Na+ , og inne i cellen er det en høy konsentrasjon K+ . Jobb Na + , K+ - ATPase skaper ikke bare en konsentrasjonsforskjell, men også en ladningsforskjell (den fungerer som en elektrogen pumpe). En positiv ladning skapes på utsiden av membranen, og en negativ ladning på innsiden.