Транспорт веществ через мембрану. Активный и пассивный транспорт. Унипорт и Симпорт.

Мембранным транспортом называют переход ионов и молекул вещества через мембрану из среды в клетку и в обратном направлении.

В зависимости от характера связи транспорта иона или молекулы с переносом др. ионов и молекул выделяют:

1) унипорт – транспорт независимо от транспорта др. соединений;

2) котранспорт – согласованный (взаимозависимый) транспорт через мембрану; к нему относят симпорт (одновременный и однонаправленный перенос двух различных веществ) и антипорт (одновременный транспорт через мембрану в противоположных направлениях).

В зависимости от изменения свободной энергии системы выделяют два типа транспорта:

Пассивный транспорт – перенос неэлектролитов и ионов через мембрану по градиенту хим. или электрохим. потенциала, сопровождающийся уменьшением свободной энергии (простую диффузию).

Активный транспорт – перенос неэлектролитов и ионов против градиента хим. или электрохим. потенциала, сопряженный с энергетическими затратами (перенос через мембрану аминокислот и моносахаридов).

 

31. Пассивный транспорт. Уравнение Фика, Нернста-Планка, Теорелла.
Пассивный транспорт – перенос неэлектролитов и ионов через мембрану по градиенту хим. или электрохим. потенциала, сопровождающийся уменьшением свободной энергии (простую диффузию).

Движущей силой простой диффузии является разность хим. потенциалов данного вещества в двух областях, между которыми происходит диффузия. Хим. потенциал – величина, численно равная свободной энергии, приходящейся на 1 моль вещества; определяется как частная производная от свободной энергии.

Основной термодинамический принцип, управляющий стационарным распределением диффундирующих молекул в системе с мембраной, заключается в том, что химические потенциалы данного вещества по обе стороны мембраны должны быть равны.

Если через мембрану, разграничивающую отсеки I и II, переносится dn молей вещества, то этот процесс сопровождается изменением свободной энергии системы на величину:

dG = (_II - _I) dn.

Диффузия прекращается и система переходит в состояние термодинамического равновесия, когда _II = _I.

I закон Фика имеет вид:

Поток вещества можно представить с учетом коэффициента проницаемости (Р) мембраны для данного вещества:

,

где с_I и с_II – концентрации диффундирующего вещества в водном растворе. [P] = см/с.

Коэффициент проницаемости зависит от свойств мембраны и переносимых веществ:

,

где D – коэффициент диффузии, - коэффициент распределения вещества между водным раствором и мембраной, характеризующий растворимость вещества в липидной фазе мембраны, d – толщина мембраны.

Движущей силой пассивного потока ионов через мембрану служит градиент электрохимического потенциала. Электрохимический потенциал иона для условий, при которых активность иона соответствует его концентрации (с), равен:

,

где - электрический потенциал, z – валентность иона, F - число Фарадея, ₀ - стандартный химический потенциал.

Электрохимический потенциал – это мера работы, необходимой для переноса 1 моля из раствора с данной концентрацией и данным электрическим потенциалом в бесконечно удаленную точку в вакууме. Эта работа складывается из затрат на преодоление сил химического взаимодействия (₀ + RTlnc) и на перенос зарядов в электрическом поле (zF).

Диффузию ионов в растворе и в гомогенной незаряженной мембране описывает уравнение электродиффузии Нернста-Планка:

,

где u – подвижность иона, D = uRT. Первый член в правой части уравнения описывает свободную диффузию, второй – миграцию ионов в электрическом поле.

Уравнение Теорелла: Плотность потока при пассивном транспорте: J = - cU(dm/dx), где m — электрохимический потенциал, U – подвижность частиц, с – концентрация.

32. Виды пассивного транспорта через мембрану. Простая и облегченная диффузия.

Пассивный транспорт – это перенос неэлектролитов и ионов через мембрану по градиенту химического или электрохимического потенциала, сопровождающийся уменьшением свободной энергии. К пассивному транспорту относят простую диффузию через липидный бислой и облегченную диффузию по каналам в мембране и при помощи переносчиков. Процессы простой и облегченной диффузии направлены на выравнивание градиентов и установление равновесия в системе.
Диффузия — самопроизвольное перемещение вещества из мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией вещества вследствие хаотического теплового движения молекул.
Отличия облегченной диффузии от простой:
1) перенос вещества с участием переносчика происходит быстрее;
2) облегченная диффузия обладает свойством насыщения: при увеличении концентрации с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;

3) при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда переносчиком переносятся разные вещества; При этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других; Так, из сахаров глюкоза переносится лучше, чем фруктоза, фруктоза лучше, чем ксилоза;

33. Ионные каналы: механизм работы, селективность.
Ионные каналы – это интегральные гликопротеины, способные в результате внешних воздействий (изменение потенциала на мембране) изменять проницаемость мембраны для различных ионов. Ионные каналы обеспечивают реализацию важнейших физиологических процессов: передачу электрических и хим/ сигналов, сокращение, секрецию.

Ионным каналам биомембран свойственны избирательная проницаемость для ионов (селективность) и способность открываться и закрываться при различных воздействиях на мембрану. - «Воротный» механизм каналов управляется сенсором внешнего стимула (рецептором первичного посредника).

Ионные каналы работают по механизму облегченной диффузии. Движение по ним ионов при активации каналов идет по градиенту концентрации. Скорость перемещения через мембрану составляет 10 ионов в секунду. Селективность канала определяется наличием избирательного фильтра. Его роль выполняет начальный участок канала, который имеет определенный заряд, конфигурацию и размер (диаметр), что позволяет пройти в канал только определенному виду ионов. Некоторые из ионных каналов неселективные, например, каналы "утечки". Это такие каналы мембраны, по которым в состоянии покоя по градиенту концентрации из клетки выходят ионы К+, однако по этим каналам в клетку в состоянии покоя по градиенту концентрации входит и небольшое количество ионов Na+.

 

34. Основные семейства ионных каналов.

Ионный канал - это интегральный белок, образующий в мембране пору для обмена клетки с окружающей средой ионами K⁺, Na⁺, H⁺, Ca²⁺, Cl^-, а также водой, и способный изменять свою проницаемость.

Натриевые каналы имеют простое строение: белок из трёх разных субъединиц, которые образуют структуру, похожую на пору — то есть трубку с внутренним просветом. Канал может находиться в трёх состояниях: закрытом, открытом и инактивированном (закрыт и невозбудим). Это обеспечивается локализацией отрицательных и положительных зарядов в самом белке; эти заряды притягиваются к противоположным, существующим на мембране, и таким образом канал при изменении состояния мембраны открывается и закрывается. Когда он открыт, ионы натрия могут беспрепятственно проникать через него в клетку по градиенту концентрации.

Калиевые каналы устроены проще: это отдельные субъединицы, имеющие в разрезе трапециевидную форму; они расположены почти вплотную друг к другу, но между ними всегда остаётся зазор. Калиевые каналы не закрываются до конца, в состоянии покоя калий свободно уходит из цитоплазмы (по градиенту концентрации).

Кальциевые каналы - это трансмембранные белки сложного строения, состоящие из нескольких субъединиц. Через эти каналы поступают также ионы натрия, бария и водорода. Различают потенциал-зависимые и рецептор-зависимые кальциевые каналы. Через потенциал-зависимые каналы ионы Са²⁺ проходят сквозь мембрану, как только ее потенциал снижается ниже определенного критического уровня. Во втором случае поток Са²⁺ через мембраны регулируется специфическими агонистами (ацетилхолин, катехоламины, серотонин, гистамин и др.) при их взаимодействии с рецепторами клетки. В настоящее время выделяют несколько типов кальциевых каналов обладающих разными свойствами (проводимость, длительность открытия) и имеющих разную тканевую локализацию.