🗊Презентация Биофизика мембранных процессов. Мембранный транспорт

Виды мембранного транспорта (МТ) Мембранный транспорт (МТ) 1.Пассивный транспорт  нейтральная 1.1.Простая диффузия ионная 1.1.1. Осмос 1.1.2. Через поры 1.1.3. Через липидный бислой 1.2.Фильтрация 1.3. Облегченная диффузия 2.Активный транспорт 2.1.Первичный активный транспорт 2.2. Вторичный активный транспорт

Виды пассивного транспорта

Энергия пассивного транспорта создается различными градиентами: концентрационным осмотическим электрическим градиентом гидростатического давления жидкости электрохимическим (совокупность концентрационного и электрического)

Виды пассивного транспорта Диффузия Осмос Фильтрация Облегченная диффузия

Простая диффузия описывается уравнением Фика : скорость диффузии dm/dt прямо пропорциональна градиенту концентрации dc/dx, площади S, через которую осуществляется диффузия, и коэффициенту диффузии D.

Осмос - движение молекулы воды через полупроницаемые мембраны из места с меньшей концентрацией растворенного вещества в места с большей концентрацией. Осмос - это простая диффузия воды из мест с ее большей концентрацией в места с меньшей концентрацией воды. Это явление обуславливает гемолиз эритроцитов в гипотонических растворах.

Уравнение, описывающее осмотический перенос воды. где - количество воды, проходящей через мембрану площадью S за единицу времени; Р1 и Р2 – осмотическое давление растворов по обе стороны мембраны; k – коэффициент проницаемости.

Фильтрация – это движение раствора через поры в мембране под действием градиента гидростатического давления. Явление фильтрации играет важную роль в процессе переноса воды через стенки кровеносных сосудов.

Фильтрация – движение жидкости через поры какой-либо перегородки под действием гидростатического давления. где r – радиус поры l – длина поры η – вязкость жидкости Р1-Р2 – разность давления между началом и концом поры V – объем фильтрованной жидкости

Уравнение Коллендера-Бернульда описывает транспорт веществ через липидный бислой где С1 и С2 – концентрации вещества по разные стороны мембраны Р – коэффициент проницаемости мембраны S – площадь, через которую идет перенос

Активный транспорт: типы насосов (транспортных АТФаз)

1. АТФ-азы Р-типа – переносчики ионов, которые обратимо фосфорилируются с помощью АТФ по аспартату, что инициирует конформационный переход при транспорте иона (Na+,K+- АТФ-аза, Са+- АТФ-аза). 1. АТФ-азы Р-типа – переносчики ионов, которые обратимо фосфорилируются с помощью АТФ по аспартату, что инициирует конформационный переход при транспорте иона (Na+,K+- АТФ-аза, Са+- АТФ-аза). АТФ-азы F- типа – это обратимы АТФ-зависимые протонные насосы, катализируют трансмембранный перенос протонов против градиента за счет гидролиза АТФ («F- тип» происходит из определения этих АТФ-аз как энергосопрягающих факторов) (Н-АТФ-аза/АТФ-синтаза). АТФ-азы V-типа - протон-транспортирующие АТФ-азы, обеспечивающие закисление вакуолей, лизосом, эндосом, комплекса Гольджи (сходны с АТФ-азами F-типа). АВС-транспортеры – используют АТФ для запуска активного транспорта множества субстратов (выкачивают аминокислоты, пептиды, белки, ионы металлов, липиды, желчные кислоты, лекарства и др. из клетки против градиента концентрации) (Р-гликопротеин – мультилекарственный транспортер отвечает за устойчивость опухолей к протовоопухолевым препаратам).

АТФ-синтаза/АТФ-аза: «вальсирующий» комплекс Структура: Две субъединицы: F0 и F1 F1: α3β3γδε α - 59, β - 56, γ - 36 δ - 17.5, ε - 13,5kDa F0: а (I), 15kDa, b (II), 12.5kDa c (III), 8kDa а:b:с – 1:2:(6-15)

Роль онкотического и гидростатического давления в транспорте воды через мембрану

Генерация и распространение биоэлектрических потенциалов - важнейшее физическое явление в живых клетках и тканях, которое лежит в основе: - возбудимости клеток, - регуляции внутриклеточных процессов - работы нервной системы, - регуляции мышечного сокращения.

Для возникновения биопотенциалов решающее значение имеют потенциалы, обусловленные асимметричным, неравномерным распределением ионов.

Диффузионный потенциал возникает на границе раздела двух жидких сред в результате различной подвижности ионов.

Диффузионный потенциал определяется из уравнения Гендерсона Где U – подвижность катионов V – подвижность анионов R – универсальная газовая постоянная Т – абсолютная температура n – валентность F – число Фарадея а1 – активность ионов в области, откуда идет диффузия а2 – активность ионов в области, куда идет диффузия

Мембранный потенциал возникает на границе раздела полупроницаемой мембраны, имеющей фиксированный отрицательный заряд – катионобменная мембрана.

Мембранный потенциал определяют из уравнения Нернста Где R – универсальная газовая постоянная Т – абсолютная температура n – валентность F – число Фарадея а1 – активность ионов в области, откуда идет диффузия а2 – активность ионов в области, куда идет диффузия

Фазовые потенциалы возникают на границе раздела двух несмешивающихся фаз.

Электродный потенциал возникает в результате диффузии ионов из электрода в раствор электролита.

В 1902 году Бернштейном была выдвинута мембранная теория биопотенциалов. В 50-60-х годах теория была развита и экспериментально доказана А. Ходжкиным и А. Ф. Хаксли.

Сущность мембранной теории биопотенциалов Потенциал покоя и потенциал действия является по своей природе мембранными потенциалами, обусловленными 1)полупроницаемыми свойствами клеточной мембраны и 2)неравномерным распределением ионов между клеткой и средой, которое поддерживается механизмами активного транспорта, локализованными в самой мембране.

Мембранным потенциалом называется разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностями мембраны.

Потенциал покоя – стационарная разность электрических потенциалов, регистрируемых между внутренней и наружной поверхностями мембраны в невозбужденном состоянии.

Потенциал покоя

При образовании потенциала покоя мембрана внутри заряжена отрицательно (за счет выхода из клетки большого количества ионов К+), а снаружи – положительно.

Уравнение Нернста для потенциала покоя

Уравнение Гольдмана для потенциала покоя

Отношение коэффициентов проницаемости для состояния покоя PК : РNa : PCl = 1 : 0,04 : 0,45

С учетом работы электрогенных ионных насосов для мембранного потенциала было получено уравнение Томаса (1972 г.) Где m =3/2 - отношение количества ионов натрия к количеству ионов калия, перекачиваемых Na+ - K+-насосом.

Потенциал действия (ПД) – это последовательность изменений, мембранного потенциала, которая запускается в ответ на воздействие надпороговых стимулов и приводит к возбуждению клетки. Потенциал действия (ПД) – это последовательность изменений, мембранного потенциала, которая запускается в ответ на воздействие надпороговых стимулов и приводит к возбуждению клетки.

Потенциалом действия называется электрический импульс, обусловленный изменением ионной проницаемости мембраны и связанный с распространением по нервам и мышцам волны возбуждения.

Потенциал действия

При генерации потенциала действия происходит перезарядка мембраны: внутри она становится зараженной положительно (за счет входа ионов Na+ в клетку), а снаружи – отрицательно.

Возбудимость – это способность клеток к быстрому ответу на раздражение, проявляющемуся через совокупность физических, физико-химических процессов и функциональных изменений. Обязательным признаком возбуждения является изменение электрического состояния клеточной мембраны.

Стимуляция нервной клетки достигает порога возбудимости, необходимого для возникновения потенциала действия. Стимуляция нервной клетки достигает порога возбудимости, необходимого для возникновения потенциала действия. Начальное изменение мембранного потенциала приводит к конформационным изменениям Na+ - канала, который из состояния покоя переходит в активное состояние, что приводит к проникновению Na+ в клетку по электрохимическому градиенту. Это вызывает дальнейшую деполяризацию клетки. Потенциал действия развивается по закону все или ничего и реализует свою программу полностью независимо от других изменений в клетке.

Поскольку деполяризация в клетке продолжается, открывается больше потенциал-зависимых К+-каналов, и К+ начинает по электрохимическому градиенту выходить из клетки. В то же время длительная деполяризация вызывает инактивацию Na+- каналов. Благодаря замедлению потока Na+ и выходу положительно заряженных ионов К+ начинается реполяризация клетки и возвращение мембранного потенциала к исходному уровню покоя. Поскольку деполяризация в клетке продолжается, открывается больше потенциал-зависимых К+-каналов, и К+ начинает по электрохимическому градиенту выходить из клетки. В то же время длительная деполяризация вызывает инактивацию Na+- каналов. Благодаря замедлению потока Na+ и выходу положительно заряженных ионов К+ начинается реполяризация клетки и возвращение мембранного потенциала к исходному уровню покоя. После восстановления исходного уровня мембранного потенциала Na+ и К+ каналы возвращаются в состояние покоя.

Физический механизм деполяризации

Отношение коэффициентов проницаемости ионов для фазы деполяризации PК : РNa : PCl = 1 : 20 : 0,45

Физический механизм реполяризации

Формирование потенциала действия обусловлено двумя ионными потоками через мембрану: поток ионов натрия внутрь клетки приводит к перезарядке мембраны, а противоположно направленный поток ионов калия обуславливает восстановление исходного потенциала покоя.

МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ

Уравнение Нернста для потенциала действия

Уравнение Ходжкина-Хаксли, описывающее мембранный потенциал, который складывается из потенциала покоя и потенциала действия

Ионный транспорт

Изменение энергии при переходе гидрофильного вещества через липидный бислой мембраны

Свойства ионных каналов Селективность Независимость работы отдельных каналов Дискретный характер проводимости Зависимость параметров каналов от мембранного потенциала

Свойства ионных каналов 1.Селективность – способность пропускать ионы одного типа. ИК обладают абсолютной селективностью по отношению к катионам или анионам; Через катион-селективные каналы проходят различные ионы, но проводимость для основного иона максимальна; Способность ионного канала пропускать различные ионы называется относительной селективностью и характеризуется рядом селективности. Это соотношение проводимости канала для различных ионов, взятых при одной концентрации. Для основного иона селективность принимается за 1 (для Na-канала ряд селективности: Na+ : K+ = 1 : 0,05).

2.Независимость работы отдельных каналов Прохождение тока через отдельный ионный канал не зависит от того, идет ли ток ионов через другие каналы. Например, К+-каналы могут быть включены или выключены, но ток через Na+-каналы не меняется. Изменение проницаемости ионных каналов меняет мембранный потенциал.

3.Дискретный характер проводимости Проводимость ионного канала дискретна, и он может находится в двух состояниях: открытом и закрытом. Переходы между этими состояниями происходят в случайные моменты времени и подчиняются статистическим закономерностям. Сдвиг мембранного потенциала выше порогового значения увеличивает вероятность открытия каналов, т.е. идет процесс их активации.

4.Зависимость параметров каналов от мембранного потенциала Ионные каналы нервных волокон чувствительны к мембранному потенциалу, например К+-каналы и Na+-каналы. Это проявляется в том, что после начала деполяризации мембраны соответствующие токи начинают изменяться с той или иной кинетикой. Ион-селективный канал имеет сенсор, чувствительный к действию электрического поля.

Потенциал-чувствительный натриевый канал Канал состоит из четырёх похожих фрагментов-повторов (а), обозначенных I–IV. Каждый фрагмент содержит шесть трансмембранных α-спиралей. Четыре спирали (S1–S4) формируют потенциал-чувствительный домен. Общий для канала поровый домен образован восемью спиралями, по две (S5 и S6) от каждого повтора. Четвёртая спираль в каждом потенциал-чувствительном домене положительно заряжена. Она выполняет роль сенсора потенциала. На рисунке показаны места, с которыми связываются α- и β-токсины скорпионов. В пространстве повторы структуры потенциал-чувствительного натриевого канала располагаются вокруг общей оси (б). Центральный поровый домен канала образован восемью спиралями, а потенциал-чувствительные домены расположены на периферии. Участок между спиралями S5 и S6 содержит «селективный фильтр» (в), обеспечивающий избирательное пропускание ионов Na+

Сравнение параметров ионных каналов

Метод пэтч-кламп, разработанный Неером и Закманом, позволяет изучать отдельные ионные каналы

Аквапорины образуют гидрофильные трансмембранные каналы для переноса воды

Индуцированный транспорт ионов при участии различных переносчиков I - нейтральные ионофоры (валиномицин) II - слабокислые ионофоры (нигерицин- обмен Н+ на К+) III - липофильные разобщители фосфорилирования (перенос протонов)

Структура амфипатической α-спирали и расположение спиралей в мембране при формировании гидрофильного канала

Передача нервного импульса Выделяют 2 способа повышения скорости передачи нервного импульса : 1. Увеличение диаметра нервных волокон (уменьшение сопротивления) 2.Уменьшения емкости аксолеммы за счет появления миелиновых волокон. Проведение идет скачками от одного перехвата Ранвье до другого и называется сальтаторным. Обеспечивает экономию энергии: - Скорость проведения больше (25-140 м/c), чем при непрерывном проведении (0,5-0,7 м/c) - Потребление кислорода в 200 раз меньше, чем при непрерывном проведении - Скорость проведения в миелиновом волокне прямо пропорциональна его диаметру, а в безмиелиновом - √ из величины диаметра.