Слайд 2
Проницаемость мембраны - это способность мембраны пропускать через
себя атомы, ионы, молекулы веществ.
Слайд 3
Химическим потенциалом (μ) данного вещества называется величина, численно
равная энергии Гиббса, приходящаяся на один моль этого вещества.
Для разбавленного раствора вещества с концентрацией С:
μ = μ0 + RTlnC ,
где μ0 - стандартный химический потенциал, численно равный химическому потенциалу данного вещества при его концентрации
1 моль/л в растворе; R – газовая постоянная,
Т – температура.
Слайд 4
Электрохимический потенциал μ′ - величина, численно равная энергии
Гиббса G на один моль данного вещества, помещенного в
электрическое поле.
Для разбавленных растворов:
μ′ = μ0 + RTlnC + zFφ, (1)
где F - число Фарадея, z - заряд иона электролита (в элементарных единицах заряда), φ - потенциал электрического поля.
Слайд 6
Пассивный перенос веществ через мембрану
Пассивный транспорт -
это перенос вещества из мест с большим значением электрохимического
потенциала к местам с его меньшим значением. Пассивный транспорт идет с уменьшением энергии Гиббса, и поэтому этот процесс может идти самопроизвольно без затраты энергии.
Плотность потока вещества jm при пассивном транспорте подчиняется уравнению Теорелла:
jm = - UC(dμ′/dx), (2)
где U - подвижность частиц, С – концентрация вещества. Знак минус показывает, что перенос происходит в сторону убывания μ′.
Слайд 7
Плотность потока вещества - это величина, численно равная
количеству вещества, перенесенного за единицу времени через единицу площади
поверхности, перпендикулярной направлению переноса:
jm = m/(S∙t) [моль/(м2∙с)] (3),
Подставив в (3) выражение для электрохимического потенциала (1), получим для разбавленных растворов при μ0= const уравнение Нернста—Планка:
jm = - URT(dC/dx) - UCzF(dφ/dx) (4)
Слайд 8
Итак, могут быть две причины переноса вещества при
пассивном транспорте: градиент концентрации (dC/dx) и градиент электрического потенциала
(dφ/dx).
Знаки минусов перед градиентами показывают, что градиент концентрации вызывает перенос вещества от мест с большей концентрацией к местам с его меньшей концентрацией; а градиент электрического потенциала вызывает перенос положительных зарядов от мест с большим к местам с меньшим потенциалом.
Слайд 9
В случае незаряженных веществ (z = 0) или
отсутствия электрического поля (dφ/dx) уравнение Теорелла переходит в уравнение:
jm = - URT(dC/dx) (5)
Согласно соотношению Эйнштейна, коэффициент диффузии D=URT. В результате получаем уравнение, описывающее простую диффузию - закон Фика:
jm = - D(dC/dx) (6)
Слайд 10
Классификация видов пассивного транспорта
Слайд 11
Диффузия
В любом растворе происходит перемещение растворенных веществ из
области высокой концентрации в область более низкой. Этот поток
веществ в сторону меньшей концентрации (транспорт по градиенту концентрации) существует до тех пор, пока концентрации вещества в двух участках не выровняются. Перемещение вещества движущей силой которого является градиент концентрации, называется диффузионным, а процесс — диффузией
Диффузия - это распространение
вещества в результате
движения их ионов или молекул,
которые стремятся выровнять
свою концентрацию в системе.
Слайд 12
Простая диффузия
Диффузия – самопроизвольное перемещение вещества из мест
с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией вещества
вследствие хаотического теплового движения молекул.
Уравнение Фика для простой диффузии:
jm = DК/l(C1 – C2)
jm = P(C1 – C2)
P = DK/l
C1 и С2 – концентрации диффундирующего вещества в растворах около одной и другой поверхностями мембраны, К – коэффициент распределения (соотношение концентрации вещества вне мембраны и внутри ее), l – толщина мембраны, P = коэффициент проницаемости мембраны [м/с].
Слайд 13
Простая диффузия
Коэффициент проницаемости (Р) тем больше, чем больше
коэффициент диффузии (чем меньше вязкость мембраны), чем тоньше мембрана
(чем меньше l ) и чем лучше вещество растворяется в мембране (чем больше К).
Хорошо растворимы в фосфолипидной фазе мембраны неполярные вещества, например, органические жирные кислоты, эфиры.
Плохо проходят через липидный бислой полярные, водорастворимые вещества: соли, основания, сахара, аминокислоты, спирты.
Слайд 14
Простая диффузия
Через липидные и белковые поры сквозь мембрану
проникают молекулы нерастворимых в липидах веществ и водорастворимые гидратированные
ионы (окруженные молекулами воды).
Для таких веществ и ионов мембрана выступает как молекулярное сито: чем больше размер молекулы, тем меньше проницаемость мембраны для этого вещества. Избирательность переноса обеспечивается набором в мембране пор определенного радиуса, соответствующих размеру проникающей частицы (зависит от мембранного потенциала).
Слайд 15
ОСМОС
Вода поглощается клеткой преимущественно путем осмоса. Осмос —
это диффузия воды через полупроницаемую мембрану, вызванная разностью концентраций.
Удобно рассматривать осмос как одну из форм диффузии, при которой перемещаются только молекулы воды.
Если мембраной разделить растворы сахара с концентрацией 5 и 10% соответственно, то через нее в обоих направлениях будут проходить только молекулы воды. В результате в более разбавленном растворе концентрация сахара повысится, а в более концентрированном, наоборот, понизится. Когда концентрация сахара в обоих растворах станет одинаковой, наступит равновесие. Растворы, достигшие равновесия, называются изотоническими.
Частицы растворителя (синие) способны пересекать мембрану, частицы растворённого вещества (зеленые) — нет.
Слайд 16
Существуют и аквапорины – белки, обеспечивающие быстрое прохождение
воды через мембрану.
Слайд 17
Облегченная диффузия
Облегченная диффузия происходит при участии молекул переносчиков.
Переносимые
вещества: ионы, аминокислоты, сахара, нуклеотиды и др.
Отличия облегченной диффузии
от простой:
Перенос вещества с участием переносчика происходит значительно быстрее;
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;
При облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда переносчиком переносятся разные вещества (одни вещества переносятся лучше, чем другие; добавление одних веществ затрудняет транспорт других);
Есть вещества, блокирующие облегченную диффузию – они образуют прочный комплекс с молекулами переносчиками, что приводит к подавлению транспорта вещества через мембрану.
Слайд 18
Облегчённая диффузия
К белкам–переносчикам относятся ферменты транслоказы и пермиазы.
Они связывают своим активным центром вещество с одной стороны
мембраны и переносят его сквозь гидрофобный слой мембраны на ее другую поверхность.
Еще один вариант такой диффузии: после присоединения транспортируемого вещества меняется конформация белка-переносчика и в мембране открывается специальный канал, по которому и проникает вещество.
Модель работы ионного канала
При транспорте с помощью неподвижных молекул-переносичков, фиксированных поперек мембраны, молекула переносимого вещества передается от одной молекулы переносчика к другой, как по эстафете.
Слайд 19
Фильтрация
Фильтрация – движение раствора через поры в мембране
под действием градиента давления.
Значение – объяснение процессов переноса воды
через стенки кровеносных сосудов.
Скорость переноса подчиняется закону Пуазейля:
dV/dt = (P1 – P2)/W,
где dV/dt – объемная скорость переноса раствора, w - гидравлическое сопротивление (w = 8ηl/πr4), l - длина поры, r - ее радиус, η - коэффициент вязкости раствора.
Слайд 20
Активный транспорт
Активный транспорт – это перенос вещества из
мест с меньшим значением электрохимического потенциала в места с
его большим значением.
Активный транспорт в мембране сопровождается ростом энергии Гиббса, он не может идти самопроизвольно, а только за счет затраты энергии, запасенной в макроэргических связях АТФ (т.е. в сопряжении с процессом гидролиза АТФ).
Слайд 21
Активный транспорт
Виды активного транспорта
Ионные насосы
Экзоцитоз
Эндоцитоз
Фагоцитоз
Пиноцитоз
Слайд 22
Значение активного транспорта:
За счет активного транспорта в организме
создаются градиенты концентраций, градиенты электрических потенциалов, градиенты давления и
т.д., поддерживающие жизненные процессы.
Существование активного транспорта веществ через биологические мембраны впервые было доказано в опытах Уссинга (1949 г.) на примере переноса ионов натрия через кожу лягушки.
Слайд 23
Согласно современным представлениям, в биологических мембранах имеются ионные
насосы, работающие за счет энергии гидролиза АТФ, — специальные
системы интегральных мембранных белков (транспортные АТФазы).
В настоящее время известны три основных типа электрогенных ионных насосов, осуществляющих активный перенос ионов через мембрану:
1) при работе К+-Nа+-АТФазы за счет энергии, освобождающейся при гидролизе одной молекулы АТФ, в клетку переносится два иона калия и одновременно из клетки выкачиваются три иона натрия. Таким образом, создается повышенная по сравнению с межклеточной средой концентрация в клетке ионов калия и пониженная натрия, что имеет огромное физиологическое значение;
2) при работе Са2+-АТФазы за счет энергии гидролиза АТФ переносятся два иона кальция (из клетки);
3) в Н+-АТФазе (Н+- помпе) происходит перенос двух протонов.
Слайд 24
Принцип работы АТФаз-насосов основан на конформационных перестройках белковой
макромолекулы при взаимодействии с транспортируемым ионом.
Работа натрий - калиевого
насоса
Этапы работы АТФазы:
1) Образование комплекса фермента с АТФ на внутренней поверхности мембраны; 2) связывание комплексом трех ионов натрия; 3) фосфорилирование фермента с образованием АДФ; 4) переворот 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.
Слайд 25
Активный транспорт
Эндоцитоз - процесс поглощения макромолекул клеткой. При
эндоцитозе плазматическая мембрана образует впячивание, края ее сливаются, и
происходит отшнуровывание в цитоплазму везикул – эндоцитарных вакуолей.
Слайд 26
Активный транспорт
Фагоцитоз — захват и поглощение крупных
частиц (например, фагоцитоз лимфоцитов, простейших и др
Пиноцитоз — процесс
захвата и поглощения капелек жидкости с растворенными в ней веществами.
Слайд 27
Активный транспорт
Экзоцитоз
Экзоцитоз - процесс, обратный эндоцитозу.
Таким
способом выводятся гормоны, полисахариды, белки, жировые капли и другие
продукты клетки.
Они заключаются в пузырьки, ограниченные мембраной, и подходят к плазмалемме.
Обе мембраны сливаются, и содержимое пузырька выводится в среду, окружающее клетку.
Секреция посредством экзоцитоза
Слайд 28
Котранспорт
Некоторые транспортные белки переносят одно растворённое вещество (молекул
газов, воды) через мембрану - унипорт.
Другие функционируют как
котранспортные системы, в которых перенос одного растворённого вещества зависит от одновременного или последовательного переноса второго вещества.
Второе вещество может транспортироваться в том же направлении - симпорт (ионов или молекул двух различных веществ, например перенос ионов натрия и глюкозы через мембрану клеток эпителия тонкой кишки ) либо в противоположном - антипорт.
Котранспорт возможен как при облегченной диффузии, так и в процессе активного транспорта.