Этотфайл взят изколлекцииMedinfo www.doktor.ru/medinfo medinfo.home.ml.org E-mail:medinfo@mail.admiral.ru ormedreferats@usa.net orpazufu@altern.org FidoNet2:5030/434 Andrey Novicov Пишемрефераты назаказ — e-mail: medinfo@mail.admiral.ru
ВMedinfo для вас самаябольшая русскаяколлекциямедицинских рефератов, историй болезни, литературы, обучающихпрограмм, тестов.
Заходитена www.doktor.ru — Русскиймедицинскийсервер длявсех!
СХИБ-95
Д О К ЛА Д
тема:" ТРАНСПОРТВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗБИОЛОГИЧЕСКИЕМЕМБРАННЫ "
докладчик: И. Владимирский
ПЛАНДОКЛАДА
1. Основные фактыо строенииклеточноймембраны.
2. Перенос малыхмолекул черезмембрану. Введение.
3. Пассивныйтранспорт спомощью белковыхканалов и
белковпереносчиков.Диффузия черезмембрану.
4. Активный транспорт.( Na + K )-насос.
5. Роль ( Na + K )-насосав поддержаниидопустимого
осмотическогодавления вклетке.
6. Транспорт засчет ионныхградиентов.
Симпорт, антипорт.
7. Транспортпутем векторногопереноса групп.
8. Обменники.РегулировкаpH.
9. Сквозной транспортчерез клеткикишечника.
10.Механизм действиянекоторыхгармонов.
11.Перенос макромолекули частиц.
12.Заключение.
1.ОСНОВНЫЕ ФАКТЫО СТРОЕНИИКЛЕТОЧНОЙМЕМБРАНЫ
Плазматическаямембраннаокружает каждуюклетку, определяет
ееразмер и обеспечивает сохранение различий между содержимым
клетки и внешней средой. Мембрана служитвысокоизбирательным
фильтроми отвечает заактивный транспортвеществ, тоесть, пос-
туплениев клетку питательныхвеществ и выводнаружу вредныхпро-
дуктовжизнедеятельности.Наконец, мембранаответственназа восп-
риятиевнешних сигналов, позволяетклетке реагироватьна внешние
изменения.Все биологическиемембраны представляютсобой ансамбли
липидныхи белковыхмолекул, удерживаемыхвместе с помощьюнеко-
валентныхвзаимодействий.
1.1.Основу любоймолекулярноймембраны составляют молекулы
липидов, образующихбислой. Первыеопыты, подтверждающиеэто, бы-
липроведены в1925 году. Формирование бислоя является особым
свойством молекул липидов и реализуетсядаже вне клетки(рис.
1.1.).Указанные наданной схеместруктурыреализуютсясамопроиз-
вольно.Важнейшиесвойства бислоя:
— способностьк самосборке- текучесть — ассиметричность.
1.2.Хотя основныесвойствабиологическихмембран определя-
ются свойствами липидногобислоя, нобольшинствоспецефических
функцийобеспечиваетсямембраннымибелками. Белкивыступают вка-
честверецепторови ферментов.С их помощьюосуществляетсятранс-
портчерез мембранумногих веществ.Большинствоиз них пронизыва-
ютбислой в видеодиночнойальфа-спирали, но есть и такие, кото-
рыепересекаютего несколькораз (рис. 1.2.). Некоторые белки
связываются с мембраной, не пересекаябислой, а прикрепляяськ
тойили иной еестороне. Ихназываютпериферическимимембранными
— 2 -
белками.Многие изперефирерическихбелков связанынековалентными
взаимодействиямис трансмембраннымибелками, ноесть и такие, ко-
торыеимеют ковалентнуюсвязь с молекуламилипидов.
Большинствомембранныхбелков, так жекак и липидов, способ-
ны свободно перемещаться в плоскостимембраны. Вообщеговоря,
возможенпереход молекулбелков и липидовс одной сторонымембра-
нына другую, известныйкак «флип-флоп»перескок, ноон происхо-
дитгораздо реже, чем латеральнаядиффузия (рис.1.3.). Известно,
что одна молекулалипида совершает«флип-флоп»раз в две недели,
вто время, какта же молекуладиффундируетв плоскостилипидного
слоя за 1 секундуна расстояниеравное длинебольшой бактериаль-
нойклетки.
1.3.На поверхностивсех клетокимеются углеводы. Это поли-
сахаридные и олигосахаридныецепи, ковалентноприсоединенныек
мембраннымбелкам и липидам.Углеводы всегдараспологаютсяна той
сторонемембраны, котораяне контактируетс цитозолем. То есть,
навнешних (плазматических)мембранах ониприсоединяются снаружи
клетки.
Функцияуглеводовклеточнойповерхностипока неизвестна, но
представляетсявероятным, чтонекоторые изних принимаютучастие
впроцессахмежклеточногоузнавания.
2.ПЕРЕНОС МАЛЫХМОЛЕКУЛ ЧЕРЕЗМЕМБРАНУ
Таккак внутренняя часть липидного слоя гидрофобна, он
представляетсобой практическинепроницаемыйбарьер длябольшинс-
тваполярных молекул. Вследствиеналичия этогобарьера, предотв-
ращаетсяутечка содержимогоклеток, однакоиз-за этогоклетка бы-
лавынужденасоздать специальныемеханизмы длятранспортараство-
римыхв воде веществчерез мембрану. Перенос малыхводораствори-
мых молекул осуществляется при помощиспециальныхтранспортных
белков.Это особыетрансмембранныебелки, каждыйиз которыхотве-
чает за транспортопределенныхмолекул илигрупп родственныхмо-
лекул. В клетках существуюттакже механизмыпереноса черезмемб-
рану макромолекул (белков) и дажекрупных частиц. Но к ним мы
вернемсяпозднее.
— 3 -
2.1.При опытах сискусственнымилипиднымибислоями былоус-
тановлено, что чем меньшемолекула и чемменьше онаобразует во-
дородныхсвязей, тембыстрее онадифундируетчерез мембрану(рис.
2.1.). Итак, чем меньшемолекула и чемболее онажирорастворима
(гидрофобнаили неполярна), тем быстрееона будет проникатьчерез
мембрану.
Малыенеполярныемолекулы легкорастворимыи быстро диффун-
дируют. Незаряженные полярные молекулы при небольшихразмерах
такжерастворимыи диффундируют. Важно, что вода очень быстро
проникает через липидныйбислой несмотряна то, что онаотноси-
тельнонерастворимав жирах. Этопроисходитиз-за того, что ее
молекула мала и электрическинейтральна. Итак, мембранымогут
пропускатьводу и неполярныемолекулы засчет простойдиффузии.
Ноклетке необходимо обеспечить транспортировкутаких ве-
ществкак сахара, аминокислоты, нуклеотиды, а также многихдругих
полярныхмолекул.
Какуже говорилось, за переносподобных веществответственны
специальныемембранныетранспортныебелки. Каждыйиз них предназ-
начендля определенногокласса молекула иногда и для определен-
ной разновидности молекул. Первыедоказательстваспецефичности
транспортныхбелков былиполучены, когдаобнаружилось, что мута-
ции в одном генеу бактерийприводят кпотере способноститранс-
портироватьопределенныесахара черезплазматическуюмембрану. У
человекаесть болезньцистинурия, при которойотсутствуетспособ-
ностьтранспортироватьнекоторыеаминокислоты, в частности цис-
тин, из мочи иликишечника вкровь, — в результатев почках обра-
зуютсяцистиновыекамни.
Всеизученные транспортные белки являютсятрансмембранными
белками, полипептиднаяцепь которыхпересекает липидный бислой
несколькораз. Все ониобеспечиваютперенос молекулчерез мембра-
ну, формируя в нейсквозные проходы. В основном, транспортные
белкиделятся набелки-переносчикии каналообразующиебелки. Пер-
выевзаимодействуютс молекулойпереносимоговещества икаким-ли-
боспособом перемещаютее сквозь мембрану. Каналообразующиебел-
ки, напротив, формируютв мембраневодные поры, через которые
(когдаони открыты)могут проходитьвещества (обычнонеорганичес-
киеионы подходящегоразмера и заряда).
— 4 -
2.2.Если молекулане заряжена, то направлениеее диффузии
определяется разностью концентраций по обеим сторонаммембраны
илиградиентомконцентрации. В то же времяна направлениедвиже-
ния заряженной молекулы будетвлиять еще иразность потенциалов
насторонах мемраныили мембранныйпотенциал (обычно внутренняя
сторона мембраны заряжена отрицательноотносительнонаружной).
Учитываяконцентрационныйи электрическийградиенты Всеканалооб-
разующие белки и многиебелки-переносчикипозволяютрастворенным
веществампроходить черезмембраны толькопассивно, то есть, в
направлении электрохимического градиента. Такой вид транспорта
называетсяпассивным(облегченнаядиффузия), ине требуетзатрат
энергии.
2.3.Рассмотримподробнееработу белкапереносчика, обеспе-
чивающегопассивныйтранспортвеществ через клеточную мембрану.
Процесс, с помощью которогобелки-переносчикисвязывают итранс-
портируютрастворенныемолекулы, напоминаетферментативнуюреак-
цию. В белках-переносчикахвсех типовимеются участкисвязывания
длятранспортируемой молекулы. Когда белок насыщен, скорость
транспортировкимаксимальна.Связываниеможет бытьблокируемокак
конкурентнымиингибиторами, (конкурирующимиза тот же участок
связывания), так и не конкурентнымиингибиторами, связывающимися
вдругом местеи влияющимина структурупереносчика.Молекулярный
механизмработы белковпереносчиковпока не известен.Предполага-
ется, что они переносятмолекулы, претерпеваяобратимыеконформа-
ционныеизменения, которые позволяютих участкамсвязываниярас-
полагатьсяпопеременното на одной, тона другой сторонемембраны
(рис. 2.2.). На даннойсхеме представленамодель, показывающая,
какконформационныеизменения вбелке моглибы обеспечить облег-
ченную диффузию растворенноговещества. Белокпереносчикможет
состоятьв двух конформационныхсостояниях«пинг» и «понг».Пере-
ходмежду нимиосуществляетсяслучайнымобразом и полностьюобра-
тим. Однако, вероятностьсвязываниямолекулы транспортируемого
веществас белком гораздовыше в состоянии«пинг». Поэтомумоле-
кул, перемещенныхв клетку, будетгораздо большечем тех, которые
ее покинут. Происходиттранспортвещества поэлектрохимическому
градиенту.
— 5 -
2.4.Некоторыетранспортныебелки простопереносяткакое-ли-
борастворенноевещество содной сторонымембраны надругую. Та-
койперенос называетсяунипортом.Другие белкиявляются контранс-
портнымисистемами. Вних происходит:
а)перенос одноговещества зависитот одновременного/ последо-
вательного / переноса другоговещества в томже направлении
(симпорт).
б)перенос одноговещества зависитот одновременного/ последо-
вательного/ переноса другого вещества в противоположном
направлении(антипорт).
Например, большинство животных клетокпоглощаетглюкозу из
внеклеточнойжидкости, гдеее концентрациявысока путемпассивно-
го транспортаосуществляемогобелком, которыйработает какуни-
порт.В то же время, клетки кишечникаи почек поглощаютее из лю-
менальногопространствакишечника ииз почечныхканальцев, гдеее
концентрацияочень мала, спомощью симпортаглюкозы и ионов Na.
(рис.2.3.)
Итак, мы рассмотрелиосноаные видыпассивноготранспортама-
лыхмолекул черезбиологическиемембраны.
2.5.Часто бываетнеобходимымобеспечитьперенос черезмемб-
ранумолекул противих электрохимическогоградиента. Такой про-
цессназываетсяактивным транспортоми осуществляетсябелками-пе-
реносчиками, деятельностькоторых требуетзатрат энергии. Если
связатьбелок-переносчикс источникомэнергии, можнополучить ме-
ханизм, обеспечивающийактивный транспортвеществ черезмембрану.
(рис.2.4.).
Однимиз главныхисточниковэнергии в клеткеявляется гидро-
лизАТФ до АДФ ифосфата. Наэтом явленииоснован важныйдля жиз-
недеятельностиклетки механизм(Na + K)-насос (рис.2.5). Он слу-
житпрекраснымпримером активноготранспортаионов. Концентрация
Kвнутри клеткив 10-20 раз выше, чем снаружи. Для Na картина
противоположная.Такую разницу конценраций обеспечиваетработа
(Na+ K)-насоса, которыйактивно перекачиваетNa из клетки, аK в
клетку. Известно, что на работу (Na +K)-насоса тратитсяпочти
третьвсей энергиинеобходимойдля жизнедеятельностиклетки. Вы-
шеуказанная разность концентраций поддерживаетсясо следующими
целями:
— 6 -
1)Регулировкаобъема клетокза счет осмотическихэффектов.
2)Вторичныйтранспортвеществ (будетрассмотренниже).
Опытнымпутем былоустановлено, что:
1)Транспорт ионовNa и K тесно связанс гидролизом АТФ и
неможет осуществлятьсябез него.
2)Na и АТФ должнынаходитьсявнутри клетки, а K снаружи.
3)Вещество уабаин ингибирует АТФазу тольконаходясь вне
клетки, где он конкурируетза участоксвязыванияс K.
(Na+ K)-АТФаза активнотранспортируетNa наружу а K внутрь
клетки.При гидролизеодной молекулыАТФ три ионаNa выкачиваются
изклетки а дваиона K попадаютв нее (рис. 2.6.).
1)Na связываетсяс белком.
2)ФосфорилированиеАТФазы индуцируетконформационные
измененияв белке, в результатечего ъ
3)Na переноситсяна внешнююсторону мембраныи высвобо-
ждается.
4)СвязываниеK на внешнейповерхности.
5)Дефосфорилирование.
6)ВысвобождениеK и возврат белкав первоначальноесосто-
яние.
Повсей вероятностив (Na + K)-насосе естьтри участка свя-
зыванияNa и два участкасвязыванияK. (Na + K)-насос можнозас-
тавитьработать в противоположном направлении и синтезировать
АТФ. Если увеличитьконцентрацииионов с соответствующихсторон
отмембраны, онибудут проходитьчерез нее всоответствиисо сво-
ими электрохимическимиградиентами, а АТФ будетсинтезироваться
изортофосфатаи АДФ с помощью(Na + K)-АТФазы.
2.6.Если бы у клеткине существовалосистем регуляцииосмо-
тического давления, то концентрациярастворенныхвеществ внутри
нееоказалась быбольше их внешнихконцентраций.Тогда концентра-
ция воды в клеткебыла бы меньшей, чем ее концентрацияснаружи.
Вследствиеэтого, происходилбы постоянныйприток водыв клетку и
ееразрыв. К счастью, животные клеткии бактерииконтролируютос-
мотическоедавление всвоих клеткахс помощью активноговыкачива-
ниянеорганическихионов такихкак Na. Поэтомуих общая концент-
рациявнутри клеткиниже чем снаружи.
— 7 -
Клеткирастений имеютжесткие стенки, которые предохраняют
ихот набухания. Многие простейшиеизбегают разрываот поступаю-
щейвнутрь клеткиводы с помощьюспециальныхмеханизмов, которые
регулярновыбрасываютпоступающуюводу.
2.7.Другим важным видом активноготранспортаявляется ак-
тивныйтранспорт спомощью ионныхградиентов(рис. 2.7.). Такой
тип проникновения через мембрануосуществляютнекоторыетранс-
портныебелки, работающиепо принципусимпорта или антипорта с
какими-нибудь ионами, электрохимическийградиент которыхдоста-
точновысок. В животныхклетках контранспортируемымионом обычно
являетсяNa. Его электрохимическийградиент обеспечиваетэнергией
активныйтранспортдругих молекул. Для примерарассмотримработу
насоса, который перекачиваетглюкозу. насосслучайнымобразом ос-
циллируетмежду состояниями«пинг» и «понг». Na связывается с
белком в обоих его состоянияхи при этомувеличиваетсродство
последнегок глюкозе. Внеклетки присоединениеNa, а значит и
глюкозы, происходитчаще чем внутри.Поэтому глюкозаперекачива-
етсяв клетку.
Итак, наряду с пассивным транспортом ионов Na происходит
симпортглюкозы. Строгоговоря, необходимаяэнергия для работы
этого механизма запасаетсяв ходе работы(Na + K)-насоса в виде
электрохимическогопотенциалаионов Na. У бактерий и растений
большинство систем активноготранспортатакого видаиспользуютв
качествеконтранспортируемогоиона ион H. К примеру, транспорт
большей части сахарови аминокислотв бактериальныеклетки обус-
ловленградиентомH.
2.8.Один из самыхинтересныхспособов активного транспорта
состоит в том, чтобыкаким-либообразом удержатьвнутри клетки
молекулу, вошедшую тудав соответствиисо своим электрохимическим
потенциалом.
Так, некоторыебактериифосфорилируютмолекулы отдельныхса-
харов, в результатечего они заряжаютсяи не могут выйтиобратно.
Такойвид транспортаназываетсявекторнымпереносомгрупп.
2.9.Для сквозноготранспортавеществ черезклетку существу-
ютособые механизмы. Например, вплазматическоймембране клеток
— 8 -
эпителиякишечникабелки-переносчики распределены ассиметрично.
(рис. 2.8.). Благодаря этому, обеспечиваетсятранспортглюкзы
сквозьклетку вовнеклеточнуюжидкость откуда она поступает в
кровь. Глюкоза проникаетв клетку с помощьюсимпорта, контранс-
портнымионом в которомявляется Na, ивыходит из неепутем об-
легченнойдиффузии спомощью другоготранспортногобелка.
2.10.Рассмотрим некоторыедополнительныефункции транспор-
теровработающихпо принципуантипорта. Почти все клетки позво-
ночных имеют в составесвоей плазматическоймемраны (Na + H) пе-
реносчик-обменник.Этот механизмрегулируетpH внутри клетки.Вы-
водионов H из клеткисопряжен странспортировкойв нее ионов Na.
Приэтом увеличиваетсязначение pH внутриклетки. Такойобменник
имеетособый регуляторныйучасток, которыйактивизируетего рабо-
тупри уменьшенииpH. Наряду с этим, у многих клетокесть меха-
низм, обеспечивающий обратный эффект. Это (Cl + HCO)-обменник,
которыйуменьшаетзначение pH.
2.11.Одним из самыхинтересныхпримеров транспорта веществ
через биологические мембраны являетсявзаимодействиегормонов с
клеткой. Как известно, гормонаминазываютспецефическиехимичес-
киесоединения, которые оказываютзначительноевлияние напроцес-
сыобмена веществи функционированиеорганов. В отличиеот фер-
ментовили витаминовгормоны неизменяют скоростьотдельных реак-
ций, а существенновлияют на некиефундаментальныепроцессы в ор-
ганизме, которые затем сказываютсяна самых различныхсторонах
жизнедеятельностиорганизма.
Некоторыевиды гормонов проникают вклетку и регулируютв
нейсинтез информационныхРНК. Другиегормоны, называемыепептид-
ными (инсулин, гормон роста) взаимодействуют со специальными
мембраннымибелками, которые, в свою очередь, продуцируютв клет-
кевещества, влияющиена некоторыепроисходящиев ней процессы.
3.ПЕРЕНОС ЧЕРЕЗМЕМБРАНУ МАКРОМОЛЕКУЛИ ЧАСТИЦ
Взаключениерассмотримосновные механизмы транспортировки
черезбиологическиемембраны крупныхчастиц и макромолекул.
— 9 -
Процесспоглощениямакромолекулклеткой называетсяэндоцито-
зом. В общих чертахмеханизм егопротеканиятаков: локальные
участкиплазматическоймембраны впячиваютсяи замыкаются, образуя
эндоцитозныйпузырек (рис.2.9.), затем поглощеннаячастица обыч-
нопопадает влизосомы иподвергаетсядеградации.
* * *
Нельзяпреувеличитьроль транспортавеществ через плазмати-
ческую мембрану вжизнедеятельностиклетки. Большинствопроцес-
сов, связанных собеспечениемклетки энергиейи избавлениемее от
продуктов распада, основанына вышеописанныхмеханизмах. Кроме
того, специальныефункции клеточноймембраны заключаютсяв полу-
ченииклеткой внешнихсигналов (примеромэтому могутслужить опи-
санныевзаимодействияклетки с гормонами).
ЛИ Т Е Р А Т У Р А
АлбертсБ., Брэй Д., ЛьюисДж. и др. Молекулярнаябиология
клетки.В 3-х томах. Том1. М., Мир, 1994.
ЗоммерК. Аккумуляторзнаний по химии.М., Мир, 1985.
Химия.Курс для средней школы. Пер. с англ. под ред.
Г.Д.Вовченко.М., Мир, 1971.
ФиллипповичЮ.Б. Основы биохимии.М., Высшая школа,1985.