Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Курс “Биохимия”
Лекция 11.
Одним из фундаментальных свойств живых систем является их способность к обмену веществами и энергией с окружающей средой. Это приводит к возникновению разности концентраций веществ в внутриклеточном пространстве и внеклеточном пространстве, окружающем живую систему. Эта разность лежит в основе ряда жизненных процессов. Различие в концентрациях может поддерживаться лишь при условии, что клетки отделены от окружающей среды мембранами с различной степенью проницаемости для разных веществ.
Отделение клетки от окружающей среды не единственная функция мембран. Мембраны создают также архитектуру органелл клетки и, следовательно, лежат в основе их физиологических функций. В некоторых случаях мембраны составляют до 80% общей массы сухих компонентов клетки. Состав мембран зависит от их типа и функции, однако во всех случаях их основными составляющими являются липиды и белки, соотношение между которыми колеблется в пределах от 0,4 до 2,5. Толщина мембраны обычно составляет 4-10 нм.
Белковые компоненты мембран состоят из молекул с молекулярной массой от 5000 до 250000. Липидная полость состоит в основном из фосфолипидов, сфинголипидов и стероидов. В мембранах животных клеток свыше 50% липидных компонентов составляют глицерофосфолипиды (лецитин, кефалин и др.), сфинголипиды, гликолипиды и триацилглицерины.
Структурная организация мембран до сих пор до конца не ясна. Электрономикроскопические исследова ния показывают наличие трех слоев, из которых два внешних поглощают электроны, а третий, внутренний, 1егко их пропускает. Структура мембран и расположение в них различного рода компонентов описываются моделей.
Модель элементарной мембраны представляет мембрану как два белковых слоя различного состава, пере межающихся внутренним слоем липидов. Внешний белковый слой содержит мукопротеиды, а внутренний образуется из глобулярных белков, обладающих ферментативной активностью.
Модель глобулярных субъединиц рассматривает мембрану как состоящую из липидных глобул, окру женных белковой оболочкой. При этом образуются почти цилиндрические мицеллы, объединяющиеся в плоские, круглые или трубчатые образования. Между субъединицами могут находиться тончайшие поры, через которые легко проникают низкомолекулярные вещества. Конформационные изменения белков, окружающих эти поры, оказывают существенное влияние на их проницаемость.
Принятая в настоящее время жидкостно-мозаичная модель заключается в том, что мембраны образуются из липидного двойного слоя, покрытого периферическими белками, которые легко отделяются от липидов. В липидный двойной слой также включаются белки, полностью или частично погруженные в него и получив шие название интегральных белков. Эти белки имеют двойственную природу, причем спиральные участки, пронизывающие липидный слой, состоят из алифатических (липофильных) аминокислот, в то время как их наружные концы гидрофильны и могут быть связаны с остатками Сахаров (терминальный остаток -14-ацетил-нейраминовая кислота). Таким образом, они принимают участие в образовании полисахаридной оболочки гликокаликса) некоторых клеток. Кроме того, эти части структур несут отрицательные заряды и могут уча ствовать в контактном ингибировании.
Основные функции клеточных мембран заключаются в отделении клеток от межклеточной жидкости, созда нии внутренней архитектуры клетки, в поддержании градиента концентраций и электрохимического градиен та, в осуществлении переноса питательных веществ и продуктов жизнедеятельности, они являются носителя ми поверхностных антигенов, в них возникают и через них передаются нервные импульсы, а также осуществляются многие другие процессы. Проницаемость мембран для различных веществ зависит как от свойств молекул этих веществ, так и от характеристики мембран. В зависимости от того, требует ли перенос вещества через мембрану затраты дополнительной энергии, эти процессы могут быть разделены на пассивный и активный транспорт.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛИПИДОВ МЕМБРАН
Липиды относятся к дифильным веществам - их молекулы состоят из двух частей с различными фи зико-химическими свойствами. Одна часть-голов ка молекулы, обычно состоит из глицерина, остат ка фосфорной кислоты, аминоспирта, карбоксиль ной группы жирной кислоты или другой полярной группы (например, группы ОН при С3 холестерина) и является гидрофильной. Другая часть молекулы -ее хвост, является гидрофобной и состоит из алифа тических цепей жирных кислот или стероидного скелета холестерина. Несмотря на все различия в составе, все эти фосфатиды имеют весьма сходные размеры молекул (длина около 3 нм, диа метр около 0,5 нм) и форму и обладают сходными свойствами -способностью к образованию ком плексов с холестерином и к связыванию полярных групп других молекул, таких, как белки и диполи молекул воды.
ОРИЕНТАЦИЯ ФОСФОЛИПИДОВ НА ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА
Полярные липиды способны распространяться по поверхности водных растворов с образованием мономолекулярных слоев. Гидрофобные цепи жирных кислот обращены в сторону воздуха, а ги дрофильные части молекул погружены в водную фазу.
В водных растворах полярные липиды могут спонтанно образовывать мицеллы, причем липофильные части молекул ориентируются по напра влению друг к другу с образованием гидрофобного ядра, которое защищено от водной фазы оболоч кой из гидрофильных частей молекул. Такого рода ориентация фосфолипидов в мицеллах приводит к образованию двуслойных структур с толщиной около 7 нм.
ПЕРЕНОС ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ
Растворенные вещества проникают через мем браны либо сами, без переносчиков, либо с помощью переносчиков.
Непосредственный (без носителей) транспорт ве ществ осуществляется через поры мембран, т.е. в тех белоксодержащих участках, которые прони цаемы для малых молекул (воды, мочевины и др.) и действуют подобно молекулярным ситам, а так же непосредственно через липидную фазу мембраны. В последнем случае липидная фаза служит раство рителем для ряда веществ, обладающих малополяр ным характером (простые и сложные эфиры, высшие спирты, жирные кислоты и др.). Перенос веществ без носителей всегда протекает в направлении гра диента концентрации, и его скорость зависит от ве личины этого градиента, константы диффузии, тем пературы и/или значения коэффициента распределе ния. Однако большинство веществ проникает через биологические мембраны с помощью специфических транспортных систем, так называемых переносчи ков. Этот термин относится к специфическим мем бранным белкам или функциональным комплексам липопротеидов, которые обладают благодаря своей третичной структуре такими местами (рецеп торами), которые способны связывать молекулы субстратов на одной стороне мембраны, перено сить их через мембрану и освобождать их по дру гую сторону мембраны. Простейшим процессом транспорта с помощью переносчика является так называемая облегченная, или опосредованная, диффузия. В этом процессе носитель облегчает перенос вещества через мембрану в направлении градиента концентраций без затраты энергии. В тех случаях, когда переносчик облегчает перенос како го-либо вещества в одном направлении и одновре менно другого в противоположном без затраты энергии, процесс называется обменной диффузией.
Для осуществления процесса активного транс порта, дающего возможность переносить вещества от мест с низкой концентрацией в места с высокой концентрацией, требуется не только носитель, но и источник энергии, обычно им является АТР. Активный транспорт может служить для переноса одного вещества в одном направле нии, либо для переноса двух веществ в противопо ложных (или в том же самом) направлениях, в по следнем случае он называется сопряженным ак тивным транспортом.
Важным транспортным процессом, особенно при переносе макромолекул через мембраны, является пиноцитоз. Он включает выпячивание кле точной мембраны внутрь, отделение образующейся таким образом вакуоли, содержащей макромолеку лу, и ее перенос внутрь клетки.
Вакуоли обычно связаны с лизосомами, образуя так называемые переваривающие вакуоли, являющиеся местом дей ствия ферментов. Считают, что экзоцитоз, процесс, обратный пиноцитозу, лежит в основе молеку лярных механизмов выделения высокомолеку лярных веществ из клеток. Аналогичный процесс переноса твердых частиц известен под названием фагоцитоза.
Транспорт веществ с участием переносчиков имеет три характерные черты, которые могут быть определены при измерении кинетики переноса а) Он зависит от концентрации субстрата. Подобно обычным ферментам, мебранные транс портные системы могут насыщаться субстратом. При низких концентрациях субстрата перенос про текает как реакция первого порядка, но по мере на сыщения субстратом кинетика приобретает нуле
вой порядок по субстрату.
б) Он характеризуется субстратной специфич ностью, т.е. переносится только одно вещество или группа сходных веществ.
в) Он может ингибироваться как конкурентно так и неконкурентно. Некоторые вещества могут конкурировать с субстратом за специфический центр связывания в транспортных системах либо изменять конформацию центра связывания.
Следовательно, скорость такого переноса возрастает с ростом температуры
МОДЕЛИ ТРАНСПОРТА
С УЧАСТИЕМ ПЕРЕНОСЧИКОВ
Хотя к настоящему времени выделено и исследовано большое число белков (переносчиков), обладающего транспортными функциями, а также по-АТРазные и трансферазные системы, молеку лярная природа переноса веществ с их помощью еще недостаточно ясна.
Разнообразие в свойствах переносчиков и в ки нетике транспорта различных веществ привел; к созданию самых разных моделей мембранного транспорта.
Общей чертой всех этих моделей является пс-стадий узнавания субстрата, егс с переносчиком, переноса через мем брану и освобождения субстрата от переносчик 1 В качестве моделей стадии переноса через мембра ну предложены модели вращающегося переносчи-. (1.А; 1.Б), трансляции (2), осцилляции между двум-крайними положениями (3) и т.д. Необходимым ус ловием для этих типов транспорта является до ступность для субстрата центра связывания перено счика с одной стороны мембраны и недоступности с другой. В противном случае, при одновременно; доступности с обеих сторон, переносчик стане-трать роль пор и транспорт будет сходен с обыч ной диффузией.
Системой, промежуточной между активным, переносом вещества носителем и его пассивны? транспортом через поры, является система фикси рованных каналов (4). Стенки таких каналов могу" расширяться и сокращаться (изменяя свою конфор мацию) и осуществлять, таким образом, транспорт молекул от одной стороны к другой.
Исследование кинетики различных процессе: транспорта привело к созданию моделей, объединила особенности моделей подвижного перенооса и каналов (5, 6).
НАТРИЕВЫЙ НАСОС
2К
Так называемый натриевый насос осуществляет активный транспорт ионов Nа + через мембраны. Этот активный транспорт ионов натрия из клетки в наружную среду осуществляется с помощью двух типов «насосов». В первом из них транспорт ионов На* из клетки сопряжен с транспортом ионов К+ внутрь клетки; он получил название сопряженного нейтрального насоса.
Во втором типе транспорт ионов На+ не требует обязательного сопряжения с транспортом К+. По скольку транспорт На+ из клетки без компенсации ионами К+ вызывает рост электрохимического по-ЗМа тенциала, он получил название электрогенного. Та кой электрогенный насос ответствен за возникно вение трансмембранных потенциалов.
Источником энергии активного транспорта является АТР или другие формы энергии метабо лизма. Одной из наиболее распространенных си стем активного транспорта является Nа,К-АТРаз ная система, осуществляющая транспорт ионов №+ из клетки и в то же самое время ионов К+ в клетку. АТРазные системы локализованы в мем бранах и взаимодействуют с ионами натрия, нахо дящимися внутри клетки и ионами калия, находящи мися вне клетки.
Источником энергии для сопряжения транспор та двух ионов К+ в клетку и трех ионов На"1" из клетки является расщепление одного моля АТР до АОР и фосфата.