Транспорт через мембрану

ФИЗИОЛОГИЯ
Тема 3. Физиология клеток
Доцент, Бондарев Дмитрий Владимирович, dima-bondarev@gmx.de
Lund University / Presentation 2011
Обзор лекции
• Мембрана
• Клеточные органеллы
• Нуклии
• Рибосомы
• Эндоплазматический ретикулум
• Эндосомы
• Митохондрии
• Движение молекул через клеточную
мембрану
Клетка
Клеточная теория
• Все живое состоит из одной
или многих клеток
•
Все новые клетки созданы путем деления
предыдущей клетки
•
Клетка – основная структурная и
функциональная единица живого организма
Молекулы это вещества
состоящие из атомов.
Клетки состоят из молекул.
Клетка это живой организм или
неживой ?
Состав клетки
• Клеточная мембрана,
окружающая и предохраняющая
клетку
•
Цитоплазма – внутренняя водная среда,
содержащая ионы, протеины и органеллы
•
Органеллы – выполняющие все виды
деятельности, необходимые для
клеточной жизни и размножения
Как форма клетки влияет на ее функции? Можете ли
вы определить функции этих клеток? Где клетки
сердечной мышцы, клетки нервной системы (нейроны)
клетка крови (красное кровяное тельце) ?
Центральная тема организационных уровней в
физиологии: форма и структура оптимально
предназначена для определенной функций
http://141.214.65.171/Histology/Basic%20Tissues/Muscle/058t
hin_HISTO_83X.svs/view.apml
Multinucleate Muscle Cell
Red Blood Cell Extruding Its Nucleus
http://virtualslides.med.umich.edu/Histology/EMsm
allCharts/3%20Image%20Scope%20finals/139%2
0-%20Erythroblast_001.svs/view.apml
Клеточные органеллы
Эндоплазматический ритикулум,
reticulum — сеточка
Митохондрия
Основной функцией
митохондрий
является синтез АТФ
Свободные радикалы и окислительный
стресс
Свободные радикалы – высокореакционные
частицы, имеющие не спаренные электроны,
стремящиеся забрать недостающий электрон у
полноценных молекул, которые сами при этом
становятся нестабильными. Механизм их действия агрессивное окисление, сопровождающееся
повреждением клеток
Пероксисомы – осуществляют надзор за реакциями
по нейтрализации свободных радикалов. Клетки
печени содержат особо много пироксисом.
Антиоксиданты – вещества, замедляющие окисления.
Свободные радикалы и окислительный
стресс
Окислительный стресс – повреждения клеточных
структур в результате окисления.
Реактивные форм кислорода образуются в результате
нормального клеточного метаболизма.
Однако уровень РФК, превышающий защитные
возможности клетки, вызывает серьёзные нарушения
клеточных липидов, протеинов, углеводов и
нуклеиновых кислот. Повреждение ДНК приводит к
генным мутациям и раку.
Другие заболевания: атеросклероз,
гипертензия, болезнь Альцгеймера, диабет, а также
является одной из составляющих процесса старения
Video. Свободные радикалы и антиоксиданты
Ядро клетки
Синтез белка
ДНК содержит необходимые «инструкции» с функциями
клетки.
Клетка использует это т генетический код для построения
белков.
Этот генетический код лежит на последовательности
нуклеотидов. Для прочтения его клетке надо сделать два
шага:
Транскрипция (ДНК-РНК) - перенос генетической
информации с ДНК на РНК.
Трансляция (из РНК в белок). Специальными
органеллами клеток — рибосомами. Рибосома, распознает
последовательность аминокислот записанных на
информационной РНК и, достаточно сложным образом,
синтезирует (строит) белки или РНК.
Рост клеток и размножение
Два основных типа деления клеток – митоз и мейоз.
Время жизни клетки от деления до деления называют
клеточным циклом.
Регуляция клеточного цикла осуществляется химическими
молекулами.
Нарушение этой регуляции приводит к неконтролируемому
делению (рак).
Клеточная дифференциация
Специализация клеток.
Стволовые клетки: неспециализированные клетки,
которые затем специализируются.
Мембрана
Клеточная мембрана представляет собой
двойной слой фосфолипидов, также
содержащий белковые молекулы ; регулирует
обмен между клеткой и средой.
Распределение жидкости
Внутриклеточная жидкость – жидкость внутри
клетки
Внеклеточная жидкость - находится вне
клетки,
Межклеточная жидкость – внеклеточная
жидкость, которая не содержится в кровяных
сосудах
Равновесное состояние: Одинаковое количество веществ,
нет расхода энергии на его поддержание, нет барьера .
Постоянное состояние: постоянное количество веществ,
вход=выходу, нужна энергия для удержания.
Транспорт через мембрану
• Ионы Ca++, Na+, K+, and Cl–
• Питательные вещества: сахар, жирные
кислоты, аминокислоты
• Продукты жизнедеятельности: углекислый газ
Избирательная проницаемость. Только
неполярные вещества могут проходить через
мембрану (липиды, кислород, углекислый газ и
алкоголь)
Водорастворимые молекулы (аминокислоты,
глюкоза, электролиты) нуждаются в некоторой
помощи
Транспорт через мембрану
Пассивный транспорт — транспорт веществ
по градиенту концентрации, не требующий
затрат энергии (неполярные молекулы с малой молекулярной
массой (кислород, азот, бензол), полярные молекулы, как углекислый
газ, оксид азота, вода, мочевина, стероидные гормоны)
Активный транспорт - осуществляется
против градиента концентрации. Осуществляют
белки-переносчики (насосы) с затратами энергии
(АТФ). Характерен для крупных полярных
молекул (глюкоза, аминокислоты), а также для
ионов
Пассивный транспорт
Коэффициент равновесия.
Градиент концентрации. Молекулы распространяются
из места высокой концентрации в место в низкой
концентрацией. Как температура влияет на это ?
О2 – диффундирует через мембрану в клетку, так как его
концентрация больше за ее пределами
СО2 - диффундирует из клетки, так как его концентрация внутри
клетки больше
Что влияет на диффузию?
• Масса молекул
• Площадь поверхности
• Вещество, через которое происходит диффузия. Мембрана или л
липидный слой (неполярные молекулы)
Осмос - процесс односторонней диффузии через
полупроницаемую мембрану молекул растворителя
в сторону большей концентрации растворённого
вещества.
Растворы, достигшие равновесия,
называются изотоническими . Организм
стремиться создать изотоническое равновесие.
Гипертония- внутриклеточная вода выходит наружу, что
приводит к высыханию и сморщиванию клетки
Вода (синие) способна
пересекать мембрану, соль
(фиолет) — нет.
Осмос - процесс односторонней
диффузии через
полупроницаемую мембрану
молекул растворителя в сторону
большей концентрации
растворённого вещества
Количество частиц в 1 кг воды
Одна из функций почек – регуляция
вывода воды в мочу, так чтобы
осмолярность внеклеточной
жидкости оставалась постоянной
несмотря на количество
потребляемой соли и водных
потерь.
Membrane Transport in Cells Symport_ Antiport_ Co-transport
Video. Statkraft_-_Osmotic_Power_Plant
Где осуществляется транспорт через
мембрану
Транспортные протеины: переносчики или каналы
Унипорт — транспорт одного вещества в одном
направлении в зависимости от градиента.
Симпорт — транспорт двух веществ в одном
направлении через один переносчик.
Антипорт — перемещение двух веществ в разных
направлениях через один переносчик.
Электрический градиент
Na, K, Cl, and Ca2 диффундируют через
мембрану значительно быстрее за счет наличия
каналов.
Электрический градиент. Ионы с одним и тем же
знаком заряда отталкивают друг друга, а с
противоположенным притягиваются.
Например, если внутри клетки отрицательный заряд, то
положительно заряженные ионы будут стремиться в клетку. Даже
если не будет разницы по концентрационному градиенту, то все
равно будет происходить перемещение положительно заряженных
ионов в клетку и отрицательно заряженных из клетки.
Электрохимический градиент. Градиент концентрации и
электрический градиент могут противодействовать друг другу. В
этом случае перемещение ионов будет определяться
электрохимическим градиентов – суммой двух сил.
Два типа протеинов находятся в мембране:
•
Периферический протеин (внутри, снаружи, напр. гормон
•
Интегральный протеин – встроенный канал, рецептор
– выборочно соединяется с определенной молекулой на
поверхности клетки и «переносит» ее вовнутрь
•
•
Опознавательные протеины (рецептор) –
маркирует клетку, чтобы ее «узнавали» другие
клетки.
Диффузия через ионные каналы
• Ионные каналы- могут находиться в
открытом или закрытом положении
• Количество ионов, которое может
проходить через каналы зависит от того,
сколько раз открывается канал и как долго
он остается открытым
Три фактора влияют на отк/закр каналов,
изменяя их форму:
• Присоединение спец. химического элемента (лиганды)
• Изменение электрического потенциала мембраны
(потенциал-зависимые каналы)
• Растягивание мембраны, механочувствительные
Транспорт в клетку с помощью переносчика
Иногда клетке необходимы вещества, которых мало
снаружи, но уже много внутри клетки (диффузия не
действует)
Также молекулы аминокислот, глюкозы чрезмерно
большие, чтобы диффундировать через мембрану через
каналы.
Транспорт осуществляется за счет присоединения к белку
– переносчику.
Много типов переносчиков. Каждый специфичен для
определенного вещества.
Транспорт в клетку с помощью переносчика
Три фактора определяют степень переноса молекул
через переносчика:
• Степень насыщения: концентрация вещества и
предрасположенность переносчика
• Число переносчиков в мембране.
• Степень изменения транспортного белка.
Основные транспортные
протеины: Na,K-ATPase, CaATPase, H-ATPase, H,K-ATPase
Устанавливает градиент
веществ, который затем
используется для вторичного
транспорта (ч-з ионные каналы)
Использование АТФ для транспорта:
Натриево-калиевый насос (Na+/K+ ATPase): переносит
Na+ из клетки и K+ в клетку. 10-40 % энергии
используется на поддержание Na градиента.
Каждая молекула АТФ выделяет энергии для
перемещения 3 Na+ из клетки и 2 K+ в клетку. Это
обеспечивает прохождения потенциала действия.
-70 mV
Механизм медицинских
препаратов:
Дигоксин - применяется для
усиления сокращения сердца
при отравлении.
Подавляет Na+-К+-АТФазу в сердечной
мышце. Это понижает градиент для
Na диффузии в клетку. Снижает выход
кальция из клетки, через Na-K обмен,
и увеличивает концентрацию кальция
в клетке (опосредованное увеличение
Ca)
Хроническая сердечная недостаточность, мерцательная тахиаритмия,
суправентрикулярная пароксизмальная тахикардия, трепетание
предсердий
Природа генетических
заболеваний:
Нарушения работы ионных каналов и
транспорта протеина. Это затрудняет
работу нервов и мышечных клеток.
Муковисцидоз - системное
наследственное заболевание,
обусловленное мутацией гена
трансмембранного регулятора
муковисцидоза. Нарушения
функций органов дыхания. В основе
лежит поражение мембранных
каналов, через который снижается
прохождение Cl из клетки
Это проявляется, в том, что эпителий не производит жидкость необходимую
для удаления мускуса из легких
Video. 3_ Membrane Transport Animation
Эндоцитоз :
процесс захвата внешнего материала клеткой.
Контрольные вопросы
1. Что такое диффузия и диффузное равновесие?
2. Как диффундируют ионы через мембрану?
3. Какие движущие механизмы способствуют
перемещению ионов через мембрану?
4. Какие факторы влияют на откр/закр ионных
каналов?
5. Какая разница между диффузией и активным
транспортом?
6. Что такое эндоцитоз и фагоцитоз?