2 курс / Нормальная физиология / Физиология клеточных мембран

11

Виды диффузии

Простая диффузия - это вид пассивного транспорта, который осуществляется благодаря градиенту концентрации, вещество из зоны большей переходит в зону меньшей концентрации без участия специфического белка-переносчика.

На практике это можно представить в виде капли краски в стакане воды, которая равномерно растворяется во всем объеме воды или же вспомнив, что запах от булочек с корицей в духовке легко распространяется на всю квартиру (только в этом случае диффузия касается газов).

Диффузия может осуществляться сквозь

12

Факторы, влияющие на диффузию

Для диффузии в биологических системах используется формула Фика:

Где:

P - коэффициент проницаемости

S - площадь мембраны J=-P*S*(Ci-Ce) (Сi-Ce) - градиент концентрации

Ci - концентрация вещества внутри клетки (intracellular) Ce - концентрация вещества вне клетки (extracelular)

Вкаких ситуациях будет увеличиваться диффузия:

1.При увеличении коэффициента проницаемости (повышение температуры, липофильности молекул, уменьшении их размера)

2.При увеличении площади мембраны

3.При увеличении градиента концентрации

Пример диффузии в легких

Кислород является мелкой неполярной молекулой, что увеличивает его проницаемость сквозь билипидный слой клеточной мембраны.

В артериальной крови парциальное давление кислорода становится 100 мм.рт.ст., а в венозной - 40 мм.рт.ст, разница напряжения кислорода - 60 мм. рт. ст. – это и является градиентом концентрации.

площадь альвеол, которые участвуют в вентиляции приблизительно 50-90 м2

толщина мембраны - 1 мкм

Все эти факторы, а именно: высокая проницаемость мембраны благодаря размерам и неполярности кислорода, высокий градиент концентрации и большая площадь альвеол – определяют высокую скорость транспорта кислорода из легких в кровь.

13

Облегченная диффузия - вид пассивного транспорта, при котором вещества проходят сквозь клеточную мембрану по градиенту концентрации благодаря белкам-переносчикам (транслоказы).

С помощью этого механизма транспортируются крупные или полярные молекулы, которые самостоятельно не могут пройти сквозь билипидный слой. Но при этом, обязательно должен присутствовать градиент концентрации этих крупных молекул.

Белки-переносчики существуют для:

аминокислот

глюкозы (GLUT)

глицерина

витамина B12 (внешний фактор Касла)

мочевой кислоты (OAT – Organic Anion Transporter)

Механизм транспорта:

Цианокобаламин (внешний фактор Касла) связывается с активным центром белка - переносчика (гастромукопротеид, внутренний фактор Касла)

Изменяется конформация белка-переносчика

Комплекс «цианокобаламин – фактор Касла» связывается с лигандами на поверхности тонкой кишки

Комплекс проходит сквозь эпителий благодаря рецепторопосредованному эндоцитозу

Самостоятельно пройти сквозь мембрану витамин B12 не может, поэтому при развитии ахлоргидрии или атрофического гастрита он не будет всасываться в организм, что приведет к развитию гиперхромной анемии из-за нарушения процессов кроветворения.

14

Особенности облегченного транспорта

15

NB! Клиническое значение

Явление конкуренции применяется в фармакологии для лечения подагры. В почках существует семейство белков переносчиков - OAT (Organic Anion Transporter), которые переносят молекулы мочевой кислоты из первичной мочи обратно в кровь. А для пациентов с подагрой нужно, наоборот, снизить количество мочевой кислоты в крови, чтобы препятствовать образованию уратных камней и развитию характерного для подагры воспаления суставов. Для этого используется препарат пробенецид, который конкурирует с мочевой кислотой за активный центр белка переносчика OAT, таким образом, мочевая кислота не реабсорбируется обратно в кровь.

Первично-активный транспорт

Первично-активный транспорт - это транспортирование веществ сквозь мембрану против электрохимического градиента, благодаря энергии, которая высвобождается при расщеплении макроэргических соединений. Таким способом транспортируются ионы калия внутрь клетки, а ионы кальция - во внеклеточную среду.

Транспорт осуществляется благодаря ферментам АТФ-азам, которые расщепляют АТФ и направляют энергию на транспорт молекул против градиента концентрации.

Почему же он называется первично-активным?

Все просто, для этого транспорта не нужен градиент концентрации других ионов или участие каких-либо других процессов, он реализуется непосредственно с помощью энергии АТФ.

Представьте себе это как покупку товара, вы отдаете деньги (АТФ) и за их счет забираете товар (ионы натрия) из магазина (клетка).

16

К первично-активному типу транспорта относят 3 важных насоса*:

Na+/K+-АТФаза

Строение Na+/K+-насоса: в структуре есть две α- и две β-субъединицы, а также непостоянная γ-субъединица.

*слово насос используется больше в “простонародье”, чтобы было легче понимать механизм работы АТФаз.

17

Механизм транспорта ионов:

Происходит связывание ионов: 3 иона Na+ α-субъединица связывает внутри клетки, а 2 иона К+ снаружи клеточной мембраны

Гидролиз молекулы АТФ с помощью α-субъединицы

Высвобождение энергии

Транспорт 3 ионов Na+ во внеклеточное пространство, а 2 ионов К+ внутрь клетки

Роль:

создание мембранного потенциала покоя

создание градиента Na+, что помогает переносить молекулы глюкозы, аминокислот, других ионов с помощью вторично-активного транспорта

18

Са2+-АТФаза

Этот насос, который находится на поверхности мембраны саркоплазматического ретикулума, а также на поверхности клеточной мембраны. Благодаря энергии расщепления АТФ фермент переносит 2 иона Ca2+ внутрь СПР или же во внеклеточное пространство.

Роль: помогает поддерживать нужную концентрацию ионов Ca2+ в миоплазме ниже 0,1 мкмоль/л, что важно для протекания процессов сокращения/расслабления в мышцах.

NB! Клиническое значение

Нарушение транспорта ионов Ca2+ - один из важнейших механизмов повреждения клеток (кальциевая преднагрузка). Подобное явление может наблюдаться в условиях недостатка энергии (ее не хватает для обеспечения нормальной работы насосов), при повреждении клеточной мембраны. Тогда будет наблюдаться чрезмерное сокращение фибриллярных структур (миофибрилл, элементов цитоскелета), разобщение процессов окисления и фосфорилирования (так как энергия, которая появляется благодаря транспорту электронов идет не на синтез АТФ, а на “закачку” кальция в СПР), активация ферментов: фосфолипаз, протеаз, эндонуклеаз, что ведет к нарушению строения клеточной мембраны, деградации клеточных белков и нуклеиновых кислот.

19

H+/K+-АТФаза

Где:

поверхность париетальных клеток желудка

дистальные канальцы нефрона

Роль:

H+/K+-АТФаза необходима для синтеза HCl, а нормальная кислотность желудочного сока нужна для работы желудочных ферментов

в почках насос ответственен за секрецию ионов H+  поддержание pH мочи. В условиях ацидоза секреция ионов H+ увеличивается  восстановление нормального гомеостаза в организме

NB! Клиническое значение

Для лечения язвенной болезни, а также синдрома Золлингера-Эллисона используются ингибиторы H+/K+-АТФазы (или ингибиторы

протонной помпы), так как они ↓ секрецию ионов H+  ↓ кислотность желудочного сока.

К таким препаратам относятся: омепразол, пантопразол, эзомепразол.

20

Вторично-активный транспорт

Вторично-активный транспорт осуществляется против градиента концентрации с помощью энергии, которая образовалась благодаря первично-активному транспорту.

Сюда относят 2 механизма транспорта веществ:

симпорт

антипорт

Симпорт (котранспорт) – оба вещества транспортируются сквозь клеточную мембрану в одном направлении с помощью одного энергозависимого белка-переносчика. Таким образом транспортируется глюкоза (благодаря SGLT-белку), а также аминокислоты.

Механизм транспорта:

Сначала осуществляется первично-активный транспорт, концентрация Na+ извне стала больше  образовался градиент концентрации Na+

Na+ может возвращаться обратно в клетку по своему электрохимическому градиенту (так как внутри клетки его меньше), но без затрат энергии, а наоборот, с ее

высвобождением

Энергия, которая высвободилась от транспорта Na+ в клетку, используется для транспорта глюкозы или аминокислот, которые присоединяются к белку-переносчику иона Na+

Вместе с Na+ в клетку поступает глюкоза/аминокислоты