Клетка - открытая система

реклама
Клетка - открытая система
1.
2.
3.
4.
5.
Элементарная живая система:
Самостоятельное существование
Развитие
Размножение
Автономна по отношению к окружающей
среде
6. Взаимодействует с окружающей средой
Биомембраны в клетке
1. Плазматическая мембрана - образует
границу клетки
2. Органеллы
3. Ядро
4. Эндоплазматический ретикулум
5. Аппарат Гольджи
6. Лизосомы
7. Митохондрии
8. Хлоропласты
Основные функции БМ
1. Барьерная – селективный, регулируемый
пассивный транспорт, активный обмен
веществом с окружающей средой.
2. Матричная – определенное взаимное
расположение и ориентация мембранных
белков.
3. Механическая – прочность и
автономность клетки, внутриклеточных
структур.
4. Энергетическая – синтез АТФ и
фотосинтез.
5. Генерация и проведение потенциалов.
6. Рецепторная.
Развитие представлений о строении
биологических мембран
• XIX в – ПМ - определенная структура
• к XIX в – Овертон: БМ состоят из молекул,
которые похожи на молекулы масла
(липиды)
• 1925г – Гардер и Грендел БМ образована 2-ым слоем
липидных молекул (липидный
бислой)
кювета Ленгмюра
Развитие представлений о строении
биологических мембран
• 1935г Коул и Кертис – подтвердили гипотезу.
Электрическое сопротивление двойного
мембранного слоя 107 Ом м2
Удельная электрическая емкость 0,5 10-2 Ф/м2
Биомембрана – электрический конденсатор
Толщина неполярной части – 3,5 нм
Развитие представлений о строении
биологических мембран
1935 г Дэвинсон и Даниелли предложили
модель «сендвича».
Рентегоструктурный анализ установил
упорядоченность в расположении липидных
молекул в БМ
Электронная микроскопия показала – в БМ
встроены глобулярные частицы
1972 г – Спингер и Николсон – разработали
концепцию жидко-мозаичной модели БМ:
БМ текучий фосфолипидный слой, в который
погружены свободно диффундирующие белки
Развитие
представлений о
молекулярной
организации БМ
(по Ю.А.
Владимирову)
Образование мембранных структур
Основные молекулярные компоненты БМ
– биополимеры, функционирующие в
водной среде
Методы изучения БМ
(состав, структура, строение)
Электронная микроскопия
а) оптический микроскоп – отдельные
части клетки;
б) электронный микроскоп – внутреннее
строение, клеточные органеллы, детали
строения БМ;
г) замораживание-скалывание (травление),
ЭПР, ЯМР, флуоресцентные методы –
динамические характеристики БМ
ЭПР
Различия в спектрах ЭПР в зависимости от
способа прикрепления спиновой метки к
фосфолипидной молекуле
Изменение спектров ЭПР при
увеличении подвижности
(уменьшении микровязкости)
Биомембраны:
• функциональные структуры клетки,
которые ограничивают цитоплазму и
большинство внутриклеточных структур,
образуют единую систему канальцев,
складок и замкнутых полостей;
• толщина  10нм;
• масса 1/2 массы сухой клетки;
• состав: липиды, белки, углеводы и
минорные компоненты.
Вода в биомембранах
1) Связанная вода:
а) внутренняя связанная вода,
б) вода гидратных оболочек,
в) слабосвязанная вода.
2) Свободная вода.
Жидко - кристаллические
структуры
Фазовые переходы в липидных
мембранах
МОДЕЛЬНЫЕ ЛИПИДНЫЕ МЕМБРАНЫ
Образование плоской бислойной липидной
мембраны
Схема строения однослойной
липосомы
Подвижность молекулярных
компонентов в мембранах
• Вращательная подвижность. Время
поворота липида вокруг своей оси на 1 рад
 10-9 с.
• Латеральная диффузия - перемещение
молекул липидов вдоль слоя.
• Коэффициент латеральной диффузии
D  10-7- 10-8см2/с.
• Сегментальная подвижность.
Передвижение иона в липидном
слое мембран
Трансбислойное движение –
флип-флоп переход
Время движения в БМ:
• электрического органа угря – 3-7 мин,
• эритроцитов – 20-30 мин,
• модельных визикулярных мембранх –
10 - 20 ч и более.
Константы латеральной диффузии
мембранных белков
Микровязкость углеводородной области
липидного бислоя в искусственных и
природных мембранах, маслах и жидкостях
Силы, действующие на мембрану
Р –сжимающие
f - растягивающие
h – толщина мембраны
Сравнение свойств искусственных
липидных и биологических мембран
Свойство
Биомембраны
Биологической
липидной
мембраны
ЭлектронноТрехслойная
микроскопический снимок структура
поперечного среза
Толщина, нм
6,0-10,0
Трехслойная
структура
Сопротивление, Ом*см2
Электрическая емкость,
мкФ/см2
Показатель преломления
102-105
0,5-1,3
106-109
0,2-1,0
1,6
1,56-1,66
Проницаемость для воды,
мкм/с
0,5-400
31,7
2,5-8,0
Разрушение биомембран
• Слияние клеток.
• Лизис.
• Гемолиз.
Липидные мембраны – метастабильные
системы.
Значительные отклонения параметров
БМ от равновесных, приводят к
возникновению и накоплению дефектов
в структуре
Поры в БМ
Размеры липидных пор в модельных
и клеточных мембранах
Радиус поры r,нм
Объект
Соотношение
радиусов пор
Стрессовое
состояние
3,0-4,0
Эритроцит
rжк с >rэп>=r
Электрический
пробой
2,0
То же
rжк с >r
Осмотический
гемолиз
1,2
L-клетки
rжк с >rэп>=r
Электрический
пробой
0,2-2,0
Липосомы
rжк с >r
Осмотический
лизис
0,6-0,8
То же
rжк с >rгель>=r
Фазовый переход
0,5-2,0
То же
rжк с >rгель>=r
Фазовый переход
1,2-1,8
БЛМ
rжк с >rгель>r>rэп гель
Фазовый переход
• Живые системы - открытые системы на
всех уровнях организации
• Необходимое условие существования
клетки – транспорт веществ через БМ,
который обеспечивает:
• -метаболизм клетки
• -биоэнергетические процессы создания
потенциалов и генерации нервного
импульса
• Нарушение транспортной функции БМ –
развитие патологии
Виды транспорта через БМ
Пассивный транспорт перенос вещества без
затраты энергии
Активный транспорт перенос вещества с
затратами энергии
Пассивный транспорт - это транспорт
самопроизвольный, без затраты энергии.
Активный - требует затраты энергии.
Пассивный транспорт через БМ
осмос
фильтрация
Простая диффузия
Облегченная диффузия
С подвижным
переносчиком
через
липидный
слой
через
белковые поры
через
липидные
поры
С фиксированным
переносчиком
Простая диффузия:
а – через липидный слой
б – через липидные поры
в – через белковые поры
Пассивный транспорт
Перенос вещества по градиенту
электрохимического потенциала,
то есть из мест с большим
значением электрохимического
потенциала к местам с меньшим
значением электрохимического
потенциала
Проницаемость мембран
• Хорошая для:
• неполярных веществ
(хорошо растворимых в
липидной фазе):
- органических кислот,
- эфиров и др.
• Плохая для:
• полярных веществ,
органических
мономеров:
- солей,
- оснований,
- спиртов,
- сахаров,
- аминокислот.
а) транс-конфигурация,
б) транс-гош конфигурация.
Образование кинков
.
Пассивный транспорт через
липидные поры
Липидные
поры – гидрофильные
поры в липидном
бислое
Белковые
поры
ЛИПИДНЫЕ ПОРЫ
• Размеры канала
изменяются в
зависимости от внешних
условий и имеют
динамических характер
• Размеры варьируются в
широких пределах, поры
могут «затекать»
• Нет выраженной
избирательности каналов
- универсальны
БЕЛКОВЫЕ ПОРЫ
• Размер сохраняется на
протяжении всей жизни
поры
• Фиксированный набор
радиусов
• Избирательность
переноса
Пассивный транспорт:
облегченная диффузия
С ПОДВИЖНЫМ
ПЕРЕНОСЧИКОМ
С ФИКСИРОВАННЫМ
ПЕРЕНОСЧИКОМ
Отличия от простой диффузии:
1.Значительно быстрее.
2.Имеет свойство насыщения (все
молекулы переносчики – заняты).
3.Высокая специфичность.
4.Вещества – блокаторы облегченной
диффузии (ингибиторы).
Пассивный транспорт: осмос
Диффузия воды из мест с большей ее
концентрацией в места с меньшей
концентрацией
  p1  p2
Осмотическое давление
Вода
р1
р2
Простая диффузия (вверху),
облегченная диффузия через канал в мембране (в
середине)
электрофорез ионов - внизу.
Насыщаемый и ненасыщаемый
транспорт ионов
При обычной диффузии потоки
невелики, но прямо
пропорциональны
концентрации иона в среде, из
которой происходит перенос
(нижняя прямая).
При переносе через канал или с
помощью подвижного
переносчика потоки гораздо
больше, но при увеличении
концентрации ионов наступает
насыщение.
• Перенос вещества против градиента ЭХП,
то есть из мест с меньшим значением ЭХП
к местам с большим значением ЭХП
• Сопровождается увеличением энергии
Гиббса
• Не может идти самопроизвольно, а только
в сопряжении с процессом гидролиза АТФ,
те за счет энергии, запасенной в
макроэргических связях
Перенос вещества против градиента
электрохимического потенциала, то есть из мест с
меньшим значением электрохимического
потенциала к местам с большим значением
электрохимического потенциала
k(х1)
мембрана
<
l
k (х2)
jm
• Создание градиента концентрации вещества.
• Создание градиента электрического
потенциала.
• Создание градиента давления.
АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ УДЕРЖИВАЕТ
ОРГАНИЗМ В НЕРАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ
Ионные насосы
- Na+ насосы: локализованы в
плазматических мембранах нервных
клеток
- Сa2+ насосы: локализованы в мембранах
саркоплазматического ретикулума
- Н+ насосы (помпа): локализованы в
энергосберегающих мембранах
1. образование комплекса фермента с АТФ на
внутренней поверхности мембраны
2. связывание комплексом 3-х ионов натрия
3. фосфорилирование фермента с образованием АДФ
4. переворот (флип-флоп) 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
Электронейтральный
Электрогенный
Функционирование транспортной системы сопровождается
обменом
внутриклеточных
ионов на
внеклеточные в
отношении «заряд на
заряд»
количество зарядов,
переносимых за единицу
времени в одном
направлении НЕ
компенсируется суммарным
зарядом, переносимым в
противоположном
направлении
Создаются дополнительные
разности потенциалов
Процессы переноса ионов через
мембраны, обусловленные наличием
механизмов, облегчающих обмен
ионами между внеклеточной средой и
внутриклеточной средой
• Может образовывать комплекс с ионом и
работать по принципу
«малая карусель» или «большая карусель».
• Может формировать пору в мембране,
заполненную водой – ионный канал.
• Внешняя часть молекулы – гидрофобна,
внутренняя – гидрофильна.
• На одном из концов молекулы – «якорь» –
заряженные и сильно полярные группы,
которые удерживают молекулу на одной
стороне мембраны и позволют ей
пронизывать гидрофобную часть мембраны
• Грамицидин А-цепь из 15 гидрофобных
аминокислоыт спираль полый цилиндр пора.
Низкая селективность из-за высокой эластичности
спиральной структуры.
• Аламецитин – пептидный антибиотик – 20
аминокислот в линейной цепи водная пора
переменного диаметра.
• Полиеновые антибиотики, крауны.
Схема строения Na-канала
Распределение концентрации
ионов внутри и снаружи
кардиомиоцита позвоночных
Скачать