Строение и функции ионных каналов и переносчиков. Механизм электрогенеза

 

 

Государственный Медицинский Университет города Семей

 

СРС

На тему: «Строение и функции ионных каналов и переносчиков. Механизм электрогенеза.».

 

Выполнил: студент 1 курса 

131 группы Алибеков Архат

 Проверила:

 

 

План:

 

• Введение
• Строение и функции клеточных мембран.
• Каналы и переносчики: разнообразие функций
• Роль ( Na + K )-насоса в поддержании допустимого осмотического давления в клетке
• Электрические характеристики мембран
• Заключение
• Литература

 

 

Введение 

 

• Согласно современным представлениям, биологические мембраны образуют наружную оболочку всех животных клеток и формируют многочисленные внутриклеточные органеллы. Наиболее характерным структурным признаком является то, что мембраны всегда образуют замкнутые пространства, и такая микроструктурная организация мембран позволяет им выполнять важнейшие функции.

 

 

 

 

• Мембрана представлена бислоем фосфолипидных молекул, ориентированных таким образом, что гидрофобные концы молекул находятся внутри бислоя, а гидрофильные направлены в водную фазу . Такая структура идеально подходит для образования раздела двух фаз: вне- и внутриклеточной.

 

 

 

Строение и функции клеточных мембран

 

 

Строение и функции клеточных мембран 

 

• В фосфолипидном бислое интегрированы глобулярные белки, полярные участки которых образуют гидрофильную поверхность в водной фазе. Эти интегрированные белки выполняют различные функции, в том числе рецепторную, ферментативную, образуют ионные каналы, являются мембранными насосами и переносчиками ионов и молекул.
• Некоторые белковые молекулы свободно диффундируют в плоскости липидного слоя; в обычном состоянии части белковых молекул, выходящие по разные стороны клеточной мембраны, не изменяют своего положения.

 

 

Функции клеточных мембран

 

• 1.Барьерная функция выражается в том, что мембрана при помощи соответствующих механизмов участвует в создании концентрационных градиентов, препятствуя свободной диффузии. При этом мембрана принимает участие в механизмах электрогенеза. К ним относятся механизмы создания потенциала покоя, генерация потенциала действия, механизмы распространения биоэлектрических импульсов по однородной и неоднородной возбудимым структурам. 
• 2.Регуляторная функция клеточной мембраны заключается в тонкой регуляции внутриклеточного содержимого и внутриклеточных реакций за счет рецепции внеклеточных биологически активных веществ, что приводит к изменению активности ферментных систем мембраны и запуску механизмов вторичных «месенджеров» («посредников»). 
• 3.Преобразование внешних стимулов неэлектрической природы в электрические сигналы (в рецепторах).
• 4.Высвобождение  нейромедиаторов  в  синаптических  окончаниях

 

 

 
Каналы и переносчики: разнообразие функций 

 

• Переносчики. Перенос иона через мембрану осуществляется также с помощью транспорта ионофоров (переносчиков). Ионофоры могут образовывать комплексы с ионом либо формировать поры в мембране, заполненные водой (каналы). Закономерности этих процессов изучены на бислойных липидных мембранах. Энергия комплекса ион-переносчик значительно ниже энергии дегидратированного иона. Комплекс ионофора с ионом образуется на одной стороне мембраны, а затем перемещается на другую, где происходит освобождение иона и возвращение ионофора. Типичным подвижным переносчиком является валиномицин, который транспортирует К+. Катион калия входит во внутреннюю полость валиномицина, причем образовавшаяся структура стабилизируется за счет взаимодействия иона с 6 — 8 полярными группами СО, которые заменяют гидратную оболочку иона.

 

 

Каналы и переносчики: разнообразие функций 

 

• Ион Na+, обладающий меньшим радиусом, не в состоянии эффективно взаимодействовать с кислородами карбонильных групп. Молекула, валиномицина переносит через БЛМ ~ 104 ионов/с. Другой переносчик — нигерицин — образует с ионами комплексы, в которых молекула находится в свернутой конформации. Нигерицин может переносить и ионы Н+, являясь слабой кислотой. Он индуцирует в БЛМ и биологических мембранах обмен Н+ на К+. Молекула ионофора может образовывать комплекс, имеющий водную пору. Внешняя часть молекул в поре гидрофобна, а внутрь канала обращены хорошо поляризуемые группы.

 

 

Каналы и переносчики: разнообразие функций

 

• Каналы. Биологическая мембрана содержит ионные каналы, представляющие собой липопротеиновые комплексы сложной структуры. В узких каналах (натриевый 3,1x5,1 А, калиевый 4,5x4,5 А) возможно однорядное движение ионов, которые могут взаимодействовать друг с другом и с молекулярными группами канала. При поступлении иона в канал происходит замещение молекул воды гидратной оболочки иона на полярные группы полости канала. Увеличение свободной энергии иона при дегитрации с избытком компенсируется энергией его взаимодействия с полярными группами канала. В результате общая энергия иона снижается, что и облегчает его прохождение через канал. Наличие полярных групп, а также фиксированных анионных центров в канале приводит за счет их кулоновских взаимодействий с ионом к снижению энергетического барьера перехода иона из раствора в канал. Лучше всего проходят через канал ионы, которые прочно связываются электростатическими силами с анионным центром.

 

 

Каналы и переносчики: разнообразие функций

 

• Например, с небольшим отрицательным анионным центром более прочно после потери гидратной оболочки будет связываться меньший по размеру катион Na+ по сравнению с катионом К+. В то же время радиус гидратированного иона Na+ больше, чем К+, и без потери гидратной оболочки ион Na+ хуже проходит через относительно широкие поры в мембране. Наличие в канале фиксированных анионных центров, притягивающих катионы, облегчает их прохождение через канал, снижая энергию иона. На рис. 15.1 и 15.2 приведены энергетические профили Na+ — и К+— каналов. Скорость проведения Na+ -

 

 

Каналы и переносчики: разнообразие функций

 

• канала достигает 10 ионов/с. Через Na — канал могут проходить и различные органические катионы размером не больше 3x5 А. В качестве анионного центра могут выступать атомы кислорода группы СОО. Калиевые каналы имеют широкое устье (> 8 А) со стороны цитоплазмы, которое может блокироваться тетраэтиламмонием.

 

Na+" —канал

Рис. 15.1. Энергетический профиль натриевого канала возбудимых мембран

К +- канал

Рис. 15.2. Энергетический профиль калиевого канала возбудимых мембран

 

 

 

Роль Nа + К- насоса

 

• Концентрация K внутри клетки в 10-20 раз выше, чем снаружи. Для Na картина противоположная. Такую разницу конценраций обеспечивает работа (Na + K)-насоса, который активно перекачивает Na из клетки, а K в клетку. Известно, что на работу (Na +K)-насоса тратится почти треть всей энергии необходимой для жизнедеятельности клетки. Вышеуказанная разность концентраций поддерживается со следующими целями:
• 1) Регулировка объема клеток за счет осмотических эффектов.
• 2) Вторичный транспорт веществ.

 

 

 

Роль Nа + К- насоса

 

а- состояние до транслокации   ионов

б-  состояние после транслокации ионов

 

 

Электрические характеристики мембран

 

• Особая морфология клеточных мембран определяет их электрические характеристики, среди которых наиболее важными являются емкость и проводимость. Емкостные свойства в основном определяются фосфолипидным бислоем, который непроницаем для гидратированных ионов и в то же время достаточно тонок (около 5 нм), чтобы обеспечивать эффективное разделение и накопление зарядов и электростатическое взаимодействие катионов и анионов. Кроме того, емкостные свойства клеточных мембран являются одной из причин, определяющих временные характеристики электрических процессов, протекающих на клеточных мембранах.

 

 

 

Электрические характеристики мембран

 

Проводимость (g) — величина, обратная электрическому сопротивлению и равная отношению величины общего трансмембранного тока для данного иона к величине, обусловившей его трансмембранной разности потенциалов.

    Через фосфолипидный бислой могут диффундировать различные вещества, причем степень проницаемости (Р), т. е. способность клеточной мембраны пропускать эти вещества, зависит от разности концентраций диффундирующего вещества по обе стороны мембраны, его растворимости в липидах и свойств клеточной мембраны.

 

 

Электрические характеристики мембран

 

    Скорость диффузии для заряженных ионов в условиях постоянного поля в мембране определяется подвижностью ионов, толщиной мембраны, распределением ионов в мембране. Для неэлектролитов проницаемость мембраны не влияет на ее проводимость, поскольку неэлектролиты не несут зарядов, т. е. не могут переносить электрический ток.

 

    Проводимость мембраны является мерой ее ионной проницаемости. Увеличение проводимости свидетельствует об увеличении количества ионов, проходящих через мембрану.

 

 

 

 

Заключение

 

• Транспорт большинства растворимых молекул через биологические мембраны опосредуется переносчиками или канальными белками. Каналы облегчают транспорт ионов через мембрану, и перенос через них осуществляется очень быстро. Такие высокие скорости транспорта ионов связаны с тем, что канальные белки не претерпевают конформационных изменений при переносе иона с одной стороны мембраны на другую. Столь быстрый транспорт ионов обусловливает такую высокую мембранную проводимость, что удается измерить ионный ток через отдельный канал. В отличие от этого переносчики, которые участвуют в транспортном цикле, претерпевают конформационные изменения. Как правило, опосредованный переносчиками транспорт веществ через мембрану происходит на несколько порядков медленнее, чем транспорт по каналам.

 

 

Литература

 

• Физиология человека- В.М.Покровский, Г.Ф.Коротько 
• www.4medic.ru
• www.booksmed.ru

 

 

Спасибо за внимание