Блок информации. Пассивный и активный транспорт веществ в клетках.

Пассивный и активный транспорт веществ в клетках.

Биологические потенциалы. Их классификация

и причины возникновения.

Обеспечение различных процессов жизнедеятельности животного организма происходит за счет переноса молекул и ионов в пространстве. Во многих случаях этот перенос сопровождается различными биоэлектрическими процессами, а в ряде случаев (довольно часто) и благодаря этим процессам. Поэтому понимать сущность таких процессов на молекулярном уровне – это значит понимать сущность механизмов функционирования животного организма. Следует отметить, что во многом подобные, такие процессы происходят и в растительных объектах. Тем самым природа еще раз подчеркивает сущность всего живого на Земле, их диалектическую взаимосвязанность (единство и борьба противоположностей).

Особенностью живого, сложного организма является его клеточное строение, которое обеспечивает стабильность физико-химического состава внутренней среды и тем самым самостоятельное функционирование организма в природе. Известно, что клетка – базовый копратмент живого, который обеспечивает стабильность организма.

Рис. 2.2.1.

При отсутствии такой стабильности организм легко погибает, что в эволюционном плане весьма нежелательно. Известно, что гомеостаз во многом обязан особым свойствам биологических (клеточных и тканевых) мембран. С некоторыми физическими особенностями таких процессов, протекающих на микроуровне при прохождении электрического тока (поляризационные эффекты) через биологические мембраны, Вы познакомились при изучении электропроводности биоструктур. Сегодняшняя наша задача биофизическая- рассмотрение процессов на микроуровне, т.е. что происходит при протекании электрического тока в биологических объектах и как он сам может возникнуть в этих объектах, условия его возникновения и возникновения потенциала и напряженности электрического поля (ЭП)-Е.

Напомним, что довольно часто перенос как заряженных, так и не заря­женных частиц, подчиняющийся классическим физическим законам, так называемый пассивный транспорт, осуществляется за счет диффузии, ос­моса, фильтрации, аномального осмоса. Для пассивного транспорта харак­терно наличие некоторых градиентов (потенциала, концентрации, давле­ния), энергия которых и обеспечивает направленный ток заряженных или незаряженных частиц. Однако, существует и активный транспорт, который осуществляется за счет энергии метаболических процессов клеток (напри­мер, энергия гидролиза аденозинтрифосфорной кислоты- АТФ) и он проис­ходит против указанных градиентов. Интимные механизмы активного транспорта еще полностью не раскрыты, но многое уже известно.

Пассивный транспорт подчиняется уравнению диффузии, которое с учетом градиента концентрации Ñ С для k-го вида молекул (или ионов) и градиента Ñ j потенциала электрического поля (Ñ j численно равно напряженности ЭП-Е) имеет общий вид:

(2.2.1)

где вектор тока частиц

(2.2.2)

Отметим. что

(2.2.3)

Здесь U_k –подвижность, Z_k- заряд k-го иона, e- диэлектрическая проницаемость биосреды, D_k-коэффициент диффузии k-го типа ионов.

Как известно из молекулярной физики уравнение (2.2.1) утверждает, что изменение концентрации частиц k-го вида в замкнутом объеме V может быть обусловлено тем, что слева в объем V входит больше частиц, чем справа их выходит (см. рис.2.2.2).

Рис.2.2.2. Прохождение линий тока j через некоторый замкнутый

объём V (j₁- входящий вектор тока, j₂- выходящий).

Прохождение линий тока J через некоторый замкнутый объем V может протекать так, что ½ j₁½ > ½ j₂½ и ½ j₁½ -½ j₂½ > 0 (J₁-входящий вектор тока, J₂-выходящий). Тогда частицы накапливаются внутри V, но если j₁=j₂, то , а изменение С_к во времени не происходит . Уравнение (2.2.2) имеет простой физический смысл- вектор тока возникает только при наличии градиента концентрации частиц (С_к), зависит от их свойств (коэффициент диффузии D) и, если частицы заряжены (заряд Z_k) и, обладают подвижностью (U_k) в электрическом поле ЭП Е=- , то под действием последнего они могут двигаться по градиенту потенциала. Поэтому второе слагаемое в уравнении (2.2.2) учитывает действие ЭП на заряженные частицы. Совокупность концентрационного и электрического градиентов называется электрохимическим градиентом, он обеспечивает многие процессы переноса в живой природе. Частный случай уравнения (2.2.1)- уравнение Фика для скорости диффузии вещества массой m в виде:

. (2.2.4)

Если частицы вступают в химические реакции, то в правой части уравнения (2.2.1) появляется функция источника f(C), т.е.

(2.2.5)

Отметим, что оператор для любой скалярной величины (у нас это С) имеет вид:

где -единичные векторы- орты Уравнение (2.2.5) описывает наиболее общий процесс переноса веществ под действием. совокупности концентрационного и электрического градиентов, т.е. электрохимического градиента. Это обеспечивает многие процессы жизнедеятельности как отдельной клетки, так и целостного организма. В последнем случае мы можем иметь дело с тканевыми мембранами.

В экспериментах по изучению диффузии было обнаружено, что скорость проникновения в клетку аминокислот, глицерина, глюкозы не зависит линейно от , а получается намного больше. Чем это объяснить? Оказывается, что простое проникновение этих веществ через мембрану весьма затруднено, т.к. D мало, однако в мембране имеются молекулы переносчики, которые связываются с молекулами диффундирующего вещества В_к и образуют комплекс В_кZ, который обладает другим коэффициентом диффузии D_BZ. Внутри клетки B_k распадается B_kZ®B_k+Z и процесс повторяется до устранения (рис.2.2.3.а). Число молекул Z ограничено, поэтому D_BZ зависит от С_к и нелинейно. Такого типа процессы называются облегченной диффузией.

В некоторых случаях существует несколько видов Z_i (Z₁, Z₂, Z₃), встроенных в поры мембраны и происходит образование комплексов B_kZ_i по цепочке (см. рис.2.2.3.б) Отметим, что возможна конкуренция за связь между частицами разного вида В_к с переносчиком Z. Так например, поступление глюкозы в мышечные волокна уменьшаются при внесении в среду маннозы, ксилозы, арабиозы. Диффузия веществ через биологические мембраны (БМ) может избирательно усиливаться под действием ряда веществ. Например, антибиотик валиномицин, образуя комплекс с ионами К⁺ резко повышает проницаемость БМ. Диффузия может и наоборот- угнетаться. Например, белок тетродоксин блокирует диффузию Na⁺, токсины ботулизма резко влияют на механизм активного транспорта нейронов. Кроме диффузии в живых клетках большое значение имеет осмос- движение молекул воды через полупроницаемую мембрану из области меньшей концентрации некоторого вещества С_к в область большей концентрации. При этом создается осмотическое давление, которое по уравнению Вант-Гоффа зависит от концентрации в-ва С, температуры Т и изотонического коэффициента i, показывающего во сколько раз увеличивается количество растворенных частиц при диссоциации молекул (для неэлектролитов i=1). Фактически осмос- это диффузия молекул растворителя и для него выполняются все выше указанные законы. В частности, модификация уравнения Фика дает нам скорость осмотического переноса воды через мембрану

где Р=nkT (2.2.6)

Рис.2.2.3.Схема облегченной диффузии через мембрану клетки:

а- с одним переносчиком, б- с несколькими переносчиками, встроенными в мембрану.

Проникновение воды в клетку может происходить до момента уравновешивания осмотического давления гидростатическим. Однако возможен и разрыв клетки (гемолиз эритроцитов).

Перенос воды может осуществляться и путем фильтрации, благодаря наличию гидростатического давления. При этом скорость фильтрации находим из уравнения Пуазейля

(2.2.7)

Здесь r-радиус поры, через которую происходит фильтрация, h- коэффициент вязкости жидкости, l-длина поры, P₁-P₂ –перепад давлений на ее концах. Этому уравнению подчиняется процесс образования первичной мочи в почечных нефронах животных при фильтрации плазмы крови под действием кровяного давления которое, как известно, создается работой сердца. Особое значение для организма животного имеет осмотическое давление, создаваемое перепадом концентрации белков крови, так называемое онкотическое давление. Оно обеспечивает движение воды из лимфы в кровь. Различные отклонения в проницаемости клеточных и тканевых мембран, осмотического давления, кровяного давления приводят к серьезной патологии животного организма и может закончиться его гибелью.

Особое значение для жизнедеятельности животного организма имеет активный транспорт- перенос молекул и ионов против электрохимического градиента, осуществляемый клеткой за счет энергии метаболических процессов. При этом совершается определенная работа, которая может быть найдена из уравнения

A= nRTЧln , (2.2.8)

где n-число молей в-ва, перенесенного через мембрану из области с концентрацией С₂ в область с концентрацией С₁. Так как в большинстве случаев мембрана заряжена до разности потенциалов j₁-j₂, то для переноса заряженных частиц через мембрану совершается некоторая дополнительная работа, а суммарная работа будет равна:

A=nRTln ± FnZ(, (2.2.9)

где F-число Фарадея (F=96500 кл).

Исследованиями биофизиков доказано наличие специальных переносчиков, которые находятся вблизи мембраны или встроены в нее. Причем, выделяют переносчики заряженных частиц (ионов) и различных нейтральных молекул (сахара, аминокислоты). Многочисленные исследования по методу фиксации потенциала на мембране (Уссинг, Наточин), с изотопами ²⁴Na, ³⁹Ka, АТФ (Ходжкин, Хаксли, Катц, Шоу) показали, что именно некоторые белковые комплексы (молекулы) захватывают ионы (например, Na⁺ и переносят их против градиента концентрации (например, Na⁺ наружу, а К⁺ внутрь клетки. Причем, этот перенос весьма специфичен (избирателен) и приводит к возникновению биопотенциалов (БП).

Как возникают БП с учетом вышеуказанного? Прежде всего отметим, что для их возникновения необходима асимметрия распределения ионов, которая обеспечивается за счет диффузии, особых свойств мембран или фазового различия. Рассмотрим сосуд с пористой перегородкой (рис.2.2.4). Пусть справа концентрация электролита H⁺Cl - больше, чем слева, тогда скорость диффузии H⁺ и Cl зависит от их подвижности (315 см²Ом^-1 и 65, 5 см²Ом^-1 г-экв соответственно). Значит в левой половине через некоторое время будет больше ионов Н⁺ и этот объем заряжается І+І.

Диффузионная разность потенциалов находится из уравнения Гендерсона

Е= , (2.2.10)

где U- подвижность катиона H⁺, V- подвижность аниона Cl , a₁ - активность ионов в области, откуда идет диффузия, а₂- активность ионов в области, куда идет диффузия. Причем активность ионов от их концентрации в простейшем случае зависит линейно а=fc, где f- коэффициент активности. При различных повреждениях клеток всегда возникает диффузионный потенциал, который суммируется с потенциалом покоя (ПП) клетки. Потенциал повреждения (демаркации) можно наблюдать в яблоке при его разрезании пополам.

Частный случай диффузионного потенциала- мембранный потенциал. Если взять мембрану с большой концентрацией фиксированных отрицательных зарядов- катионобменная мембрана, то подвижность анионов Cl^- в мембране равна нулю и в правую часть сосуда диффундируют только Н⁺ до момента когда установится равновесие между силами диффузии и силами электрического поля. На мембране возникает двойной электрический слой (рис.2.2.4). Тогда, при V=0 имеем Е= , и при переходе к десятичным логарифмам при 20⁰С имеем Е=58 мВ, т.е. при изменении отношения активностей ионов в 10 раз потенциал изменяется на 58 мВ.

Если мы будем иметь 2 несмешивающиеся фазы, например, капля масла и воды с электролитом, а катионы с анионами по разному растворяются в масле, то что произойдет? Если анионы І-І лучше растворяются, то капля заряжается (как?). Отметим, что величина потенциала j определяется из уравнения Гендерсона, (2.2.10).

Рис.2.2.6 Распределение потенциала на мембране аксона кальмара

по Ходжкину-Хаксли.

В реальных биологических объектах мы имеем дело со всеми видами потенциалов, причем существенной особенностью БП является механизм, обеспечивающий разную активность ионов а₁ и а₂ во внутренней среде клетки и снаружи. Этот стабильный концентрационный градиент обеспечивается специфическими переносчиками на мембранах и требует затрат энергии, получаемой при расщеплении АТФ до АДФ. В нервных волокнах специфический механизм переноса обеспечивает повышенную концентрацию Na⁺ снаружи и К⁺ внутри. Диффузия К⁺ обеспечивает І+І на мембране, а анионы Cl^- остающиеся внутри І-І.(см. рис.2.2.5)

Проникновение Na⁺ внутрь клеток по концентрационному градиенту приводит к некоторому уменьшению мембранного потенциала. Наконец, диффузия внутрь дает некоторое увеличение потенциала. Окончательно имеем:

Эта величина мембранного потенциала Е неплохо согласуется с опытом, например, для гигантских аксонов кальмаров и для некоторых других клеток. Однако картина резко усложняется при снижении мембранного потенциала до некоторого порогового значения Е_п. В этом случае возможно возникновение потенциала действия (ПД), который сопровождается первоначально резким падением проницаемости для Na⁺, а затем и для К⁺.

В заключение надо отметить, что потенциалы покоя ПП- необходимый элемент жизнедеятельности любого растительного объекта. ПП являются необходимым элементом фотосинтеза и обеспечения градиентов концентраций в растительных объектах. Знание теоретических основ возникновения ПП необходимо любому экологу, ботанику, морфологу. В настоящей работе предлагается произвести измерения ПП ряда растительных объектов.

Методические указания по 3-му этапу:

“Получение зачета по лабораторной работе”

После выполнения 1 и 2 этапов обучаемый должен заполнить протокол и подписать его у преподавателя, а затем оформить отчет в тетради, обратив особое внимание на количественное и качественное объяснение наблюдаемых изменений БП (целесообразно использовать ЭВМ для первичной статистической обработки) и отчитаться у преподавателя за всю работу. В этом случае обучаемый получает зачет.

Лабораторная работа № 2.3.