Permeabilitatea membranei. Membrana celulara. B. Fosforilarea controlată
· 04.01.2012
Multe articole despre apă menționează valori negative ORP ale fluidelor interne ale corpului și energia membranelor celulare (energia vitală a corpului).
Să încercăm să ne dăm seama despre ce vorbim și să înțelegem sensul acestor afirmații din punct de vedere al științei populare.
Multe concepte și descrieri vor fi date în formă prescurtată, iar informații mai complete pot fi obținute de pe Wikipedia sau din linkurile oferite la sfârșitul articolului.
(Sau citolema, sau plasmalema, sau membrana plasmatica) separă conținutul oricărei celule de mediul extern, asigurând integritatea acesteia; reglează schimburile dintre celulă și mediul extern.
Membrana celulară este atât de selectivă încât, fără permisiunea ei, nici măcar o singură substanță din mediul extern nu poate pătrunde accidental în celulă. Nu există o singură moleculă inutilă, inutilă în celulă. Ieșirile din celulă sunt, de asemenea, controlate cu atenție. Funcționarea membranei celulare este esențială și nu permite nici cea mai mică eroare. Introducerea unei substanțe chimice dăunătoare într-o celulă, furnizarea sau eliberarea de substanțe în exces sau eșecul excreției deșeurilor duce la moartea celulei.
Atacă radicalii liberi
Bariera - asigura un metabolism reglat, selectiv, pasiv si activ cu mediul. Permeabilitatea selectivă înseamnă că permeabilitatea unei membrane la diferiți atomi sau molecule depinde de dimensiunea, sarcina electrică și proprietățile chimice ale acestora. Permeabilitatea selectivă asigură că celulele și compartimentele celulare sunt separate de mediu și aprovizionate cu substanțele necesare.
Permeabilitatea selectivă a membranei în timpul transportului pasiv se datorează unor canale speciale - proteine integrale. Ele pătrund prin membrană, formând un fel de trecere.
Pentru elemente K, N / AȘi Cl au propriile lor canale. În raport cu gradientul de concentrație, moleculele acestor elemente se deplasează în interior și în afara celulei. Când sunt iritate, canalele ionice de sodiu se deschid și are loc un aflux brusc de ioni de sodiu în celulă. În acest caz, apare un dezechilibru al potențialului membranei. După care se reface potențialul de membrană. Canalele de potasiu sunt întotdeauna deschise, permițând ionilor de potasiu să intre încet în celulă.
Transport - transportul substanțelor în și din celulă are loc prin membrană. Transportul prin membrane asigură: livrarea nutrienților, îndepărtarea produselor finite metabolice, secreția diferitelor substanțe, crearea gradienților de ioni, menținerea optimă a pHși concentrația de ioni care sunt necesari pentru funcționarea enzimelor celulare.
Există patru mecanisme principale de intrare a substanțelor în celulă sau îndepărtarea lor din celulă în exterior: difuzia, osmoza, transportul activ și exo- sau endocitoza. Primele două procese sunt de natură pasivă, adică nu necesită energie; ultimele două sunt procese active asociate cu consumul de energie.
În transportul pasiv, substanțele traversează stratul dublu lipidic fără a consuma energie de-a lungul unui gradient de concentrație prin difuzie.
Transportul activ necesită energie, deoarece are loc împotriva unui gradient de concentrație. Există proteine speciale de pompă pe membrană, inclusiv faza AT, care pompează activ ionii de potasiu în celulă ( K+) și pompează ionii de sodiu din ea ( Na+).
Implementarea generarii si conducerii biopotentialelor. Cu ajutorul unei membrane se menține o concentrație constantă de ioni în celulă: concentrația ionică K+în interiorul celulei este mult mai mare decât în exterior, iar concentrația Na+ semnificativ mai scăzut, ceea ce este foarte important, deoarece aceasta asigură menținerea diferenței de potențial pe membrană și generarea unui impuls nervos.
Marcarea celulelor- există antigene pe membrană care acționează ca markeri - „etichete” care permit identificarea celulei. Acestea sunt glicoproteine (adică proteine cu lanțuri laterale de oligozaharide ramificate atașate la acestea) care joacă rolul de „antene”. Datorită multitudinii de configurații ale lanțurilor laterale, este posibil să se facă un marker specific pentru fiecare tip de celulă. Cu ajutorul markerilor, celulele pot recunoaște alte celule și pot acționa împreună cu acestea, de exemplu, în formarea organelor și țesuturilor. Acest lucru permite, de asemenea, sistemului imunitar să recunoască antigenele străine.
Potenţial de acţiune
Potenţial de acţiune- o undă de excitație care se deplasează de-a lungul membranei unei celule vii în timpul transmiterii unui semnal nervos.
În esență, este o descărcare electrică - o schimbare rapidă pe termen scurt a potențialului într-o zonă mică a membranei unei celule excitabile (neuron, fibre musculare sau celulă glandulare), în urma căreia suprafața exterioară a acestei celule. zona devine încărcată negativ în raport cu zonele învecinate ale membranei, în timp ce suprafața sa interioară devine încărcată pozitiv în raport cu zonele învecinate ale membranei.
Potenţial de acţiune este baza fizică a unui impuls nervos sau muscular care joacă un rol de semnalizare (reglare).
Potențialele de acțiune pot varia în parametrii lor în funcție de tipul de celulă și chiar de diferite părți ale membranei aceleiași celule. Cel mai tipic exemplu de diferențe este potențialul de acțiune al mușchiului inimii și potențialul de acțiune al majorității neuronilor.
Cu toate acestea, la baza oricărui potenţial de acţiune sunt urmatoarele fenomene:
- Membrana unei celule vii este polarizată- suprafața sa interioară este încărcată negativ în raport cu suprafața exterioară datorită faptului că în soluția de lângă suprafața sa exterioară există un număr mai mare de particule încărcate pozitiv (cationi), iar în apropierea suprafeței interioare există un număr mai mare de particule negative. particule încărcate (anioni).
- Membrana are permeabilitate selectivă- permeabilitatea acestuia la diferite particule (atomi sau molecule) depinde de dimensiunea, sarcina electrică și proprietățile chimice ale acestora.
- Membrana unei celule excitabile este capabilă să-și schimbe rapid permeabilitatea pentru un anumit tip de cationi, determinând o tranziție a sarcinii pozitive din exterior spre interior.
Polarizarea membranei unei celule vii se datorează diferenței de compoziție ionică pe părțile sale interioare și exterioare.
Când celula este într-o stare liniștită (neexcitată), ionii de pe părțile opuse ale membranei creează o diferență de potențial relativ stabilă, numită potențial de repaus. Dacă introduceți un electrod într-o celulă vie și măsurați potențialul membranei de repaus, acesta va avea o valoare negativă (aproximativ -70..-90 mV). Acest lucru se explică prin faptul că sarcina totală pe partea interioară a membranei este semnificativ mai mică decât pe partea exterioară, deși ambele părți conțin cationi și anioni.
În exterior există un ordin de mărime mai mulți ioni de sodiu, calciu și clor, în interior sunt ioni de potasiu și molecule de proteine încărcate negativ, aminoacizi, acizi organici, fosfați, sulfați.
Trebuie să înțelegem că vorbim în mod specific despre încărcarea suprafeței membranei - în general, mediul atât în interiorul, cât și în exteriorul celulei este încărcat neutru.
Proprietățile active ale membranei, care asigură apariția unui potențial de acțiune, se bazează în principal pe comportamentul sodiului dependent de tensiune ( Na+) și potasiu ( K+) canale. Faza inițială a AP este formată din curentul de sodiu de intrare, canalele de potasiu ulterior se deschid și cele de ieșire. K+- curentul readuce potentialul membranei la nivelul initial. Concentrația inițială de ioni este apoi restabilită de pompa de sodiu-potasiu.
Pe măsură ce PD progresează, canalele se deplasează de la o stare la alta: y Na+ există trei canale principale de stat - închis, deschis și inactivat (în realitate problema este mai complicată, dar acestea trei sunt suficiente pentru a descrie); K+ Există două canale - închis și deschis.
concluzii
1. ORP al fluidului intracelular are într-adevăr o sarcină negativă
2. Energia membranelor celulare este legată de viteza de transmitere a semnalului nervos, iar ideea de „reîncărcare” a fluidului intracelular cu apă cu un ORP și mai negativ mi se pare îndoielnică. Cu toate acestea, dacă presupunem că pe drumul către celulă apa își va pierde semnificativ potențialul redox, atunci această afirmație are o semnificație foarte practică.
3. Funcționarea defectuoasă a membranei din cauza unui mediu nefavorabil duce la moartea celulelor
3.3. Potențial de repaus al membranei
3.3.1. Caracteristici generale și cauza imediată de formare
Potențialul de repaus (1111) este diferența de potențial electric dintre părțile exterioare și interioare ale membranei celulare. A lui
valoarea în celulele nervoase este de 60-80 mV. La înregistrarea PP, fasciculul osciloscopului, în timp ce străpunge membrana celulară cu un microelectrod, deviază brusc și prezintă o sarcină negativă în interiorul celulei (Fig. 3.1).
PP joacă un rol extrem de important în viața neuronului în sine și a organismului în ansamblu.În special, formează baza pentru transfer ra roboți de informații în celula nervoasă, asigură reglarea activității organelor interne și a sistemului musculo-scheletic prin declanșarea proceselor de excitație și contracție în mușchi. Conform teoriei membrana-ion (Bernstein, Hodgkin, Huxley, Katz), cauza imediată a formării PP este concentrația inegală de anioni și cationi în interiorul și în afara celulei (Tabelul 3.1).
În neuroni, concentrația de ioni K + în interiorul celulei este de 20-40 de ori mai mare decât în afara celulei; concentrația ionilor de Na + în afara celulei este de 10-12 ori mai mare decât în celulă. Există de 10-20 de ori mai mulți ioni SG în afara celulei decât în interiorul celulei. Există o cantitate mică de ioni de Mg 2+ în celulă. Ionul de Ca 2+ din celulă este în principal într-o stare legată de ATP, citrat și glutamat. Rezervorul pentru ionii de Ca 2+ este reticulul endoplasmatic. În stare liberă, calciul se găsește mai ales în afara celulei; în hialoplasma sa
foarte putin. Acest lucru se datorează parțial transportului activ al ionilor de Ca 2+ prin membrana celulară, parțial absorbției acestuia de către reticulul endoplasmatic și alte organite, cum ar fi mitocondriile. Celula conține, de asemenea, anioni moleculari mari, în principal molecule de proteine încărcate negativ, cum ar fi glutamatul, aspartatul și fosfații organici. Diferiți ioni sunt distribuiți neuniform pe ambele părți ale membranei celulare, în primul rând, datorită permeabilității inegale a membranei celulare pentru diferiți ioni și, în al doilea rând, ca rezultat al funcționării pompelor ionice care transportă ioni în și din celulă împotriva concentrație și gradienți electrici. Nu există încă un consens cu privire la definiția „permeabilității” și „conductivității”.
3.3.2. Rolul permeabilității membranei celulare și sarcinile sale de suprafață
A. Terminologie.În prezent, diverși autori interpretează diferit termenii „permeabilitate” și „conductivitate”. Prin permeabilitatea unei membrane celulare înțelegem capacitatea acesteia de a trece apa și particulele - încărcate (ioni) și neîncărcate conform legilor difuziei și filtrării. Permeabilitatea membranei celulare este determinată de următorii factori: 1) prezența diferitelor canale ionice în membrană - controlate (cu un mecanism de poartă) și necontrolate (canale de scurgere); 2) dimensiunile canalelor și dimensiunile particulelor; 3) solubilitatea particulelor în membrană (membrana celulară este permeabilă la lipidele solubile în ea și impermeabilă la peptide).
Termenul de conductivitate ar trebui folosit numai în legătură cu particulele încărcate. Prin urmare, prin conductivitate înțelegem capacitatea particulelor încărcate (ioni) de a trece printr-o membrană celulară conform unui gradient electrochimic (o combinație de gradienți electrici și de concentrație).
După cum se știe, ionii, ca și particulele neîncărcate, trec prin membrană dintr-o zonă de concentrație mare într-o zonă de concentrație scăzută. Cu un gradient de concentrație mare și o bună permeabilitate a membranei care separă soluțiile corespunzătoare, conductivitatea ionilor poate fi ridicată și se observă un flux unidirecțional de ioni. Când concentrația de ioni de pe ambele părți ale membranei este egalată, conductivitatea ionilor va scădea, fluxul unidirecțional al ionilor se va opri, deși permeabilitatea va rămâne aceeași - ridicată. În plus, conductivitatea ionului, în timp ce permeabilitatea membranei rămâne neschimbată, depinde și de sarcina ionului: sarcinile asemănătoare se resping, cele spre deosebire de sarcini se atrag, adică. Un rol important în conductivitatea unui ion este jucat de sarcina electrică a acestuia. Este posibilă o situație când, cu o bună permeabilitate a membranei, conductivitatea ionilor prin membrană se dovedește a fi scăzută sau nulă - în absența unei forțe motrice (concentrație și/sau gradienți electrici).
Astfel, conductivitatea unui ion depinde de gradientul său electrochimic și de permeabilitatea membranei: cu cât sunt mai mari, cu atât conductivitatea ionului prin membrană este mai bună. Mișcarea ionilor în și în afara celulei în funcție de concentrație și gradienți electrici celulă în repaus realizată în principal prin incontrolabil(fără mecanism de poartă) canale (canale de scurgere). Canalele necontrolate sunt întotdeauna deschise; practic nu își schimbă debitul atunci când sunt aplicate electric pe membrana celulară și sunt excitate. Canalele neadministrate sunt împărțite în ion-selectiv canale (de exemplu, canale lente de potasiu negated) și ion-neselectiv canale. Acestea din urmă permit să treacă prin diverși ioni: K + , Na + , C1 _ .
B. Rolul permeabilității membranei celulare și al diferiților ioni în formarea 1111(Fig. 3.2.). Vasul este separat de o membrană semipermeabilă. Ambele jumătăți sunt umplute cu soluție K2 ASA DE4 diferite concentrații (O și C2) și Ci< С2. Мембрана проницаема для иона К + и непроницаема для S04 2 ". Ионы К + перемещаются согласно
Ionii de Na + și K + dintr-o celulă vie în repaus se deplasează și ei prin membrană conform legilor difuziei, K + părăsind celula în cantități semnificativ mai mari decât Na + intrând în celulă, deoarece permeabilitatea membranei celulare pentru K. + este de aproximativ 25 de ori mai permeabil la Na +.
Anioni organici datorită dimensiunilor lor mari, nu pot părăsi celula, prin urmare, în interiorul celulei în stare de repaus există mai mulți ioni negativi decât
pozitiv. Din acest motiv, interiorul celulei are o sarcină negativă. Interesant este că în toate punctele celulei sarcina negativă este aproape aceeași. Acest lucru este evidențiat de aceeași valoare PP atunci când microelectrodul este introdus la diferite adâncimi în interiorul celulei, așa cum a fost cazul în experimentele lui Hodgkin, Huxley și Katz. Sarcina din interiorul celulei este negativă atât în mod absolut (hialoplasma celulei conține mai mulți anioni decât cationi), cât și în raport cu suprafața exterioară a membranei celulare.
Potasiul este ionul principal responsabil de formare PP. Acest lucru este dovedit de rezultatele unui experiment de perfuzie a conținutului intern al axonului gigant de calmar cu soluții saline. Odată cu scăderea concentrației de ioni K + în perfuzie, PP scade, iar odată cu creșterea concentrației lor, PP crește. Când celula este în repaus, se stabilește un echilibru dinamic între numărul de ioni K+ care părăsesc celula și intră în celulă. Gradienții electrici și de concentrație se opun unul altuia: în funcție de gradientul de concentrație, K+ tinde să părăsească celula, sarcina negativă din interiorul celulei și sarcina pozitivă de pe suprafața exterioară a membranei celulare împiedică acest lucru. Când concentrația și gradienții electrici sunt echilibrate, numărul de ioni K+ care părăsesc celula este comparat cu numărul de ioni K+ care intră în celulă. În acest caz, așa-numitul potenţial de echilibru.
Potențialul de echilibru al ionului poate fi calculat folosind formula Nernst. Concentrația unui ion încărcat pozitiv situat în afara celulei este scrisă la numărător în formula Nernst, iar concentrația ionului situat în interiorul celulei se scrie la numitor. Pentru ionii încărcați negativ, aranjamentul este opus.
E_LG. 1p M,
~~ ZF [ ion\ "
Unde E-tp - potentialul creat de acest ion; R - constanta de gaz (8,31 Dm); T - temperatura absoluta (273+37°C); Z este valența ionului; F - constanta lui Faraday (9,65 x 10 4); [scop], - - concentrația ionilor în interiorul celulei din interior; [ ion] 0 - concentrația ionilor în mediul extern al celulei în exterior. Potențial ionic de echilibru Na+ în celulele nervoase Eieu - +55 mV, ion de potasiu Ek --70 mV.
ContribuţieN / A + si C1~ in crearea PP. Permeabilitatea membranei celulare în repaus la ionul Na + este foarte scăzută, mult mai mică decât Pentru ion K + , cu toate acestea este prezent, prin urmare ionii Na +, în funcție de concentrație și gradienții electrici, tind să V o cantitate mică trece în celulă. Acest lucru duce la o scădere a PP, deoarece pe suprafața exterioară a membranei celulare numărul total de ioni încărcați pozitiv scade, deși ușor, iar unii dintre ionii negativi din interiorul celulei sunt neutralizați de ionii Na + încărcați pozitiv care intră în celulă. Intrare de ioniN / A + în interiorul celulei se reduce PP. Efectul SG asupra valorii PP este opus și depinde de permeabilitatea membranei celulare pentru ionii SG. Cert este că ionul SG, în funcție de gradientul de concentrație, tinde și trece în celulă. Un gradient electric previne intrarea ionului SG în celulă, de deoarece sarcina din interiorul celulei este negativă, ca și sarcina SG. Pe există un echilibru între forțele gradientului de concentrație, care favorizează intrarea ionului SG în celulă, și gradientul electric, care împiedică intrarea ionului SG în celulă. Prin urmare, concentrația intracelulară a ionilor SG este semnificativ mai mică decât cea extracelulară. Când ionul SG intră în celulă, numărul de sarcini negative din exteriorul celulei scade ușor, iar în interiorul celulei crește: ionul SG se adaugă anionilor mari, proteici, aflați în interiorul celulei. Datorită dimensiunii lor mari, acești anioni nu pot trece prin canalele membranei celulare în exteriorul celulei - în interstițiu. Prin urmare, Ionul SG, pătrunzând în celulă, crește PP. Parțial, ca și în afara celulei, ionii Na + și C1~ din interiorul celulei se neutralizează reciproc. Ca rezultat, intrarea combinată a ionilor Na + și C1~ în celulă nu afectează semnificativ valoarea PP.
B. Un anumit rol în formarea PP îl joacă încărcăturile de suprafață ale membranei celulare în sine și ionii de Ca 2+ . Externe și interne suprafețele membranei celulare poartă propriile sarcini electrice, de cele mai multe ori cu semn negativ. Acestea sunt molecule polare ale membranei celulare: glicolipide, fosfolipide, glicoproteine. Sarcinile negative externe fixe, neutralizând sarcinile pozitive ale suprafeței exterioare a membranei, reduc PP. Sarcinile negative interne fixe ale membranei celulare, dimpotrivă, atunci când sunt adăugate la anioni din interiorul celulei, cresc PP.
Rolul ionilor de Ca 2+ în formarea PP este că acestea interacționează cu sarcinile fixe negative externe ale membranei celulare și le neutralizează, ceea ce duce la creșterea și stabilizarea PP.
Astfel, PP este suma algebrică nu numai a tuturor sarcinilor ionice din exteriorul și din interiorul celulei, ci și suma algebrică a sarcinilor negative de suprafață externe și interne ale membranei în sine.
La efectuarea măsurătorilor, potențialul mediului din jurul celulei este considerat egal cu zero.În raport cu potențialul zero al mediului extern, potențialul mediului intern al neuronului, după cum s-a menționat, este de ordinul -60-80 mV. Deteriorarea celulei duce la o creștere a permeabilității membranelor celulare, în urma căreia diferența de permeabilitate pentru ionii K + și Na + scade, iar PP scade. Modificări similare apar în timpul ischemiei tisulare. În celulele sever deteriorate, PP poate scădea la nivelul echilibrului Donann, când concentrația în interiorul și în afara celulei va fi determinată doar de permeabilitatea selectivă a membranei celulare în starea de repaus a celulei, ceea ce poate duce la perturbarea celulei. activitatea electrică a neuronilor. Totuși, în mod normal, ionii se mișcă în funcție de gradientul electrochimic, dar PP nu este perturbat.
| " |
INTRODUCERE
Transportul pe membrană este transportul de substanțe prin membrana celulară în interiorul sau în afara celulei, realizat folosind diverse mecanisme - difuzie simplă, difuzie facilitată și transport activ.
Cea mai importantă proprietate a unei membrane biologice este capacitatea sa de a trece diferite substanțe în și din celulă. Acest lucru este de mare importanță pentru autoreglare și menținerea unei compoziții celulare constante. Această funcție a membranei celulare este îndeplinită datorită permeabilității selective, adică. capacitatea de a permite trecerea unor substanțe și nu altora. Moleculele nepolare cu greutate moleculară mică (oxigen, azot, benzen) trec cel mai ușor prin stratul dublu lipidic. Moleculele polare mici, cum ar fi dioxidul de carbon, oxidul nitric, apa și ureea pătrund destul de repede prin stratul dublu lipidic. Etanolul și glicerolul, precum și steroizii și hormonii tiroidieni trec prin stratul dublu lipidic într-un ritm vizibil. Pentru moleculele polare mai mari (glucoză, aminoacizi), precum și pentru ioni, stratul dublu lipidic este practic impermeabil, deoarece interiorul său este hidrofob. Astfel, pentru apă coeficientul de permeabilitate (cm/s) este de aproximativ 10-2, pentru glicerol – 10-5, pentru glucoză – 10-7, iar pentru ionii monovalenți – mai mic de 10-10.
Transferul de molecule și ioni polari mari are loc datorită proteinelor canalului sau proteinelor purtătoare. Astfel, în membranele celulare există canale pentru ionii de sodiu, potasiu și clor, în membranele multor celule există canale de apă de aquaporină, precum și proteine purtătoare pentru glucoză, diverse grupe de aminoacizi și mulți ioni. Transport activ și pasiv.
Membranele formează structura celulei și își îndeplinesc funcțiile. Perturbarea funcțiilor membranelor celulare și intracelulare stă la baza leziunilor celulare ireversibile și, în consecință, dezvoltarea unor boli severe ale sistemului cardiovascular, nervos și endocrin.
1. Date de bază despre structura membranei celulare.
Membranele celulare includ membrana plasmatică, caryolema, membranele mitocondriilor, ER, aparatul Golgi, lizozomii și peroxizomii. O caracteristică comună a tuturor membranelor celulare este că acestea sunt straturi subțiri (6-10 nm) de natură lipoproteică (lipide în complex cu proteine). Principalele componente chimice ale membranelor celulare sunt lipidele (40%) și proteinele (60%); in plus, carbohidrati (5-10%) au fost gasiti in multe membrane.
Membrana plasmatică înconjoară fiecare celulă, determină dimensiunea acesteia și menține distincția dintre conținutul celulei și mediul ei extern. Membrana servește ca un filtru foarte selectiv și este responsabilă de transportul activ al substanțelor, adică de intrarea nutrienților în celulă și de îndepărtarea deșeurilor nocive. În cele din urmă, membrana este responsabilă de percepția semnalelor externe și permite celulei să răspundă la schimbările externe. Toate membranele biologice sunt ansambluri de molecule de lipide și proteine ținute împreună prin interacțiuni non-covalente.
Baza oricărei membrane moleculare este formată din molecule de lipide care formează un strat dublu. Lipidele includ un grup mare de substanțe organice care au o solubilitate slabă în apă (hidrofobicitate) și o solubilitate bună în solvenți organici și grăsimi (lipofilitate). Compoziția lipidelor din diferite membrane nu este aceeași. De exemplu, membrana plasmatică, spre deosebire de membranele reticulului endoplasmatic și mitocondriilor, este îmbogățită în colesterol. Reprezentanții tipici ai lipidelor găsite în membranele celulare sunt fosfolipidele (glicerofosfatide), sfingomielinele și lipidele steroizi - colesterolul.
O caracteristică a lipidelor este împărțirea moleculelor lor în două părți diferite din punct de vedere funcțional: hidrofobe nepolare, nepurtătoare de sarcină („cozi”), constând din acizi grași și „capete” polare hidrofile, încărcate. Acest lucru determină capacitatea lipidelor de a forma în mod spontan structuri de membrană cu două straturi (bilipide) cu o grosime de 5-7 nm.
Primele experimente care au confirmat acest lucru au fost efectuate în 1925.
Formarea unui strat dublu este o proprietate specială a moleculelor de lipide și are loc chiar și în afara celulei. Cele mai importante proprietăți ale unui strat dublu: capacitatea de auto-asamblare - fluiditate - asimetrie.
2. Idei generale despre permeabilitate.
Caracteristicile membranelor, pereților vaselor și celulelor epiteliale, reflectând capacitatea de a conduce substanțe chimice; distinge între activ (transport activ de substanţe) şi pasiv P. (fagocitoză
3. Transferul de molecule prin membrană.
Deoarece interiorul stratului lipidic este hidrofob, acesta reprezintă o barieră practic impenetrabilă pentru majoritatea moleculelor polare. Datorită prezenței acestei bariere, scurgerea conținutului celular este împiedicată, dar din această cauză, celula a fost forțată să creeze mecanisme speciale pentru a transporta substanțele solubile în apă prin membrană. Transferul moleculelor mici solubile în apă se realizează folosind proteine de transport speciale. Acestea sunt proteine transmembranare speciale, fiecare dintre acestea fiind responsabilă de transportul unor molecule specifice sau grupe de molecule înrudite.
Celulele au, de asemenea, mecanisme de transport de macromolecule (proteine) și chiar de particule mari prin membrană. Procesul de absorbție a macromoleculelor de către o celulă se numește endocitoză. În termeni generali, mecanismul apariției sale este următorul: zonele locale ale membranei plasmatice sunt invaginate și închise, formând o veziculă endocitară, apoi particula absorbită intră de obicei în lizozomi și suferă degradare.
3.1 Difuzia (în latină diffusio - răspândire, răspândire, dispersare) este procesul de transfer de materie sau energie dintr-o zonă de concentrație mare într-o zonă de concentrație scăzută (împotriva gradientului de concentrație). Cel mai faimos exemplu de difuzie este amestecarea gazelor sau a lichidelor (dacă cerneala este scăpată în apă, lichidul va deveni uniform colorat după ceva timp). Un alt exemplu implică un solid: dacă un capăt al unei tije este încălzit sau încărcat electric, căldura (sau, în mod corespunzător, curentul electric) se răspândește din partea fierbinte (încărcată) în partea rece (neîncărcată). În cazul unei tije metalice, difuzia termică se dezvoltă rapid, iar curentul curge aproape instantaneu. Dacă tija este făcută dintr-un material sintetic, difuzia termică este lentă și difuzia particulelor încărcate electric este foarte lentă. Difuzia moleculelor este în general și mai lentă. De exemplu, dacă o bucată de zahăr este pusă pe fundul unui pahar cu apă și apa nu este amestecată, va dura câteva săptămâni până când soluția devine omogenă. Difuzia unei substanțe solide în alta are loc și mai lent. De exemplu, dacă cuprul este acoperit cu aur, atunci va avea loc difuzia aurului în cupru, dar în condiții normale (temperatura camerei și presiunea atmosferică) stratul purtător de aur va atinge o grosime de câțiva micrometri numai după câteva mii de ani.
Toate tipurile de difuzie se supun acelorași legi. Viteza de difuzie este proporțională cu aria secțiunii transversale a probei, precum și cu diferența de concentrații, temperaturi sau încărcături (în cazul valorilor relativ mici ale acestor parametri). Astfel, căldura se va răspândi de patru ori mai repede printr-o tijă cu diametrul de doi centimetri decât printr-o tijă cu diametrul de un centimetru. Această căldură se va răspândi mai repede dacă diferența de temperatură pe un centimetru este de 10°C în loc de 5°C. Viteza de difuzie este, de asemenea, proporțională cu parametrul care caracterizează un anumit material. În cazul difuziei termice, acest parametru se numește conductivitate termică; în cazul fluxului de sarcini electrice, se numește conductivitate electrică. Cantitatea de substanță care difuzează într-un timp dat și distanța parcursă de substanța care difuzează sunt proporționale cu rădăcina pătrată a timpului de difuzie.
Difuzia este un proces la nivel molecular și este determinat de natura aleatorie a mișcării moleculelor individuale. Viteza de difuzie este deci proporțională cu viteza medie a moleculelor. În cazul gazelor, viteza medie a moleculelor mici este mai mare și anume este invers proporțională cu rădăcina pătrată a masei moleculei și crește odată cu creșterea temperaturii. Procesele de difuzie în solide la temperaturi ridicate găsesc adesea aplicații practice. De exemplu, anumite tipuri de tuburi catodice (CRT) folosesc toriu metal difuzat prin metal tungsten la 2000 °C.
3.2 Ecuația lui Fick
În majoritatea cazurilor practice, în locul potențialului chimic se folosește concentrația C. Înlocuirea directă a lui µ cu C devine incorectă în cazul concentrațiilor mari, deoarece potențialul chimic este legat de concentrație conform unei legi logaritmice. Dacă nu luăm în considerare astfel de cazuri, atunci formula de mai sus poate fi înlocuită cu următoarea.
Stratul bimolecular de fosfolipide formează baza oricărei membrane celulare. Continuitatea sa determină bariera și proprietățile mecanice ale celulei. În timpul vieții, continuitatea stratului dublu poate fi întreruptă cu formarea de defecte structurale, cum ar fi prin pori hidrofili. Este destul de firesc să ne așteptăm la asta. În acest caz, toate funcțiile membranei celulare se schimbă, inclusiv permeabilitatea și stabilitatea.
Fosfolipidele, care formează baza membranelor celulare, aparțin cristalelor lichide. Ca în orice cristal real, un film de fosfolipide poate conține defecte, la locul cărora se dezvoltă principalele evenimente de rearanjare structurală. Tipurile de defecte sunt diverse, dar cel mai natural defect pentru un strat dublu este un defect, cum ar fi un poru hidrofil traversant.
În filmul lipidic bimolecular al membranei celulare apar pori, dacă excludem daune pur mecanice, ca urmare a fluctuațiilor termice ale suprafeței dublu strat, defectarea electrică, înghețarea filmului, acțiunea agenților tensioactivi, presiunea osmotică, peroxidarea lipidelor etc. Unul dintre cele mai tipice și mai bine studiate exemple de destabilizare a membranelor biologice este hemoliza eritrocitelor. Acest fenomen implică inițial umflarea celulelor într-un mediu hipotonic ca urmare a acțiunii forțelor de presiune osmotică. În timpul umflării celulelor, membrana se întinde, ceea ce determină o creștere a tensiunii membranei. La un anumit prag de tensiune apar pori lipidici hidrofili. Dimensiunile porilor sunt suficiente pentru eliberarea de molecule de hemoglobină și substanțe cu greutate moleculară mică. Eliberarea substanțelor este la rândul său însoțită de o scădere a diferenței de presiune osmotică, în timp ce tensiunea membranei scade și porii sunt vindecați. Proteinele citoscheletice permit celulelor roșii din sânge să-și mențină forma și se formează așa-numita umbră a globulelor roșii. Umbra păstrează activitatea osmotică și astfel procesul de destabilizare devine ciclic. În acest caz, nu are loc distrugerea mecanică completă a celulei, similară cu un balon de săpun. În absența unui citoschelet sau a dezvoltării sale insuficiente, rezistența mecanică a celulei este în întregime determinată de soarta porilor lipidici. Dacă porul este mai mic decât dimensiunea critică, atunci se vindecă. În caz contrar, creșterea nelimitată a porilor duce la distrugerea membranei.
Modelul porilor critici. Să luăm în considerare un model al unui por lipidic (Fig. 15). Vom presupune că suprafața laterală a porului are forma unui cilindru circular. Mai mult, să presupunem că suprafața laterală a cilindrului este curbată și are o rază de curbură h/2. Raza porilor este r. După cum se poate observa, stratul dublu lipidic este în general plat, iar porul are două raze de curbură h/2 și r. Curbura suprafeței la interfața lipide-apă este însoțită de apariția unei presiuni suplimentare, numită presiune Laplace și egală cu
P = 2s 1 /r
unde s 1 este tensiunea interfacială din interiorul porului, r este raza de curbură.
Fig. 15. Structura unui por lipidic hidrofil: h - grosimea dublului strat lipidic; h/2 - raza de curbură a peretelui; r - raza porilor.
În modelul luat în considerare există două astfel de raze (h/2 și r) și, prin urmare, două presiuni. Unul dintre ele P (h/2) promovează expansiunea, iar celălalt P (r) promovează compresia porilor. Soarta ulterioară a porului depinde de raportul dintre aceste două presiuni. Dacă P (h/2) > P (r), porul se va extinde, iar dacă P (h/2) este mai mic decât P (r), atunci porul va curge.
Să luăm în considerare energia porilor. După cum s-a stabilit mai sus, două forțe opuse acționează la limita porilor, dintre care una, tensiunea liniară a marginii perimetrului porului, promovează creșterea porului, iar a doua forță, tensiunea superficială a stratului dublu, provoacă comprimarea porului. . Energia marginii porului este proporțională cu prima putere a razei și crește energia totală, energia tensiunii superficiale este proporțională cu pătratul razei și reduce energia totală. Ca urmare, energia totală E (r) este egală cu
E(r) = 2pr 2 s
unde primul termen este determinat de energia marginii porilor cu tensiunea liniară g, iar al doilea de energia tensiunii superficiale s.
Tinand cont de instabilitatea echilibrului, se poate sustine ca aparitia porilor cu r>r* (r*=g/s) se va inchide si stabilitatea membranei va ramane. Acesta este un criteriu pentru stabilitatea unei membrane cu două straturi lipidice.
Defectarea electrică a membranei. Membranele biologice sunt expuse unui câmp electric de mare intensitate creat de difuzia ionilor prin membrană și pompele ionice electrogenice. Diferența de potențial dintre citoplasmă și mediul extracelular ajunge la aproximativ 0,1 V, grosimea membranei nu depășește 10 nm, ceea ce înseamnă că intensitatea câmpului este de 10 7 V/m. Membrana este un izolator electric mai avansat decât mulți izolatori lichidi utilizați în tehnologie. Potențialul de membrană dintr-o celulă vie poate ajunge la 0,2 V (alge de apă dulce, bacterii, mitocondrii energizate). În celulele nervoase și musculare excitabile, repolarizarea pe termen scurt a membranei are loc cu creșterea amplitudinii potențiale. Cu toate acestea, defalcarea membranei celulare prin propriul potențial de membrană este puțin probabilă. În același timp, creșterea potențialului membranei ca urmare a expunerii la un câmp electric extern poate atinge o valoare care depășește pragul de defecțiune electrică. În acest caz, apar defecte structurale, cum ar fi prin porii lipidici. S-a numit metoda dezvoltată de defalcare electrică a membranelor celulare electroporațieși este utilizat pe scară largă în biotehnologie.
În fizică sub pană electricăînțelegeți o creștere bruscă a puterii curentului electric într-un mediu inițial slab conducător. Într-o celulă vie, un astfel de mediu este un strat lipidic bimolecular. Pentru un strat dublu lipidic în stare cristalină lichidă, potențialul membranei nu poate fi mai mic de 0,23 V. Stabilitatea membranelor dublu stratificate este determinată de probabilitatea apariției porilor cu o rază critică. Evident, orice factor care reduce înălțimea barierei energetice va crește această probabilitate. Astfel de factori includ o scădere a energiei marginii porului, o creștere a tensiunii superficiale și o creștere a potențialului membranei. Defalcarea electrică este însoțită de apariția unei game largi de pori lipidici de diferite raze, inclusiv razele canalelor de proteine ion-selective. În prezent, metoda de expunere la un câmp electric extern este una dintre principalele biotehnologiei moderne. Se știe că este utilizat pentru creșterea porozității membranei (electroporație), introducerea ADN-ului (electrotransfecție), eliberarea celulelor din molecule mari (electropermeabilizare) și fuziunea celulară (electrofuziune).
Tranziția de fază termică a lipidelor membranare. Înghețarea stratului dublu lipidic ca urmare a unei tranziții de fază de la starea cristalină lichidă la gel este însoțită de apariția porilor lipidici. Este evident că, ca și în cazul defecțiunii electrice, soarta membranei va fi determinată de raportul dintre razele porilor formați și porii critici pentru o stare dată a stratului dublu.
Raza critică a unui por în starea de gel este semnificativ mai mică în comparație cu starea cristalină lichidă și nu depășește 2 nm în valoare absolută. Păstrarea stabilității pe termen lung a stratului dublu lipidic în starea de gel indică faptul că porii existenți și porii care apar în timpul tranziției de fază au dimensiuni mai mici de 2 nm. Înghețarea lipidelor membranei în timpul unei tranziții de fază este echivalentă cu defalcarea electrică a membranei de către un câmp electric extern de 0,5 V. Orice impact de natură mecanică, fizică sau chimică care afectează tensiunea superficială a stratului dublu lipidic este un factor de risc în stabilizarea membranelor care conțin pori. Dezvoltarea acestei abordări face posibilă obținerea unui răspuns cantitativ la întrebarea importantă din punct de vedere biologic despre probabilitatea distrugerii sau vindecării membranelor în condiții de stres tipice ale unei celule vii.
Raza critică a porilor din membranele care se află în stare lichidă cristalină în absența influențelor externe ajunge la 9 nm. Această valoare este atât de semnificativă încât probabilitatea de rupere mecanică a membranelor celulare în condiții fiziologice este foarte mică. Ruperea unei membrane în această stare este posibilă numai atunci când porul capătă dimensiuni proporționale cu grosimea membranei. Experiența arată că distrugerea completă a stratului dublu lipidic este posibilă numai cu manipulări mecanice brute sau defalcare electrică ireversibilă a lipidelor (gl), stare de gel (gel), defalcare electrică (ep), atunci când se combină starea de gel cu defalcarea electrică (gel + ep). ) .
Dimensiunile critice ale porilor pentru un strat dublu lipidic în starea cristalină lichidă (9 nm) depășesc semnificativ dimensiunile porilor reali. Membranele în diferite condiții de stres au o marjă semnificativă de siguranță, efectul defecțiunii electrice și înghețarea stratului dublu este aditiv. Prin urmare, un astfel de rezultat poate fi de așteptat cu alte combinații de influențe fizice și chimice. În acest fel, efectul stresului, indiferent de natura sa fizico-chimică, poate fi evaluat cantitativ și rezultatul acestuia poate fi prezis în cadrul modelului luat în considerare. Model al formării porilor în timpul tranziției de fază. O estimare independentă a mărimii porilor poate fi obținută prin examinarea V.F. propusă. Antonov și colegii au modelat formarea porilor. În timpul tranziției de fază de la starea cristalină lichidă la gel, conform analizei de difracție cu raze X, are loc o modificare a grosimii stratului dublu și a zonei per moleculă de lipide. Ținând cont de cooperativitatea tranziției de fază, se poate presupune că moleculele din domeniile care au trecut în faza de gel și cele care rămân în stare lichid cristalină se vor afla în condiții diferite. Față de starea de echilibru, moleculele din domeniul fazei de gel vor fi întinse, iar în starea lichid cristalină vor fi comprimate. Va apărea stres elastic, ceea ce va duce la distrugerea structurii dublu strat.
Porii lipidici și permeabilitatea membranei. Din punct de vedere al permeabilității, porii lipidici sunt fundamental diferiți de canalele proteice datorită originii și dinamicii lor excepționale. În timp ce canalele proteice au dimensiuni strict definite care rămân pe toată durata de viață a celulei, dimensiunile porilor lilidal în timpul procesului de scurgere variază foarte mult. Cu toate acestea, această variabilitate; are o limită. Dacă raza porilor este mai mică decât cea critică, atunci porul în procesul de curgere trebuie să treacă prin toate razele intermediare și să atingă o dimensiune minimă. Întrebarea posibilității unei scurgeri complete a porilor lipidici rămâne deschisă. Se presupune că strângerea completă a porilor este împiedicată de forțe puternice de hidratare care se manifestă atunci când pereții porilor hidrofili se apropie unul de celălalt. Porii naturali, spre deosebire de canalele ionice proteice, nu au o selectivitate pronunțată, care se corelează cu dimensiunile lor inițiale relativ mari. Este clar, totuși, că în timpul procesului de scurgere, porii lipidici pot atinge dimensiuni arbitrar mici, inclusiv cele comparabile cu dimensiunea canalelor ionice proteice, ceea ce poate duce la o redistribuire a curenților de ioni în membrană, de exemplu, în timpul excitației. . De asemenea, se știe că, după dezactivarea efectului de stres, membrana lipidică cu două straturi poate reveni la o stare cu conductivitate scăzută, ceea ce înseamnă că porii ating o dimensiune insuficientă pentru trecerea ionilor hidratați. Astfel, porii lipidici hidrofili sunt universali prin faptul că pot fi utilizați de celule pentru a transporta substanțe cu molecul mare, ioni și molecule de apă.
Cercetările privind permeabilitatea porilor lipidici se dezvoltă în prezent în două direcții: în prima se studiază cei mai mari pori, în a doua, dimpotrivă, se studiază porii lipidici cu raza minimă. În primul caz, vorbim despre electro-transfecție - o metodă de introducere a moleculelor de ADN în celule vii sau lipozomi în scopul transferului și introducerii intracelulare a materialului genetic străin. S-a dovedit că un câmp electric extern de mare intensitate promovează pătrunderea unei molecule gigantice de ADN în particulele de membrană. Dimensiunea maximă a porului critic corespunde stării lichide cristaline a stratului dublu lipidic în absența unui câmp electric extern și este egală cu 9 nm. Aplicarea unui câmp electric extern de 100 kV/m reduce raza critică a porilor la 1 nm în 0,2 s. Deoarece membranele sunt păstrate, dimensiunea porilor lipidici din ele nu depășește această limită inferioară. Paradoxul este că diametrul efectiv al unei bobine statistice de ADN, care ar trebui să cadă în interiorul particulei, ajunge la 2000 nm. Prin urmare, molecula de ADN trebuie să pătrundă în membrană sub forma unei singure catene nerăsucite. Se știe că capătul firului are un diametru de 2 nm și astfel poate intra doar în por. Cu toate acestea, difuzarea liberă a unei catene de ADN într-un por este cu greu posibilă. Din păcate, mecanismul acestui fenomen nu este complet clar. Se presupune, în special, că molecula de ADN este capabilă să extindă porul și astfel să alunece prin membrană. Pătrunderea ADN-ului poate fi facilitată de forțele suplimentare de electroforeză și electroosmoză, ținând cont de sarcina negativă totală a moleculei de ADN. Este posibil ca porii cu capetele moleculei de ADN fixate în ei să joace rolul de ancoră care ține molecula într-un anumit loc lângă suprafața membranei veziculelor, iar procesul de transfer în sine este un tip de pinocitoză. Studiul acestui fenomen interesant din punct de vedere al permeabilității continuă,
A doua direcție de cercetare a permeabilității membranei cu participarea porilor lipidici este asociată cu transferul transmembranar al moleculelor și ionilor de apă. Fenomenul de permeabilitate ridicată la apă a membranelor celulare, cunoscut în biologie, este complet reprodus pe straturi lipidice artificiale, ceea ce implică participarea porilor lipidici hidrofili la acest proces.
Concluzia principală este că stabilitatea bistratului lipidic și a membranei celulare lipsite de schelă proteică este determinată de porii lipidici. Acești pori se formează în locurile de defecte ale structurii cristalelor lichide a stratului dublu lipidic. Porii lipidici apar ca urmare a fluctuațiilor termice ale suprafeței dublu strat și pot apărea, de asemenea, în timpul stresului membranar care însoțește tranziția de fază a lipidelor membranei, în timpul defecțiunii electrice și al lizei osmotice. Soarta membranei în aceste cazuri va depinde probabil de dacă porul lipidic depășește sau nu o anumită dimensiune critică. În primul caz, membrana se va rupe, în al doilea caz se va păstra structura acesteia. Menținând stabilitatea membranelor, porii se vindecă, trecând în același timp prin toate valorile razelor intermediare. Razele minime ale porilor lipidici pot deveni comparabile cu dimensiunile canalelor proteice selective care reglează în mod normal permeabilitatea ionică a membranelor celulare. În ultimele etape de absorbție, porii lipidici se pot transforma în pori de apă, accesibili doar moleculelor și ionilor de apă.
Transport pe membrană
Transportul substantelor in si in afara celulei, precum si intre citoplasma si diverse organite subcelulare (mitocondrii, nucleu etc.) este asigurat de membrane. Dacă membranele ar fi o barieră solidă, atunci spațiul intracelular ar fi inaccesibil nutrienților, iar produsele reziduale nu ar putea fi îndepărtate din celulă. În același timp, cu permeabilitate completă, acumularea anumitor substanțe în celulă ar fi imposibilă. Proprietățile de transport ale membranei sunt caracterizate de semi-permeabilitate: unii compuși pot pătrunde prin ea, în timp ce alții nu pot:
Permeabilitatea membranei pentru diferite substanțe
Una dintre funcțiile principale ale membranelor este reglarea transferului de substanțe. Există două moduri de transport a substanțelor pe o membrană: transportul pasiv și cel activ:
Transport pasiv. Dacă o substanță trece printr-o membrană dintr-o zonă de concentrație mare la o concentrație scăzută (adică de-a lungul gradientului de concentrație al acestei substanțe) fără ca celula să consume energie, atunci un astfel de transport se numește pasiv sau difuzie. Există două tipuri de difuzie: simplă și facilitată.
Difuzia simplă este caracteristică moleculelor neutre mici (H2O, CO2, O2), precum și substanțelor organice hidrofobe cu greutate moleculară mică. Aceste molecule pot trece fără nicio interacțiune cu proteinele membranei prin porii sau canalele membranei atâta timp cât se menține gradientul de concentrație.
Difuzare facilitată. Caracteristică moleculelor hidrofile care sunt transportate prin membrană și de-a lungul unui gradient de concentrație, dar cu ajutorul unor proteine membranare speciale - purtători. Difuzia facilitată, spre deosebire de difuzia simplă, se caracterizează printr-o selectivitate ridicată, deoarece proteina transportor are un centru de legare complementar substanței transportate, iar transferul este însoțit de modificări conformaționale ale proteinei. Unul dintre posibilele mecanisme de difuzie facilitată poate fi următorul: o proteină de transport (translocaza) leagă o substanță, apoi se apropie de partea opusă a membranei, eliberează această substanță, își ia conformația inițială și este din nou gata să îndeplinească funcția de transport. . Se știe puțin despre cum se mișcă proteina în sine. Un alt mecanism posibil de transport implică participarea mai multor proteine transportoare. În acest caz, compusul legat inițial în sine se deplasează de la o proteină la alta, legându-se secvenţial cu una sau cealaltă proteină până când ajunge pe partea opusă a membranei.
