Транспорт речовин через біологічні мембрани

 

Класифікація. Розрізняють: прямий і опосередкований транспорт. Прямий - без участі переносщиків, опосередкований - за їх участю. Наприклад, транспорт глюкози за участю переносщика.

Опосередкований транспорт здійснюється з витратою енергії (активний транспорт) або без витрати енергії (полегшена дифузія). Прямий транспорт завжди йде по типу пасивного транспорту.

З сказаного ясно, що другий варіант класифікації - це виділення двох основних видів транспорту речовин - пасивного і активного.

Третій варіант класифікації - транспорт із зміною архітектури мембрани (екзоцитоз, ендоцитоз) або без зміни структури мембрани (всі інші види транспорту).

Четвертий варіант класифікації - це транспорт, спряжений із переносом двох речовин (котранспорт), що може протікати по типі симпорта (дві речовини йдуть в одному напрямку - наприклад Nа + глюкоза) або по типу ангипорта (одна речовина йде в клітину, друга -з клітини або навпаки - Nа і K). Антипод котранспорту - звичайний транспорт, або уніпорт, тобто коли переноситься одна речовина, наприклад, молекули глюкози.

Пасивний транспорт. Розрізняють два його види - просту дифузію і полегшену дифузію. Проста дифузія йде відповідно до закону Фіка - за хімічним або електрохімічним градієнтом. Наприклад, в клітині натрію 14 ммоль, а в середовищі - 140 ммоль, в цьому випадку пасивний потік повинний бути спрямований в клітину. В живих системах цей вид транспорту використовуеться обмежено. Кисень, вуглекислий газ, вода - вони можуть у такий спосіб здійснювати перехід із клітини в середовище або навпаки. Важливо, що для пасивної простої дифузії речовина повинна бути жиророзчинна. Гiдрофiльнi речовини пройти у фосфолiпiдному шарі мембрани не можуть. В цілому, витрати енергії на цей процес не стається, тому що дифузія йде за градієнтом. Полегшена дифузія проходить по двох варiантах- за участю переносщиків або при наявності спецiалiзованих каналів. Виявлено, що в мембранах є спеціальні бiлки-переносщики, які специфiчно зв`язуються із транспортованою молекулою, сприяють її переносу за градіентом концентрації. Таким чином, витрат енергії не відбувається, а шлях через мембрану полегшується за рахунок наявності специфічного переносщика. Специфічність проявляється,наприклад, в тому, що D-iзомери цукрiв транспортуються таким чином, а L-iзомери нi, або L-амiнокислоти транспортуються, а D-амiнокислоти нi. Іонні канали - це iнтегральнi бiлки мембрани, яки виконують функцію транспорту для вiдповiдного iона. Селективнiсть каналу забезпечується за рахунок геометрiї (дiаметр селективного фiльтра), за рахунок внутрiшньоканального розташування заряджених частинок (наприклад, для катiон-пропускаючих каналiв - анiоннi частинки).Кожен iонний канал мiстить устя, селективний фiльтр, ворота i механiзм управління воротами. Частина каналів керується за рахунок різниці потенціалів на мембрані (потенцiал- залежнi іонні канали) - для цього поруч із каналом є електричний сенсор, що в залежності від величимни мембранного потенціалу або відчиняє ворота каналів, або тримає їх закритими. Другий варіант іонних каналів - ворота каналів керуються за рахунок рецептора, розташованого на поверхні мембрани: при взаємодії медiатора (лiганда) з цим рецептором може відбуватися відкриття іонних каналів. В деяких рецептокеруючих каналах між рецептором і ворiтним механізмом є проміжна стадія (посередник типу цАМФ, протеiнкiнизи i т.п.).

Селективнiсть iонних каналів багато в чому визначається геометрією каналу. Наприклад, кристалічний діаметр іона натрію - 0,19 нм, разом із гiдратною оболонкою його діаметр становить біля 0,3 нм. Устя каналу 0,3-0,5 нм. Для того, щоб пройти через канал (головне - через селективний фільтр), іон натрію або iнший іон повинен звільнитися від гiдратної оболонки і тільки в «голому» виглядi може пройти через канал. Занадто великий іон не може ввійти в канал, занадто маленький не спроможний віддати гiдратну оболонку в селективному фільтрі, тому не може вискочити з каналу.

Натрієві канали мають устя, селективний фільтр, ворiтний механізм. Ворота в них двох типів - активацiйнi (м-ворота) і iнактивацiйнi (h-ворота). В умовах спокою (МП=80 м, наприклад), активацiйнi ворота закриті, але готовi в будь-яку хвилину відчинитися, а iнактивацiйнi ворота відкриті. При зниженні МП (наприклад, до 60 м) активацiйнi ворота вiдчиняються і впускають іони натрію в клітину, але незабаром починають закриватися iнактивацiйнi ворота (відбувається iнактивацiя натрієвих каналів). Через якiсь час закриваються активацiйнi ворота, вiдчиняються iнактивацiйнi ворота, і канал готовий до нового циклу. Канал блокується тетродоксином, місцевими анестетиками (новокаїном, іншими речовинами). Це використовується в медичній практицi.

Калієві канали теж достатньо селективні - в основному пропускають іони калію. Вони блокуються тетраетиламонiєвим. Процеси iнактивацii в них виражені слабко.

Кальцієві канали - мають всі атрибути іонного каналу (устя, ворiтний механізм, фільтр). Блокуються іонами марганцю, нікелю, кадмiю (двовалентні іони), а також лікарськими речовинами - верапамiлом, нiфедипiном, дильтиаземом, що використовуються в клінічній практицi.

Активний транспорт: розрізняють первинно-активний транспорт, при якому енергія використовуеться на перенос даної речовини проти градіенту його концентрації, а також вторинно-активний транспорт, при якому енергія на перенос даної речовини (наприклад, молекули глюкози) використовується за рахунок механізму переносу іншої речовини (наприклад, натрію).

Первинно-активний транспорт широко представлений в організмі. Це калій -натрієва помпа, натрій-водневий обмінний механізм, натрій-кальцієвий обмінний механізм, кальцієва помпа і т.д. Суть його складається в тому, що в мембрані є переносщик, який володіє АТФ-азною активністю, тобто він спроможний розщеплювати АТФ і вивільнювати енергію, що і використовується на перенос речовини. Конкретно: калiй- натрiєва помпа «викачує» із клітини іони натрію, а «вкачує» іони калію (проти градієнту концентрації). Щоб здійснити перенос натрію з клітини в середовище, переносщик (калiй- натрiєва АТФ-аза) всередині клітини з'єднується з іонами натрію, в результаті активується АТФ-азна активність переносщика, відбувається гiдролiз АТФ, це викликає звільнення енергії, в результаті - переносщик переносить натрій у середовище. Тут він втрачає спорідненість до натрію, але набуває спорідненості до калію і приєднує його іони. В результаті - змінюється конформація переносщика, і він (якимось чином?) знову повертається до внутрішньої поверхні мембрани, вносячи в клітину іони калію. Тут знову він втрачає спорідненість до іонів калію, але набуває спорідненість до іонів натрію, і цикл повторюється. Помпа iнгiбується уабаiном (строфантин С). Конкретні механізми роботи помпи ще багато в чому не ясні.

Вторинно-активний транспорт. В основному представлений в ентероцитах, в епітелії нирок. Суть його полягає в слiдуючому (на прикладі транспорту молекули глюкози). Молекула глюкози повинна ввійти в клітину, де її концентрація набагато вища, ніж у середовищi. Для того, щоб це вiдбулося, необхідні витрати енергії. Але витрачається енергія, що раніше була витрачена на транспорт натрію. Справа в тому, що в цій клітині створюються за рахунок роботи калiй-натрiєвої помпи низькі концентрації натрію. При наявності високих концентрацій натрію в середовищi - натрій захоче ввiйти в клітину (за градієнтом). Отже, молекула глюкози приєднується до специфічного перенощика, до якого приеднується іон натрію. В результаті градієнту концентрації (для натрію) цей «комбайн» (переносщик + глюкоза + іон натрію) переноситься всередину клітини, де глюкоза і натрій вiдщеплюються від переносщика, а переносщик «іде» знову виконувати свою роботу. Натрій вiдкачується помпою, а глюкоза покидає клітину з iншоi сторони вже по градіенту концентрації (полегшена дифузія по типу «транспорт за участю переносщика»).

В цілому, представлені приклади демонструють наявність у живих системах котранспорту, коли одним механізмом транспортується одночасно дві молекули. У випадку калiй- натрiєвої помпи має місце антипорт (калій йде в одну сторону, натрій у протилежну), у випадку вторинно-активного транспорту має місце симпорт.

Ендоцитоз і екзоцитоз. Це варіанти транспорту, при яких змінюється архітектура мембран. Він здійснюється з витратою енергії. Ендоцитоз - це введення великомолекулярних частинок з середовища в клiтину. Один його варiант- фагоцитоз, другий- пiноцитоз. Пiноцитоз представляє собою спосiб утворення клiтиною білкової молекули без її попереднього гiдролiзу. Такий механiзм, наприклад, має місце в новонароджених, що із молоком матері одержують антитiла (iмуноглобулiни), через ентероцити, які потрапляють в організм дитини, будучи цілком незруйнованими і спроможними до виконання своїх функцій.

Екзоцитоз - це виділення великих молекул із клітини. Приклад тому - виділення квантів медiатора з везикули в синапсi.

42. Ядро - найбільша органела клітини, її найважливіший регулюючий центр. Клітина має одне ядро, але існують клітини двохядерні і багатоядерні. У деяких організмах можуть зустрічатися клітини, позбавлені ядер. Ядро забезпечує найважливіші метаболічні і генетичні функції клітини. За формою ядро може бути кулястим, овальним, лопатевим, лінзовидним і так далі. Розмір, форма і структура ядер змінюються залежно від функціонального стану клітин, швидко реагуючи на зміну зовнішніх умов. Форма ядра зазвичай округла або овальна. Діаметр ядра може коливатися від 5-10 мкм до 20 мкм.

Зовні ядро оточене подвійною мембраною (ядерною оболонковою або кариолеммой), в якій є ядерні пори; через ці пори здійснюється зв'язок ядра з цитоплазмою. Поступають в ядро з цитоплазми нуклеотиди, білки і виходять з ядра в цитоплазму молекули РНК, рибосомні субодиниці. Ядерні пори не просто пропускають різні речовини з ядра в цитоплазму і назад, але і регулюють цей рух.

Внутрішній зміст ядра - каріоплазма. У нім знаходяться такі структури, як хромосоми, ядерця а також нуклеотиди, білки, солі, іони та ін.

Ядерце - структура, складена з розташованих рядом ділянок декількох різних хромосом. Ці ділянки є великими петлями ДНК, що містить гени рибосомальной РНК (рРНК).

Функції ядра:

-регулює і контролює усі обмінні процеси, що протікають в клітині;

-містить хромосоми, є хранителем генетичної інформації;

- бере участь в реалізації генетичної інформації (тобто в синтезі білків), саме в ядрі проходить транскрипція - перший етап синтезу поліпептиду;

- його ділення лежить в основі ділення клітин.

Хромосоми - структурні елементи ядра клітини эукариот, ДНК, що містить, в якій знаходиться спадкова інформація організму.

Структура клітинного ядра:

Хроматин

Величезна довжина молекул ДНК еукаріот визначила появу спеціальних механізмів зберігання, реплікації і реалізації генетичного матеріалу. Хроматином називають молекули хромосомної ДНК у комплексі зі специфічними білками, необхідними для здійснення цих процесів. Основну масу складають «білки зберігання», так звані гістони. З цих білків побудовані нуклеосоми - структури, на які намотані нитки молекул ДНК. Нуклеосоми розташовуються досить регулярно, так що утворюється структура нагадує намисто. Нуклеосома складається з білків чотирьох типів: H2A, H2B, H3 і H4. В одну нуклеосому входять по два білки кожного типу - всього вісім білків. Гистон H1, більш великий ніж інші гістони, зв'язується з ДНК у місці її входу на нуклеосому. Нуклеосома разом з H1 називається хроматосомой Нитка ДНК з Нуклеосома утворює нерегулярну соленоїд-подібну структуру завтовшки близько 30 нанометрів, так звану 30 нм фибриллу. Подальша упаковка цій фібрили може мати різну щільність. Якщо хроматин упакований щільно, його називають конденсованим або гетерохроматином, він добре бачимо під мікроскопом. ДНК, що знаходиться в гетерохроматин, не транскрибується, зазвичай це стан характерний для незначущих або молчащих ділянок. В інтерфазі гетерохроматин звичайно розташовується по периферії ядра (пристінковий гетерохроматин). Повна конденсація хромосом відбувається перед поділом клітини. Якщо хроматин упакований нещільно, його називають ЕУ-або інтерхроматіном. Цей вид хроматину набагато менш щільний при спостереженні під мікроскопом і зазвичай характеризується наявністю транскрипционной активності. Щільність упаковки хроматину в чому визначається модифікаціями гистонов - ацетилюванням і фосфорилюванням.

Вважається, що в ядрі існують так звані функціональні домени хроматину (ДНК одного домену містить приблизно 30 тисяч пар основ), тобто кожна ділянка хромосоми має власну «територію». На жаль, питання просторового розподілу хроматину в ядрі вивчений поки недостатньо. Відомо, що теломерна (кінцеві) та центромерного (відповідають за зв'язування сестринських хроматид у мітозі) ділянки хромосом закріплені на білках ядерної ламіни.

Ядерна оболонка, ядерна Ламіна і ядерні пори (каріолемми) Від цитоплазми ядро ​​відділене ядерною оболонкою, утвореної за рахунок розширення і злиття один з одним цистерн ендоплазматичної мережі таким чином, що у ядра утворилися подвійні стінки за рахунок оточуючих його вузьких компартментов. Порожнину ядерної оболонки називається люмен або перінуклеарним простором. Внутрішня поверхня ядерної оболонки стелить ядерної ламін, жорсткої білковою структурою, утвореної білками-ламін, до якої прикріплені нитки хромосомної ДНК. Ламіни прикріплюються до внутрішньої мембрані ядерної оболонки за допомогою заякореного в ній трансмембранних білків - рецепторів ламін. У деяких місцях внутрішня і зовнішня мембрани ядерної оболонки зливаються і утворюють так звані ядерні пори, через які відбувається матеріальний обмін між ядром і цитоплазмою. Пора не є діркою в ядрі, а має складну структуру, організовану кількома десятками спеціалізованих білків - нуклеопорінов. Під електронним мікроскопом вона видна як вісім пов'язаних між собою білкових гранул з зовнішньої і стільки ж з внутрішньої сторони ядерної оболонки.

Ядерце. Ядерце знаходиться усередині ядра, і не має власної мембранної оболонки, однак добре помітно під світловим і електронним мікроскопом. Основною функцією ядерця є синтез рибосом. У геномі клітини є спеціальні ділянки, так звані ядерцеві організатори, які містять гени рибосомної РНК (рРНК), навколо яких і формуються ядерця. У полісом відбувається синтез рРНК РНК полімеразою I, її дозрівання, зборка рибосомних субчастиц. У полісом локалізуються білки, що беруть участь в цих процесах. Деякі з цих білків мають спеціальну послідовність - сигнал ядерцевих локалізації (NoLS, від англ. Nucleolus Localization Signal). Слід зазначити, найвища концентрація білка в клітині спостерігається саме в полісом. У цих структурах було локалізовано близько 600 видів різних білків, причому вважається, що лише невелика їх частина дійсно необхідна для здійснення ядерцевих функцій, а інші потрапляють туди неспецифічно.

Під електронним мікроскопом в полісом виділяють кілька субкомпартментов. Так звані Фібрилярні центри оточені ділянками щільного фібрилярного компонента, де і відбувається синтез рРНК. Зовні від щільного фібрилярного компонента розташований гранулярний компонент, що представляє собою скупчення дозріваючих рибосомних субчастиц

ядерний матрикс. Ядерним матриксом деякі дослідники називають нерозчинний внутрішньоядерної каркас. Вважається, що матрикс побудований переважно з негістонових білків, що формують складну розгалужену мережу, що сполучається з ядерної ламін. Можливо, ядерний матрикс бере участь у формуванні функціональних доменів хроматину. У геномі клітини є спеціальні незначущі А-Т-багаті ділянки прикріплення до ядерного матриксу (англ. S / MAR - Matrix / Scaffold Attachment Regions), службовці, як передбачається, для заякоріванню петель хроматину на білках ядерного матриксу. Втім, не всі дослідники визнають існування ядерного матриксу.

 

43. Ген— структурна і функціональна одиниця спадковості живих організмів. Геном є послідовність ДНК, задаючу послідовність певного поліпептиду або функціональної РНК. Гени визначають спадкові ознаки організмів, що передаються від батьків потомству при розмноженні. При цьому деякі органели (мітохондрії, пластиди) мають власну, визначаючу їх ознаки, ДНК, що не входить в геном організму.

Транскриптон —оперон, транскриптон. Ділянка бактерійної хромосоми, що містить декілька структурних генів, транскрибіруємих з утворенням однієї поліцистронною молекулою мРНК. транскриптон — кодуюча і операторна частини гена.

Цистрон —позначає ділянку ДНК, відповідальну за синтез певного білка. В прокаріот гени, що виконують схожі метаболічні функції, часто розташовуються у функціональні одиниці, звані оперонами і їх експресія регулюється спільно.