close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

код для вставкиСкачать
XХ Международная научно-практическая конференция
«СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ»
Секция 5: Системы и приборы
медицинского назначения
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПРОЦЕССОВ
В КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАНАХ
Гордин М.И., Добро Л.Ф.
Научный руководитель: Добро Л.Ф. д.п.н., доцент
Кубанский государственный университет, Россия, 350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149
Email: [email protected]
Мембраны играют ключевую роль как в струкные нейтральные вещества, такие, как газы, вода,
турной организации, так и в функционировании
аммиак, глицерин и мочевина, свободно диффунвсех клеток прокариотических и эукариотических,
дируют через биомембраны. Однако с увеличенирастительных и животных. Мембраны формируют
ем размера молекулы теряют эту способность. К
внутриклеточные компартменты, с их помощью
примеру, клеточные мембраны непроницаемы для
происходит разделение содержимого компартменглюкозы и других сахаров. Проницаемость биотов и окружающей их среды. Но если бы это была
мембран зависит также от полярности веществ.
единственная функция мембран, они не были бы
Неполярные вещества, такие, как бензол, этанол,
для нас столь интересны. Мембраны не только
диэтиловый эфир и многие наркотики, способны
разделяют клетку на отдельные компартменты, но
проникать в клетку в результате диффузии.
и участвуют в регуляции всех связей и взаимодейНапротив, для гидрофильных, особенно заряженствий, которые осуществляются между наружной
ных веществ, мембрана непроницаема. Однако во
и внутренней сторонами этих компартментов. Это
многих случаях именно такие вещества необхоможет проявляться в виде физического переноса
димы для функционирования клетки, поэтому в
ионов или молекул через мембрану или в форме
живых системах эволюционно сформировались
передачи информации при помощи конформациспециализированные транспортные системы для
онных изменений, индуцируемых в мембранных
переноса таких веществ через мембрану.
компонентах. Кроме того, с мембранами связаны
Пассивный транспорт (пассивная или облегмногие клеточные ферменты. Некоторые из них
ченная диффузия) происходит по направлению
катализируют трансмембранные реакции, когда
градиентов химического (электрохимического)
реагенты находятся по разные стороны мембраны
потенциала, результатом чего является уменьшеили когда каталитический акт сопровождается
ние градиентов концентраций, если нет других
транспортом молекул. Другие ферменты образуют
процессов, которые обеспечивают их поддержасвоеобразные комплексы, которые осуществляют
ние на постоянном уровне.
цепь последовательных превращений, причем
благодаря тому, что эти ферменты располагаются
в плоскости мембраны, повышается эффективность всего процесса [1].
Рис. 1. Строение клеточной мембраны; углеводы
(1),транспортный белок (2), липидный бислой (3), периферический белок (4)
Рис. 2. а – ионы натрия, б – ионы калия, 2 – ферментационный центр натрия, 3 - ферментационный центр
калия
Благодаря транспортным системам клетки
накапливают метаболиты, важные для обеспечения энергетического цикла и метаболических процессов, выводят в окружающую среду токсические вещества, а также создают разность потенциалов на мембране. В настоящее время очевидно,
что все эти явления так или иначе определяются
барьерными свойствами клеточных мембран. В
зависимости от потребностей клетки транспорт
веществ осуществляется или по или против концентрационного градиента. Способ проникновения через мембрану в значительной степени определяется свойствами вещества. Низкомолекуляр-
Активным транспортом называют процесс переноса веществ или ионов против их концентрационных градиентов, который, так или иначе,
обеспечивается энергией метаболических процессов. Активный транспорт бывает первично активным и вторично активным. В случае ионного
транспорта, обеспечиваемого транспортными
АТФазами (их называют также ионными насосами), энергодающей стадией является гидролиз
АТФ.В большинстве случаев источником энергии
для первично-активного транспорта ионов является АТФ. Вот почему большинство ионных насосов
одновременно являются ферментами, гидролизующими АТФ, – АТФазами.Na/K-АТФаза пред-
305
XХ Международная научно-практическая конференция
«СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ»
ставляет собой сложный белок, встроенный в
наружную мембрану клетки и имеющий центры
связывания для ионов натрия и калия, а также активный центр, где осуществляются связывание и
гидролиз АТФ.
Внутри клетки концентрация натрия почти в 10
раз меньше, хлорида (ионов хлора) — примерно в
5—10 раз меньше, а калия — примерно в 40 раз
больше, чем в окружающей жидкости. Мембрана,
толщина которой равна около 5 (нм), обладает
высоким электрическим сопротивлением, малой и
притом избирательной ионной проницаемостью и
большой электроемкостью. Калий и хлор диффундируют через эту мембрану сравнительно легко,
но ее проницаемость для натрия незначительна.
Калий стремится просачиваться из клетки наружу,
а натрий — внутрь. Вследствие избирательной
проницаемости мембраны калий выходит наружу
быстрее, чем натрий проникает внутрь, и это обстоятельство вместе с тем фактом, что отрицательно заряженные органические ионы не могут
выходить из клетки, ведет к возрастанию электроотрицательности внутриклеточной среды. Достигнув определенной величины, внутренний отрицательный заряд начинает препятствовать выходу
калия. Если бы ничто не противодействовало
диффузии ионов, то ионные условия в конце концов изменились бы и пришли к новому равнове
ному состоянию. В действительности, однако,
сохраняется стационарное состояние; это обусловлено работой механизма, получившего название натриевого насоса: он состоит в активном переносе ионов натрия изнутри наружу против концентрационного и электрохимического градиентов, за счет энергии, которую обеспечивают
обычные метаболические процессы с участием
АТФ, протекающие в нервной клетке. Натриевый
насос можно «выключить», отравив клетку какимлибо ингибитором обмена, например цианидом
[2].
Табл. 1. Концентрация ионов в клетке и во вне клеточной среде
Ионы
Концентрация ионов в
цитоплазме (ммоль)
140
10
3-4
<0,001
Концентрация вне
клеттки (ммоль)
2,5
120
120
2
За полный гидролитический цикл происходят
выброс из клетки трех ионов натрия, обогащение
цитоплазмы двумя ионами калия и гидролиз одной молекулы АТФ. Так происходит активный
транспорт ионов натрия из клетки и калия в клетку, а энергия АТФ тратится на оплату перехода
фермента из одной конформации в другую. Таким
образом, в ходе ферментативного процесса перенос ионов натрия и калия осуществляется одним и
тем же ионным центром фермента, последовательно изменяющим свое сродство к переносимым ионам при изменении конформации Na/KАТФазы [3].
Секция 5: Системы и приборы
медицинского назначения
Основываясь на выше изложенных данных о
транспорте веществ в клеточных мембранах, механизмах возникновения потенциалов покоя и
действия, был визуализирован процесс работы
калий-натриевого насоса, используя программную
среду Macromedia Flash Professional 8 [4].
Рис. 3. Интерфейс программы Macromedia Flash Professional 8
Получившаяся флеш-анимация представляет
собой визуализированную модель калий натриевого насоса.
Рис. 4. Скриншот флеш-анимации, связывание ионов
натрия, начало гидролиза АТФ
Рис. 5. Скриншот флеш-анимации, выход ионов натрия
из клетки, связывание ионов калия
Данный метод может широко использоваться и
для визуализации других процессов происходящих в живых организмах, молекулярной и атомной физики. Полученную таким образом флешанимацию можно использовать в качестве наглядной модели для демонстрации процессов происходящих в микромире в учебных целях.
Литература
1 Биомембранология / А.А. Болдырев, Е.И.
Кяйвяряйнен, В.А. Илюха и др. – Петрозаводск: Изд-во
Кар НЦ РАН, 2006.– с. 103-130.
2 Биологическая химия / Е.С. Северин, Т.Л.
Алейникова, Е.В. Осипов и др. – Москва: Изд-во
Медицина, 2000. – с. 89-120.
3 Молекулярная биология клетки / Б.Албертс,
Д.Брей, Дж.Льюис, М.Рэфф. : В 3-х т. — 2-ое,
переработанное. — М.: «Мир», 1993. —Т. 2. — 456с.
4 Macromedia Flash Professional 8 // Уроки по
созданию флеш-анимаций. – 2009 – 2013. (Рус.) – URL:
http://www.mac-flash.ru/flashanim.php [14.04.2013].
5 Данные для таблицы взяты из Биологическая
химия / Е.С. Северин, Т.Л. Алейникова, Е.В. Осипов и
др. – Москва: Изд-во Медицина, 2000. – с. 89-120.
306
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа