И активный
транспорт. Пассивный транспорт происходит без затрат энергии по электрохимическим градиентом. К пассивному относятся диффузия (простая и облегченная), осмос, фильтрация. Активный транспорт требует энергии и происходит вопреки концентрационном или электрическом градиента.
Активный транспорт
Это транспорт веществ вопреки концентрационном или электрическом градиента, что происходит с затратами энергии. Различают первичный активный транспорт, что требует энергии АТФ, и вторичный (создание за счет АТФ ионных концентрационных градиентов по обе стороны мембраны, а уже энергия этих градиентов используется для транспорта).
Первичный активный транспорт широко используется в организме. Он участвует в создании разности электрических потенциалов между внутренней и внешней сторонами мембраны клетки. С помощью активного транспорта создаются различные концентрации Na +, К +, Н +, СИ "" и других ионов в середине клетки и во внеклеточной жидкости.
Лучше исследованы транспорт Na+ и К+ - Na+,-K +-Hacoc. Этот транспорт происходит с участием глобулярного белка с молекулярной массой около 100 000. Белок имеет три участка для связывания Na + на внутренней поверхности и два участка для связывания К + на внешней поверхности. Наблюдается высокая активность АТФ-азы на внутренней поверхности белка. Энергия, образующаяся при гидролизе АТФ, приводит конформационные изменения белка и при этом выводится три ионы Na + из клетки и вводится в нее два иона К + С помощью такого насоса создаются высокая концентрация Na + во внеклеточной жидкости и высокая концентрация К + - в клеточной.
В последнее время интенсивно изучаются Са2 +-насосы, благодаря которым концентрация Са2 + в клетке в десятки тысяч раз ниже, чем вне ее. Различают Са2 +-насосы в клеточной мембране и в органеллах клетки (саркоплазматической сети, митохондрии). Са2 +-насосы тоже функционируют за счет белка-переносчика в мембранах. Этот белок имеет высокую АТФ-азную активность.
Вторичный активный транспорт. Благодаря первичном активном транспорта создается высокая концентрация Na + вне клетки, возникают условия для диффузии Na + в клетку, но вместе с Na + другие вещества могут войти в нее. Этот транспорт »направлен в одну сторону, называется симпорта. В противном случае вход Na + стимулирует выход другого вещества из клетки, это два потока, направленные в разные стороны, - антипорт.
Примером симпорта может быть транспорт глюкозы или аминокислот вместе с Na +. Белок-переносчик имеет два участка для связывания Na + и для связывания глюкозы или аминокислоты. Идентифицированы пять отдельных белков для связывания пяти типов аминокислот. Известны и другие виды симпорта - транспорт N + вместе с в клетку, К + и Сl-из клетки и др..
Почти во всех клетках существует механизм антипорта - Na + переходит в клетку, а Са2 + выходит из нее, или Na + - в клетку, а Н + - из нее.
Активно транспортируются через мембрану Mg2 +, Fe2 +, НСО3-и много других веществ.
Пиноцитоз - это один из видов активного транспорта. Он заключается в том, что некоторые макромолекулы (преимущественно белков, макромолекулы которых имеют диаметр 100-200 нм) присоединяются к рецепторам мембраны. Эти рецепторы специфичны для разных белков. Присоединение их сопровождается активизацией сократительных белков клетки - актина и миозина, которые образуют и закрывают полость с этим внеклеточным белком и небольшим количеством внеклеточной жидкости. При этом образуется пиноцитозных пузырек. У него выделяются ферменты гидролизуют этот белок. Продукты гидролиза усваиваются клетками. Пиноцитоз требует энергии АТФ и наличия Са2 + во внеклеточной среде.
Таким образом, есть много видов транспорта веществ через клеточные мембраны. На разных сторонах клетки (в апикальной, базальной, латеральной мембранах) могут происходить различные виды транспорта. Примером этого могут быть процессы, происходящие в
Поляризация мембраны в состоянии покоя, т.е. возникновение МП, при наличии трансмембранного градиента концентраций ионов объясняется прежде всего выходом по каналам утечки внутриклеточного К+ в окружающую клетку среду. Так, в состоянии физиологического покоя мембрана, например, нервных волокон в 25 раз более проницаема для К+, чем для Na+. Выход положительно заряженных К+ приводит к формированию положительного заряда на наружной поверхности мембраны. Органические анионы - крупномолекулярные соединения, которые несут отрицательный заряд и для которых мембрана клетки непроницаема, придают в этих условиях внутренней поверхности мембраны отрицательный заряд. На степень поляризации мембраны в состоянии покоя оказывает влияние перемещение через нее и других ионов, но в условиях относительного покоя оно невелико.
В состоянии покоя потоки ионов через мембрану, движущиеся по их концентрационным градиентам, в конечном счете должны были бы привести к выравниванию концентрации ионов внутри клетки и в окружающей ее среде. Но в живых клетках этого не происходит, так как в клеточной мембране существует особый молекулярный механизм, который получил название ионного насоса. Так, например, натриево-кали- евый насос обеспечивает выведение из цитоплазмы клетки Na+ и введение в цитоплазму КЛ Ионный насос перемещает ионы против их концентрационного градиента и, следовательно, работает с затратой энергии на преодоление силы градиента. Вместе с тем работа К4-, Na+-Hacoca является еще одним значимым фактором в создании МП. Выкачивая за каждый цикл работы из клетки три Na+ и вводя в клетку лишь два К+, насос формирует внутриклеточный отрицательный заряд, имеющий электрогенное происхождение, суммирующийся с зарядом, связанным с диффузией К+.
Таким образом, возникновение и поддержание МП покоя обусловлено избирательной проницаемостью мембраны клетки для ионов и работой натриево-калиевого насоса.
Мембранный потенциал покоя создает электрическое поле, которое обеспечивает закрытое состояние активационных «ворот» и открытое состояние инактивационных «ворот» натриевых каналов, а также сохранение определенной пространственной организации мембраны.
Пассивный транспорт
________________________
Осмос - движение молекул воды (растворителя) через мембрану из области меньшей в область большей концентрации растворенного вещества. Осмотическим давлением называется то наименьшее давление, которое необходимо приложить к раствору для того, чтобы предотвратить перетекание растворителя через мембрану в раствор с большей концентрацией вещества.
Молекулы растворителя, как и молекулы любого другого вещества, приводятся в движение силой, возникающей вследствие разности химических потенциалов. Когда какое-либо вещество растворяется, химический потенциал растворителя уменьшается. Поэтому в области, где концентрация растворенного вещества выше, химический потенциал растворителя ниже. Таким образом, молекулы растворителя, перемещаясь из раствора с меньшей в раствор с большей концентрацией, движутся в термодинамическом смысле «вниз», «по градиенту».
Объем клеток в значительной степени регулируется количеством содержащейся в них воды. Клетка никогда не находится в состоянии полного равновесия с окружающей средой. Непрерывное движение молекул и ионов через плазматическую мембрану изменяет концентрацию веществ в клетке и, соответственно, осмотическое
давление ее содержимого. Если клетка секретирует какое-либо вещество, то для поддержания неизменной величины осмотического давления она должна либо выделять соответствующее количество воды, либо поглощать эквивалентное количество иного вещества. Поскольку среда, окружающая большинство клеток гипотонична, для клеток важно предотвратить поступление в них больших количеств воды. Поддержание же постоянства объема даже в изотонической среде требует расхода энергии, поэтому в клетке концентрация веществ неспособных к диффузии (белков, нуклеиновых кислот и т.д.) выше, чем в околоклеточной среде. Кроме того, в клетке постоянно накапливаются метаболиты, что нарушает осмотическое равновесие. Необходимость расходования энергии для поддержания постоянства объема легко доказывается в экспериментах с охлаждением или ингибиторами метаболизма. В таких условиях клетки быстро набухают.
Для решения «осмотической проблемы» клетки используют два способа: они откачивают в интерстиций компоненты своего содержимого или поступающую в них воду. В большинстве случаев клетки используют первую возможность - откачку веществ, чаше ионов, используя для этого натриевый насос (см.ниже).
В целом объем клеток, не имеющих жестких стенок, определяется тремя факторами:
а) количеством содержащихся в них и неспособных к проникновению через мембрану веществ;
б) концентрацией в интерстиций соединений, способных проходить через мембрану;
в) соотношением скоростей проникновения и откачки веществ из клетки.
Большую роль в регуляции водного баланса между клеткой и окружающей средой играет эластичность плазматической мембраны, создающей гидростатическое давление, препятствующее поступлению воды в клетку. При наличии разности гидростатических давлений в двух областях среды вода может фильтроваться через поры барьера, разделяющего эти области.
Явления фильтрации лежат в основе многих физиологических процессов, таких, например, как образование первичной мочи в нефроне, обмен воды между кровью и тканевой жидкостью в капиллярах.
Существует несколько видов диффузии.
▲ Простая диффузия через липидный матрикс мембраны, с помощью которой проходят малые неполярные молекулы - 02, N2, этанол, эфир, малые полярные молекулы, не имеющие заряда - мочевина, аммиак, С02, а также жирорастворимые вещества - низкомолекулярные жирные кислоты, гормоны щитовидной железы, стероидные гормоны половых желез и коры надпочечников, витамины А и D3.
ж Простая диффузия через ионные каналы мембраны обеспечивает движение неорганических ионов по концентрационному или электрохимическому градиенту.
а. Облегченная диффузия с помощью переносчиков лежит в основе транспорта большинства полярных молекул соединений среднего размера, не имеющих заряда: глюкозы, аминокислот, нуклеотидов. Как правило, переносчик связывается с определенным веществом или родственной группой веществ. При наличии высоких концентраций вещества возможно ограничение объема и скорости транспорта из-за насыщения переносчиков.
Активный транспорт осуществляет перенос веществ против градиента концентраций и требует затрат энергии. На обеспечение активного транспорта клетки затрачивают от 30 до 70 % энергии, образующейся в процессе жизнедеятельности. Источником энергии для активного транспорта в клетке являются энергия трансмембранных ионных градиентов и энергия связей АТФ. В зависимости от вида используемой для транспорта энергии различают два вида активного транспорта.
ж Первично активный транспорт, создаваемый работой мембранных белков-насосов. Эти белки соединяют в себе свойства транспортной системы для переноса ионов и свойства фермента, расщепляющего АТФ. Получаемая энергия используется насосом для транспорта ионов. В мембранах клеток обнаружены следующие насосы:
К+~, На+-насос\ переносит три Na+ наружу в обмен на два К+ внутрь, т.е. против градиента концентраций; на один цикл работы насоса расходуется 1 мол. АТФ; за счет работы этого насоса создается концентрационный градиент для Na+ и К+, который используется для формирования МП клетки, а также вторичного активного транспорта;
Са2+-насос: встроен как в мембрану клетки, так и в мембраны клеточных органелл; в связи с высокой активностью Са2+ как регулятора многих процессов, протекающих в клетке, его внутриклеточная концентрация должна строго контролироваться; насос откачивает Са2+ во внешнюю среду клетки или во внутриклеточные депо;
Н+-насос, протонный насос, работающий как в наружной мембране, так и в мембранах клеточных органелл; переносит Н+ против градиента концентраций из клетки в окружающую среду, например из обкладочных клеток желудка в желудочный сок или из клеток эпителия почечных канальцев в канальцевую мочу.
Вторично активный транспорт использует для переноса веществ энергию градиента концентрации какого-либо иона, например Na+, созданную за счет работы насоса. Таким способом в клетках слизистой кишки или в канальцах почки транспортируются глюкоза и аминокислоты. Натрий, перемещаясь по электрохимическому градиенту молекулой-переносчиком, одновременно способствует переносу против градиента концентраций глюкозы или аминокислот, связанных с этим же переносчиком.
Разновидностью вторично активного транспорта является работа систем ионного обмена и систем совместного транспорта. Источником энергии для транспорта одного иона является энергия градиента концентраций другого. Транспорт может осуществляться как в клетку, так и из клетки. Описаны следующие разновидности ионообменников:
Na+-, Са2+-обмен обеспечивает выкачивание из клетки Са2+ за счет движения Na+ по электрохимическому градиенту внутрь клетки; механизм работает в нейронах, миоцитах, клетках эпителия и эндокринных;
Na+~, Н+-обмен обеспечивает выведение протонов из клетки в среду за счет энергии градиента натрия; механизм работает в нейронах, клетках печени, мышц, эпителия канальцев нефрона;
С/ -, нсо j - самый высокоскоростной ионообменник, участвующий в транспорте анионов; обеспечивает поглощение эритроцитами образовавшейся в тканях С02 и выход ее из них в виде НС03 в обмен на поступление С1~; механизм работает, помимо эритроцитов, в миоцитах, эпителиальных клетках почки и кишки;
Na+-, К"-, О -симпорт группы ионов в одном направлении; источником энергии может быть градиент концентрации любого из этих ионов; направление транспорта определяется состоянием гомеостаза клетки; механизм работает в эритроцитах человека и связан с необходимостью уменьшения концентрации в клетке этих ионов.
Транспорт макромолекул - белков, полисахаридов, нуклеиновых кислот - осуществляется путем эндоцитоза и экзоци- тоза.
Эндоцитоз заключается в образовании углубления с последующим отшнуровыванием участка мембраны, с которым контактирует макромолекулярный субстрат. Образовавшиеся эндоцитозные пузырьки транспортируются либо к лизосомам для последующего расщепления вещества лизосомальными ферментами, либо к противоположной стороне клетки и выделяют содержимое путем экзоцитоза. Существует три вида эндоцитоза:
Пиноцитоз - неспецифический захват внеклеточной жидкости с растворенными в ней макромолекулами для использования последних для нужд клетки или для переноса сквозь клетку;
Эндоцитоз, опосредуемый рецепторами, - захват веществ после их взаимодействия с рецепторами мембра-ны; после впячивания мембраны и ее отшнуровыва- ния образовавшиеся эндосомы транспортируются к ли- зосомам для ферментативного расщепления; таким образом инактивируются гормоны, иммуноглобулины, антигены;
Фагоцитоз - захват крупных клеточных частиц специализированными клетками - микро- и макрофагами с последующим перевариванием.
Экзоцитоз - выделение из клетки упакованных в гранулы (пузырьки) субстратов путем слияния мембран гранул с мембраной клетки; так выделяются гормоны, медиаторы, пищеварительные соки.
ВВЕДЕНИЕ
Со времен Р. Вирхова известно, что живая клетка - это элементарная ячейка биологической организации, обеспечивающая все функции организма. Среди многообразных явлений, протекающих в клетке, важное место занимают активный и пассивный транспорт веществ, осмос, фильтрация и биоэлектрогенез. В настоящее время стало очевидно, что эти явления так или иначе определяются барьерными свойствами клеточных мембран. Клетка - открытая система, которая непрерывно обменивается с окружающей средой веществом и энергией. Во многих случаях биологического транспорта основой переноса веществ является их диффузия через клеточную или многоклеточную мембрану. Способы диффузионного переноса многообразны (рис. 1): диффузия жирорастворимых веществ через липидную часть мембраны, перенос гидрофильных веществ через поры, образуемые мембранными липидами и белками, облегченная диффузия с участием специальных молекул-переносчиков, избирательный транспорт ионов через ионные каналы. Однако в процессе эволюции живая клетка создала особый способ переноса, получивший название активного транспорта. В этом случае перенос вещества идет против перепада концентрации и поэтому сопряжен с использованием энергии, универсальным источником которой в клетке является молекула аденозинтрифосфорной кислоты.
ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ
Живые системы на всех уровнях организации - открытые системы. Элементарная ячейка жизни - клетка и клеточные органеллы тоже открытые системы. Поэтому транспорт веществ через биологические мембраны - необходимое условие жизни. С переносом веществ через мембраны связаны процессы метаболизма клетки, биоэнергетические процессы, образование биопотенциалов, генерация нервного импульса и др. Нарушение транспорта веществ через биомембраны приводит к различным патологиям. Лечение часто связано с проникновением лекарств через клеточные мембраны.
Пассивный и активный транспорт веществ
Транспорт веществ через биологические мембраны можно разделить на два основных типа: пассивный и активный. Определения пассивного и активного транспорта связаны с понятием электрохимического потенциала. Известно, что движущей силой любого переноса является перепад энергии. Свободная энергия (энергия Гиббса) определяется при постоянном давлении, температуре и количестве переносимых частиц. Последнее обстоятельство удобно для описания переноса частиц вещества через мембрану с одной поверхности на другую.
Электрохимический потенциал - величина, численно равная энергии Гиббса на один моль данного вещества, помещенного в электрическое поле. Для разведенных растворов
где R = 8,31 Дж/(К " моль) - универсальная газовая постоянная, F = 96 500 Кл/моль (число Фарадея), Z - заряд иона электролита (в элементарных единицах заряда), j - потенциал электрического поля.
Пассивный транспорт идет в направлении перепада электрохимического потенциала вещества, происходит самопроизвольно и не требует свободной энергии АТФ.
Активный транспорт - это такой процесс, при котором перенос происходит из места с меньшим значением электрохимического потенциала к месту с большим его значением. Этот процесс, сопровождающийся ростом энергии, не может идти самопроизвольно, а только в сопряжении с процессом гидролиза АТФ, то есть за счет затраты энергии Гиббса, запасенной в макроэргических связях АТФ.
Плотность потока вещества jм - количество вещества в единицу времени через единицу площади - при пассивном транспорте подчиняется уравнению Теорелла
где U - подвижность частиц, С - концентрация. Знак минус показывает, что перенос происходит в сторону убывания.
Подставив в (2) выражение для электрохимического потенциала (1), получим для разбавленных растворов уравнение Нернста-Планка:
Итак, могут быть две причины переноса вещества при пассивном транспорте: градиент концентрации dC / dx и градиент электростатического потенциала dj / dx. В отдельных случаях вследствие сопряжения этих двух причин может происходить пассивный перенос вещества от мест с меньшей концентрацией к местам с большей концентрацией за счет энергии электрического поля.
В случае неэлектролитов (Z = 0) или постоянства электрического поля (dj / dx = 0) уравнение Теорелла переходит в уравнение
Согласно соотношению Эйнштейна, URT = D, где D - коэффициент диффузии, и, подставляя, получаем закон Фика
Виды пассивного транспорта
На рис. 1 представлены основные разновидности диффузии веществ через мембрану. Диффузия - самопроизвольное перемещение вещества из мест с большей их концентрацией в места с меньшей концентрацией вещества вследствие хаотического теплового движения частиц. Диффузия вещества через липидный бислой вызывается градиентом концентрации в мембране. Плотность потока вещества по закону Фика
где - концентрация вещества в мембране около одной ее поверхности и - около другой, l - толщина мембраны.
Так как измерить концентрации и трудно, на практике пользуются формулой, связывающей плотность потока вещества через мембрану с концентрациями этого вещества не внутри мембраны, а снаружи в растворах около поверхностей мембраны - С1 и С2:
jм = P (C1 - C2),
где Р - коэффициент проницаемости.
K - коэффициент распределения - показывает, какую часть концентрации у поверхности вне мембраны составляет концентрация у поверхности мембраны, но внутри ее.
Из уравнений (6) и (8) видно, что коэффициент проницаемости
Этот коэффициент удобен, поскольку имеет размерность линейной скорости (в м/с) и может быть определен по результатам измерения мембранных потенциалов.
Коэффициент проницаемости, как видно из формулы, тем больше, чем больше коэффициент диффузии D, чем тоньше мембрана и чем лучше вещество растворяется в липидной фазе мембраны (чем больше К). Хорошо растворимы в липидной фазе мембраны неполярные вещества, например: органические и жирные кислоты, эфиры. Естественно, эти вещества сравнительно легко проходят через клеточные мембраны, обладая повышенным сродством к липидной фазе мембран. В то же время плохо проходят через липидный бислой мембраны полярные вещества: вода, неорганические соли, сахара, аминокислоты. Так, величины Р для воды и мочевины равны соответственно 10 мкм/с и 1 пм/с. На первый взгляд представляется труднообъяснимым сравнительно большое значение Р для воды, полярного вещества, нерастворимого в липидах. Очевидно, что в этом случае речь может идти о переносе воды через наполненные водой белковые и липидные поры. Однако в последнее время помимо гидрофильных пор проникновение через мембрану мелких полярных молекул связывают с образованием между жирнокислотными хвостами фосфолипидных молекул при их тепловом движении небольших свободных полостей - кинков (от англ. kink - петля). Вследствие теплового движения хвостов молекул фосфолипидов кинки могут перемещаться поперек мембраны и переносить попавшие в них мелкие молекулы, в первую очередь молекулы воды.
Через гидрофильные липидные и белковые поры сквозь мембрану проникают молекулы нерастворимых в липидах веществ и водорастворимые гидратированные ионы, окруженные молекулами воды. Для жиронерастворимых веществ и ионов мембрана выступает как молекулярное сито: чем больше размер частицы, тем меньше проницаемость мембраны для этого вещества. Избирательность переноса обеспечивается набором в мембране пор определенного радиуса, соответствующих размеру проникающей частицы. Это распределение зависит от мембранного потенциала. Так, избирательные для ионов калия поры в мембране эритроцитов имеют сравнительно низкий коэффициент проницаемости, равный 4 пм/с при мембранном потенциале 80 мВ, который уменьшается в четыре раза с понижением потенциала до 40 мВ. Проницаемость мембраны аксона кальмара для ионов калия при уровне потенциала возбуждения определяется калиевыми каналами, радиус которых численно оценивается как сумма кристаллического радиуса иона калия и толщины одной гидратной оболочки (0,133 нм + 0,272 нм = 0,405 нм). Следует подчеркнуть, что селективность ионных каналов неабсолютна, каналы доступны и для других ионов, но с меньшими значениями Р.
Максимальная величина Р соответствует ионам калия. Ионы с большими кристаллическими радиусами (рубидий, цезий) имеют меньшие Р, по-видимому, потому, что их размеры с одной гидратной оболочкой превышают размер канала. Менее очевидна причина сравнительно низкого Р для ионов лития и натрия, имеющих меньший сравнительно с калием радиус. Исходя из представления о мембране как молекулярном сите можно было бы думать, что они должны свободно проходить через калиевые каналы. Одно из возможных решений этого противоречия предложено Л. Муллинзом. Он предполагает, что в растворе вне поры каждый ион имеет гидратную оболочку, состоящую из трех сферических слоев молекул воды. При вхождении в пору гидратированный ион "раздевается", теряя воду послойно. Пора будет проницаема для иона, если ее диаметр точно соответствует диаметру любой из этих сферических оболочек. Как правило, в поре ион остается с одной гидратной оболочкой. Расчет, приведенный выше, показывает, что радиус калиевой поры составит в этом случае 0,405 нм. Гидратированные ионы натрия и лития, размеры которых не кратны размерам поры, будут испытывать затруднение при прохождении через нее. Отмечено своеобразное "квантование" гидратированных ионов по их размерам при прохождении через поры.
Облегченная диффузия происходит при участии молекул переносчиков. Известно, например, что антибиотик валиномицин - переносчик ионов калия. Валиномицин является пептидом с молекулярной массой 1111. В липидной фазе молекула валиномицина имеет форму манжетки, устланной внутри полярными группами, а снаружи неполярными гидрофобными остатками молекул валина.
Особенности химического строения валиномицина позволяют образовывать комплекс с ионами калия, попадающими внутрь молекулы-манжетки, и в то же время валиномицин растворим в липидной фазе мембраны, так как снаружи его молекула неполярна. Ионы калия удерживаются внутри молекулы за счет сил ион-дипольного взаимодействия. Молекулы валиномицина, оказавшиеся у поверхности мембраны, могут захватывать из окружающего раствора ионы калия. Диффундируя в мембране, молекулы переносят калий через мембрану и отдают ионы в раствор по другую сторону мембраны. Таким образом и происходит челночный перенос ионов калия через мембрану.
Отличия облегченной диффузии от простой:
1) перенос ионов с участием переносчика происходит значительно быстрее по сравнению со свободной диффузией;
2) облегченная диффузия обладает свойством насыщения - при увеличении концентрации с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;
3) при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда одним переносчиком переносятся разные вещества; при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других;
4) есть вещества, блокирующие облегченную диффузию, они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика, препятствуя дальнейшему переносу.
Разновидностью облегченной диффузии является транспорт с помощью неподвижных молекул переносчиков, фиксированных определенным образом поперек мембраны. При этом молекула переносимого вещества передается от одной молекулы переносчика к другой по типу эстафеты.
Осмос - преимущественное движение молекул воды через полупроницаемые мембраны (непроницаемые для растворенного вещества и проницаемые для воды) из мест с меньшей концентрацией растворенного вещества в места с большей концентрацией. Осмос, по сути, диффузия воды из мест с ее большей концентрацией в места с меньшей концентрацией. Осмос играет большую роль во многих биологических явлениях. Явление осмоса обусловливает гемолиз эритроцитов в гипотонических растворах и тургор в растениях.
Активный транспорт веществ через биологические мембраны. Опыт Усинга
Активный транспорт веществ через биологические мембраны имеет огромное значение. За счет активного транспорта в организме создаются разности концентраций, разности электрических потенциалов, давления, поддерживающие жизненные процессы, то есть с точки зрения термодинамики активный перенос удерживает организм в неравновесном состоянии, поддерживает жизнь, так как равновесие - это смерть организма. Существование активного транспорта веществ через биологические мембраны впервые было доказано в опытах Усинга (1949 год) на примере переноса ионов натрия через кожу лягушки. Опыт весьма поучителен и заслуживает подробного рассмотрения.
Экспериментальная камера Усинга, заполненная нормальным раствором Рингера, была разделена на две части свежеизолированной кожей лягушки. В опыте исследовали однонаправленные потоки ионов натрия через кожу лягушки в прямом и обратном направлениях.
Из уравнения, описывающего пассивный транспорт (2), следует уравнение Усинга-Теорелла для отношения этих потоков в случае пассивного транспорта
На изолированной коже лягушки, разделяющей раствор Рингера, возникает разность потенциалов jвн - jнар (внутренняя сторона кожи положительна по отношению к наружной). В установке имелось специальное устройство: электрическая батарея с потенциометром - делителем напряжения, с помощью которых компенсировалась разность потенциалов на коже лягушки: Dj = jвн - jнар = 0, что контролировалось вольтметром. Кроме того, концентрация ионов натрия с внешней и внутренней сторон поддерживалась одинаковой. При этих условиях, как видно из уравнения Усинга-Теорелла,
jм, вн = jм, нар.
Суммарный поток ионов через мембрану должен был бы отсутствовать. Его наличие свидетельствовало бы о переносе ионов против перепада концентрации, то есть об активном переносе. Для доказательства этого в левую часть экспериментальной камеры были добавлены радиоактивные изотопы 22Na, а в правую - 24Na. 22Na распадается с излучением жестких g-квантов, излучение 24Na фиксировалось по мягким b-лучам. Было показано, что поток 22Na больше потока 24Na. О наличии тока в цепи свидетельствовали и показания миллиамперметра.
Эти экспериментальные данные неопровержимо свидетельствовали о том, что перенос ионов натрия через кожу лягушки не подчиняется уравнению пассивного транспорта. Более того, оказалось, что суммарный поток ионов натрия исключительно чувствителен к факторам, влияющим на энергетический обмен в клетках кожи: наличию кислорода, действию разобщителей окислительного фосфорилирования, действию низких температур. Следовательно, речь должна идти об особом способе переноса ионов, названном впоследствии активным. Позднее было установлено, что активный перенос ионов натрия в коже лягушки обеспечивается ионными насосами, локализованными в клетках базального эпителия. Работа насоса блокировалась специфическим ингибитором оуабаином.
Дальнейшие исследования показали, что в биологических мембранах имеется несколько разновидностей ионных насосов, работающих за счет свободной энергии гидролиза АТФ, - специальные системы интегральных белков (транспортные АТФазы). В настоящее время известны три типа электрогенных ионных насосов. Перенос ионов транспортными АТФазами происходит вследствие сопряжения процессов переноса с химическими реакциями за счет энергии метаболизма клеток.
При работе K+-Na+-АТФазы за счет энергии макроэргических связей, освобождающейся при гидролизе каждой молекулы АТФ, в клетку переносятся два иона калия и одновременно из клетки выкачиваются три иона натрия. Таким образом, создаются повышенная по сравнению с межклеточной средой концентрация в клетке ионов калия и пониженная концентрация ионов натрия, что имеет огромное физиологическое значение. Са-АТФаза обеспечивает активный перенос двух ионов кальция, протонная помпа - двух протонов на одну молекулу АТФ.
Молекулярный механизм работы ионных АТФаз до конца не изучен. Тем не менее прослеживаются основные этапы этого сложного ферментативного процесса. В случае К-Na-АТФазы (обозначим ее для краткости Е) насчитываются семь этапов переноса ионов, сопряженных с гидролизом АТФ. Обозначения Е1 и Е2 соответствуют расположению активного центра фермента на внутренней и внешней поверхности мембраны соответственно (аденозиндифосфат - АДФ, неорганический фосфат - P, звездочкой обозначен активный комплекс):
1) E + АТФ E*АТФ,
2) E*АТФ + 3Na *Na3 ,
3) *Na3 [Е1 ~ P]*Na3 + АДФ,
4) [Е1 ~ P]*Na3 [Е2 ~ P]*Na3 ,
5) [Е2 ~ P]*Na3 + 2K [Е2 - P]*K2 + 3Na,
6) [Е2 - P]*K2 [Е1 - P]*K2 ,
7) [Е1 - P]* E + P + 2K.
На схеме видно, что ключевыми этапами работы фермента являются: 1) образование комплекса фермента с АТФ на внутренней поверхности мембраны (эта реакция активируется ионами магния); 2) связывание комплексом трех ионов натрия; 3) фосфорилирование фермента с образованием аденозиндифосфата; 4) переворот (флип-флоп) фермента внутри мембраны;5) реакция ионного обмена натрия на калий, происходящая на внешней поверхности мембраны; 6) обратный переворот ферментного комплекса с переносом ионов калия внутрь клетки и 7) возвращение фермента в исходное состояние с освобождением ионов калия и неорганического фосфата (Р). Таким образом, за полный цикл происходят выброс из клетки трех ионов натрия, обогащение цитоплазмы двумя ионами калия и гидролиз одной молекулы АТФ.
Вторичный активный транспорт ионов
Помимо ионных насосов, рассмотренных выше, известны сходные системы, в которых накопление веществ сопряжено не с гидролизом АТФ, а с работой окислительно-восстановительных ферментов или фотосинтезом. Транспорт веществ в этом случае является вторичным, опосредованным мембранным потенциалом и/или градиентом концентрации ионов при наличии в мембране специфических переносчиков. Такой механизм переноса получил название вторичного активного транспорта. Наиболее детально этот механизм рассмотрен Питером Митчелом (1966 год) в хемиосмотической теории окислительного фосфорилирования. В плазматических и субклеточных мембранах живых клеток возможно одновременное функционирование первичного и вторичного активного транспорта. Примером может служить внутренняя мембрана митохондрий. Ингибирование АТФазы в ней не лишает частицу способности накапливать вещества за счет вторичного активного транспорта. Такой способ накопления особенно важен для тех метаболитов, насосы для которых отсутствуют (сахара, аминокислоты).
В настоящее время достаточно глубоко исследованы три схемы вторичного активного транспорта. Для простоты рассмотрен транспорт одновалентных ионов с участием молекул-переносчиков. При этом подразумевается, что переносчик в нагруженном или ненагруженном состоянии одинаково хорошо пересекает мембрану. Источником энергии служит мембранный потенциал и/или градиент концентрации одного из ионов. Схемы показаны на рис. 5. Однонаправленный перенос иона в комплексе со специфическим переносчиком получил название унипорта. При этом через мембрану переносится заряд либо комплексом, если молекула переносчика электронейтральна, либо пустым переносчиком, если перенос обеспечивается заряженным переносчиком. Результатом переноса будет накопление ионов за счет снижения мембранного потенциала. Такой эффект наблюдается при накоплении ионов калия в присутствии валиномицина в энергизованных митохондриях.
Встречный перенос ионов с участием одноместной молекулы-переносчика получил название антипорта. Предполагается при этом, что молекула-переносчик образует прочный комплекс с каждым из переносимых ионов. Перенос осуществляется в два этапа: сначала один ион пересекает мембрану слева направо, затем второй ион - в обратном направлении. Мембранный потенциал при этом не меняется.Что же является движущей силой этого процесса? Очевидно, разность концентраций одного из переносимых ионов. Если исходно разность концентрации второго иона отсутствовала, то результатом переноса станет накопление второго иона за счет уменьшения разности концентраций первого. Классическим примером антипорта служит перенос через клеточную мембрану ионов калия и водорода с участием молекулы антибиотика нигерицина.
Совместный однонаправленный перенос ионов с участием двухместного переносчика называется симпортом. Предполагается, что в мембране могут находиться две электронейтральные частицы: переносчик в комплексе с катионом и анионом и пустой переносчик. Поскольку мембранный потенциал в такой схеме переноса не изменяется, то причиной переноса может быть разность концентраций одного из ионов. Считается, что по схеме симпорта осуществляется накопление клетками аминокислот. Калий-натриевый насос создает начальный градиент концентрации ионов натрия, которые затем по схеме симпорта способствуют накоплению аминокислот. Из схемы симпорта следует, что этот процесс должен сопровождаться значительным смещением осмотического равновесия, поскольку в одном цикле через мембрану переносятся две частицы в одном направлении.
В процессе жизнедеятельности границы клетки пересекают разнообразные вещества, потоки которых эффективно регулируются. С этой задачей справляется клеточная мембрана с встроенными в нее транспортными системами, включающими ионные насосы, систему молекул-переносчиков и высокоселективные ионные каналы.
Такое обилие систем переноса на первый взгляд кажется излишним, ведь работа только ионных насосов позволяет обеспечить характерные особенности биологического транспорта: высокую избирательность, перенос веществ против сил диффузии и электрического поля. Парадокс заключается, однако, в том, что количество потоков, подлежащих регулированию, бесконечно велико, в то время как насосов всего три. В этом случае особое значение приобретают механизмы ионного сопряжения, получившие название вторичного активного транспорта, в которых важную роль играют диффузионные процессы. Таким образом, сочетание активного транспорта веществ с явлениями диффузионного переноса в клеточной мембране - та основа, которая обеспечивает жизнедеятельность клетки.
И ПРОНИЦАЕМОСТЬ МЕМБРАН
С точки зрения проницаемости липидные поры принципиально отличаются от белковых каналов своим происхождением и исключительной динамичностью. В то время как белковые каналы имеют строго определенные размеры, сохраняющиеся в течение всей жизни клетки, размеры липидных пор в процессе затекания варьируют в широких пределах. Однако эта изменчивость имеет предел. Если радиус поры меньше критического, то пора в процессе затекания должна пройти все промежуточные радиусы и достигнуть минимального размера. Вопрос о возможности полного затекания липидных пор остается открытым. Предполагается, что полному затягиванию поры препятствуют мощные силы гидратации, проявляющиеся при сближении стенок гидрофильных пор.
Липидные поры в отличие от белковых ионных каналов не обладают выраженной избирательностью, что коррелирует с их сравнительно большими исходными размерами. Ясно, однако, что в процессе затекания липидные поры могут достигать сколь угодно малых размеров, в том числе сравнимых с размерами белковых ионных каналов, что может приводить к перераспределению ионных токов в мембране, например при возбуждении. Известно далее, что после выключения стрессового воздействия бислойная липидная мембрана может вернуться в состояние с низкой проводимостью, что подразумевает достижение порами размера, недостаточного для прохождения гидратированных ионов. Таким образом, гидрофильные липидные поры универсальны в том отношении, что могут быть использованы клеткой для транспорта высокомолекулярных веществ, ионов и молекул воды.
Исследования проницаемости липидных пор развиваются в настоящее время в двух направлениях: в первом исследуются максимально большие поры, во втором, наоборот, - липидные поры минимального радиуса. В первом случае речь идет об электротрансфекции - способе введения в живые клетки или липосомы молекул ДНК с целью переноса и внутриклеточного введения чужеродного генетического материала. Оказалось, что внешнее электрическое поле высокой напряженности способствует проникновению гигантской молекулы ДНК внутрь мембранной частицы. Как видно из, максимальный размер критической поры соответствует жидкокристаллическому состоянию бислоя липидов при отсутствии внешнего электрического поля и равен 9 нм. Наложение внешнего электрического поля напряженностью 100 кВ/м понижает критический радиус поры до 1 нм за время 0,2 с. Поскольку при этом мембраны сохраняются, то размер липидных пор в них не превышает, очевидно, этого нижнего предела. Парадокс состоит в том, что эффективный диаметр статистического клубка ДНК, которая должна попасть внутрь частицы, достигает 2000 нм. Поистине задача про верблюда, проникающего сквозь игольное ушко. Поэтому очевидно, что молекула ДНК должна проникать через мембрану в виде расплетенной одиночной нити. Известно, что конец нити имеет диаметр 2 нм и таким образом только-только может войти в пору. Однако свободная диффузия нити ДНК в поре при этом вряд ли возможна. К сожалению, механизм этого явления до конца неясен. Предполагается, в частности, что молекула ДНК способна расширить пору и таким образом проскользнуть через мембрану. Проникновению ДНК могут способствовать дополнительные силы электрофореза и электроосмоса с учетом суммарного отрицательного заряда молекулы ДНК. Не исключено, что поры с фиксированными в них концами молекулы ДНК играют роль якоря, удерживающего молекулу в определенном месте у поверхности мембраны везикулы, а сам процесс переноса является разновидностью пиноцитоза. Исследование этого интересного с точки зрения
Большинство процессов жизнедеятельности, таких, как всасывание, выделение, проведение нервного импульса, мышечное сокращение, синтез АТФ, поддержание постоянства ионного состава и содержания воды связано с переносом веществ через мембраны. Этот процесс в биологических системах получил название транспорта . Обмен веществ между клеткой и окружающей её средой происходит постоянно. Механизмы транспорта веществ в клетку и из неё зависят от размеров транспортируемых частиц. Малые молекулы и ионы транспортируются клеткой непосредственно через мембрану в форме пассивного и активного транспорта.
Пассивный транспорт осуществляется без затрат энергии, по градиенту концентрации путем простой диффузии, фильтрации, осмоса или облегченной диффузии.
Диффузия – проникновение веществ через мембрану по градиенту концентрации (из области, где их концентрация выше, в область, где их концентрация ниже); этот процесс происходит без затрат энергии вследствие хаотического движения молекул. Диффузный транспорт веществ (вода, ионы) осуществляется при участии интегральных белков мембраны, в которых имеются молекулярные поры (каналы, через которые проходят растворенные молекулы и ионы), либо при участии липидной фазы (для жирорастворимых веществ). С помощью диффузии в клетку проникают растворенные молекулы кислорода и углекислого газа, а также яды и лекарственные препараты.
Рис. Виды транспорта через мембрану.1 – простая диффузия; 2 – диффузия через мембранные каналы; 3 – облегченная диффузия с помощью белков-переносчиков; 4 – активный транспорт.
Облегченная диффузия. Транспорт веществ через липидный бислой с помощью простой диффузии совершается с малой скоростью, особенно в случае заряженных частиц, и почти не контролируется. Поэтому в процессе эволюции для некоторых веществ появились специфические мембранные каналы и мембранные переносчики, которые способствуют повышению скорости переноса и, кроме того, осуществляют селективный транспорт. Пассивный транспорт веществ с помощью переносчиков называется облегченной диффузией . Специальные белки-переносчики (пермеаза) встроены в мембрану. Пермеазы избирательно связываются с тем или иным ионом или молекулой и переносят их через мембрану. При этом частицы перемещаются быстрее, чем при обычной диффузии.
Осмос – поступление в клетки воды из гипотонического раствора.
Фильтрация - просачивание веществ поры в сторону меньших значений давления. Примером фильтрации в организме является перенос воды через стенки кровеносных сосудов, выдавливание плазмы крови в почечные канальцы.
Рис. Движение катионов по электрохимическому градиенту.
Активный транспорт. Если бы в клетках существовал только пассивный транспорт, то концентрации, давления и др. величины вне и внутри клетки сравнялись бы. Поэтому существует другой механизм, работающий в направлении против электрохимического градиента и происходящий с затратой энергии клеткой. Перенос молекул и ионов против электрохимического градиента, осуществляемый клеткой за счет энергии метаболических процессов, называется активным транспортом.Он присущ только биологическим мембранам. Активный перенос вещества через мембрану происходит за счет свободной энергии, высвобождающейся в ходе химических реакций внутри клетки. Активный транспорт в организме создает градиенты концентраций, электректрических потенциалов, давлений, т.е. поддерживает жизнь в организме.
Активный транспорт заключается в перемещении веществ против градиента концентрации с помощью транспортных белков (порины, АТФ-азы и др.), образующих мембранные насосы, с затратой энергии АТФ (калий-натриевый насос, регуляция концентрации в клетках ионов кальция и магния, поступление моносахаридов, нуклеотидов, аминокислот). Изучены 3 основные системы активного транспорта, которые обеспечивают перенос ионов Na, K, Ca, H через мембрану.
Механизм. Ионы К + и Na + неравномерно распределены по разные стороны мембраны: концентрация Na + снаружи > ионов K + , а внутри клетки K + > Na + . Эти ионы диффундируют через мембрану по направлению электрохимического градиента, что приводит к его выравниванию. Na-K насосы входят в состав цитоплазматических мембран и работают за счет энергии гидролиза молекул АТФ с образованием молекул АДФ и неорганического фосфата Ф н : АТФ=АДФ+Ф н. Насос работает обратимо: градиенты концентраций ионов способствуют синтезу молекул АТФ из мол-л АДФ и Ф н: АДФ+Ф н =АТФ.
Na + /К + -насос представляет собой трансмембранный белок, способный к конформационным изменениям, вследствие чего он может присоединять как «K + », так и «Na + ». За один цикл работы насос выводит из клетки три «Na + » и заводит два «К + » за счет энергии молекулы АТФ. На работу натрий-калиевого насоса тратится почти треть всей энергии, необходимой для жизнедеятельности клетки.
Через мембрану могут переноситься не только отдельные молекулы, но и твердые тела (фагоцитоз ), растворы (пиноцитоз ). Фагоцитоз – захват и поглощение крупных частиц (клеток, частей клеток, макромолекул) и пиноцитоз – захват и поглощение жидкого материала (раствор, коллоидный раствор, суспензия). Образующиеся пиноцитозные вакуоли имеют размеры от 0,01 до 1-2 мкм. Затем вакуоль погружается в цитоплазму и отшнуровывается. При этом стенка пиноцитозной вакуоли полностью сохраняет структуру породившей ее плазматической мембраны.
Если вещество транспортируется внутрь клетки, то такой вид транспорта называется эндоцитозом (перенос в клетку путем прямого пино-или фагоцитоза), если наружу, то – экзоцитозом (перенос из клетки путем обратного пино - или фагоцитоза). В первом случае на наружной стороне мембраны образуется впячивание, которое постепенно превращается в пузырек. Пузырек отрывается от мембраны внутри клетки. Такой пузырек содержит в себе транспортируемое вещество, окруженное билипидной оболочкой (везикулой). В дальнейшем везикула сливается с какой-нибудь клеточной органеллой и выпускает в неё своё содержимое. В случае экзоцитоза процесс происходит в обратной последовательности: везикула подходит к мембране с внутренней стороны клетки, сливается с ней и выбрасывает своё содержимое в межклеточное пространство.
Технологическая карта урока
Тема: Биологическая мембрана. Транспорт веществ через биологические мембраны.
Класс: 10 класс
Тип урока: урок усвоения новых знаний
Цель: формирование представлений о структуре клеточной мембраны и ее транспортных системах
Задачи:
Образовательные:
познакомить с краткой историей открытия биомембраны;
углубить знания о строении плазматической мембраны;
рассмотреть основные типы транспортных систем клеточной мембаны;
раскрыть значение этим систем в жизни человека.
Развивающие:
способствовать развитию речи учащихся путем постановки вопроса, требующих развернутого и связного ответа.
создать условия для развития произвольного внимания при объяснении нового материала.
способствовать развитию наглядно-образного мышления при демонстрации презентации, наглядных материалов.
Воспитательные:
создать условия для воспитания у учащихся правильной научной картины мира.
умения планировать учебное сотрудничество со сверстниками и учителем.
Основные термины и понятия: клеточная мембрана, пассивный транспорт, диффузия, осмос, активный транспорт, натрий-калиевый насос, белок-пермиаза, везикулярный транспорт, везикула, эндоцитоз, фагоцитоз, пиноцитоз, экзоцитоз.
Методы обучения: словесные (беседа, объяснение), наглядные, частично-поисковые, проблемные, работа с текстом презентации.
Формы обучения: фронтальная
Оборудование: ИКТ презентация «Биологические мембраны»
План урока:
Организационный этап.
Постановка цели и задач урока. Мотивация учебной деятельности учащихся.
Актуализация знаний.
Изучение нового материала
Первичная проверка понимания
Информация о домашнем задании, инструктаж по его выполнению
Рефлексия
Ход урока:
приветствие;фиксация отсутствующих
Приветствует обучающихся, проверяет их готовность к уроку.
Учащиеся встают, приветствуя учителя, готовятся к уроку
Личностные: самоорганизация
Коммуникативные : планирование учебного сотрудничества с учителем и одноклассниками.
2. Постановка цели и задач урока. Мотивация учебной деятельности учащихся
8 мин.
создать условия для возникновения внутренней потребности включения в деятельность
Что изучает наука «цитология»?
Что такое клетка? Как зовут ученого, в результате открытий которого было введено понятие “клетка”?
Все живые организмы на Земле состоят из клеток, а каждая клетка окружена защитной оболочкой – мембраной
Может кто то знает, что означает мембрана?
Какие у вас ассоциации с этим словом?
Само слово «мембрана» в переводе с латыни означает «кожица, пленка». Мембрана – весьма активная, постоянно работающая структура клетки, на которую природой возложено множество функций.
Сегодня мы с вами поговорим об устройстве клеточной мембраны и о том как проходят вещества внутрь клетки и наружу из клетки.
Объяснение для чего необходимы знания строения и свойства клеточной мембраны и транспортных механизмов.
Рассмотрение истории исследования клеточной мембраны.
Ребята, может быть кто то из вас знает какие были модели и какая модель сейчас является общепринятой?
В 1925 году И. Гортер и А. Грендель показали, что клеточная мембрана представляет собой двойной слой (бислой) из молекул липидов.
В 1935 году Дж. Даниэлли и Х. Доусон показали, что в клеточной мембране, помимо липидов, содержатся белки. Так возникла модель «сэндвича», в которой плазматическая мембрана представлялась в виде двух слоев белков, между которыми располагался липидный бислой.
Почему модель мембраны, созданную учеными Давсоном и Даниэли, назвали «модель сэндвича»? (Для справки: сэндвич – закрытый бутерброд).
1972 году С.Д. Сингером и Г.Л. Николсоном была предложена жидкостно-мозаичная модель мембраны
Чем модель клеточной мембраны, созданная учеными Сингером и Николсоном, отличается от модели, созданной Давсоном и Даниэли?
Почему проводится аналогия второй модели с бушующим морем, в котором плавают айсберги? Какое органическое вещество символизирует айсберги, а какое – бушующее море? (где мембранные белки «плавают» в жидком липидном бислое, как айсберги в открытом море. При этом предполагалось, что белки никак не упорядочены и могут свободно перемещаться в мембране).
-Ребята, а попробуйте дать определение клеточной мембране.
Клеточной мембраны её еще называют цитоплазматическая мембрана (плазмалемма) или биомембрана - которая представляет основную, универсальную для всех клеток часть поверхностного аппарата. Ее толщина составляет около 5-10 нм. (нанометров).
Давайте посмотрим на современную модель и ответим, что является основным компонентом?
Вспомните функции белков и свойства липидов.
Строение фосфолипида.
Фосфолипид состоит из полярной гидрофильной головкой и неполярными гидрофобными хвостами, представленные цепями жирных кислот. В цитоплазматической мембране гидрофильные головки обращены к наружной и внутренней сторонам мембраны, а гидрофобные хвосты - внутрь мембраны
С липидным бислоем связаны молекулы белков.
Типы белков клеточной мембраны.
которые могут пронизывать его насквозь их называют интегральные, или трансмембранные, белки, погружаться в него частично - это полуинтегральные белки или примыкать с наружной или внутренней стороны - периферические белки.
Углеводный компонент
В состав мембран может входить углеводный компонент (10%), представленный олигосахаридными или полисахаридными цепочками, связанными с молекулами белков (гликопротеиды) или липидов (гликолипиды). Углеводы располагаются обычно на наружной поверхности мембраны и выполняют рецепторные функции.
Появление мембраны в эволюции - крупнейший ароморфоз. Благодаря этому содержимое клетки стало отграничено от внешней среды.
ПОМНИМ! У животной клетки под оболочкой понимается мембрана + гликокаликс.
У растительных клеток помимо мембраны снаружи имеется еще толстая целлюлозная оболочка - клеточная стенка - выполняет опорную функцию за счет жесткого наружного слоя, придающего клеткам четкую форму.
Называют ассоциации на заданную тему
Учащиеся записывают тему урока
Учащиеся делают необходимые записи в тетради (отмечают современную модель Николсона и Сингера)
Учащиеся высказывают свои предположения
Учащиеся анализируют два типа модели и делают выводы
Записывают определение
Учащиеся анализируют рисунок, называют основные компоненты
Зарисовывают схематично клеточную мембрану.
Учащиеся высказывают свое предположение
Учащиеся зарисовывают строение фосфолипида
Отмечают типы белков
Отмечают углеводные хвостики
Личностные: самоорганизация
Регулятивные: способность регулировать свои действия;
Познавательные : структурирование знаний, самостоятельное создание алгоритмов деятельности при решении поставленной проблем
Коммуникативные : планирование учебного сотрудничества с учителем и одноклассниками;
3. Изучение нового материла
20-25 мин.
Организовать осмысленное восприятие знаний о селекции как науки. Создать условия для развития умения устанавливать причинно-следственные связи между знания уже изученного и нового материала
Свойства мембран .
а) Подвижность .
Липидный бислой по существу – жидкое образование, в пределах плоскости которого молекулы могут свободно передвигаться – “течь” без потери контактов в силу взаимного притяжения (демонстрация перетекание жидкости в стенке мыльного пузыря, висящего на пластмассовой трубочке ). Гидрофобные хвосты могут свободно скользить друг относительно друга.
б) Способность самозамыкаться .
(демонстрация, как при протыкании мыльного пузыря и последующего извлечения иглы целостность его стенки сразу же восстанавливается) . Благодаря этой способности клетки могут сливаться путем слияния их плазматических мембран (например, при развитии мышечной ткани).
в) Избирательная проницаемость . Для того чтобы клетка нормально функционировала должен быть налажен транспорт и пограничный контроль. Плазматическая мембрана охраняют свою клетку как спец.объект. Так например, через двойной слой липидов свободно проходят, а сеть вещества которые проходят через специальные мембранные каналы или белки переносчики
Выделяют ряд важнейших функций, которые выполняют клеточные мембраны:
структурная (входят в состав большинства органоидов);
барьерная (Мембрана отделяет клеточное содержимое от внешней среды, предохраняет клетку от попадания в нее чужеродных веществ и обеспечивает поддержание постоянства внутриклеточной среды) ,
регуляция обменных процессов ;
рецепторная ( На наружной поверхности мембраны расположены рецепторные участки, где происходит связывание гормонов и других регуляторных молекул),
и транспортная.
Представьте, что веществам надо проникнуть в клетку. Для этого необходимо преодолеть плазматическую мембрану. Какие известные способы проникновения веществ вы можете вспомнить?
???????
Различают два основных виды переноса, пассивный и активный. Пассивный еще называют диффузия.
Как вы понимаете, что такое диффузия?
И так, если вещество движется через мембрану из области с высокой концентрацией в сторону низкой концентрации (т.е. по градиенту концентрации этого вещества) и осуществляется без затрат энергии такой транспорт называют пассивным или диффузным. Он в свою очередь делится на простую и облегченную диффузию, осмос.
При простой диффузии наблюдается самопроизвольное перемещение веществ через мембрану из области, где концентрация этих веществ выше, в область, где их концентрация ниже. Путем простой диффузии через плазмалемму могут проходить небольшие молекулы (например, Н 2 0, 0 2 , С0 2 , мочевина) и ионы. Как правило, это неполярные вещества. Простая диффузия происходит относительно медленно
Для ускорения диффузного транспорта существуют мембранные белки-переносчики.Они избирательно связываются с тем или иным ионом или молекулой (полярные молекулы и ионы) и переносят их через мембрану. Такой тип транспорта называется облегченной диффузией . Скорость переноса веществ при облегченной диффузии во много раз выше, чем при простой.
Вода поглощается клеткой преимущественно путем осмоса. Осмос - это диффузия воды через полупроницаемую мембрану, вызванная разностью концентраций. Осмос как одну из форм диффузии, при которой перемещаются только молекулы воды.
Транспорт, который осуществляется в случае , когда перенос против градиента концентрации -называется пассивным транспортом. Такой перенос требует затраты энергии клеткой. Активный транспорт служит для накопления веществ внутри клетки. Для активного транспорта имеются специальные насосы, работающие с использованием энергии. Источником энергии часто является АТФ. Активный транспорт имеет решающее значение, поскольку обеспечивает избирательное концентрирование необходимых для жизнедеятельности клетки веществ.
Осуществляют транспорт веществ, специальные механизмы, это ионные насосы или АТФ-азы.
Существует три ионных насоса:
Натрий-калиевые (Na / K – АТФаза)
Кальциевые насосы (Са – АТФаза)
Протонные насосы (H – АТФаза)
Все АТФ-насосы являются трансмембарнными белками - пермеаз. Эти белки могут проводить в одном направлении одно вещество (унипорт - натрий) или несколько веществ одновременно в одном направлении (симпорт – хлор, аминокислоты, сахароза), или же два вещества в противоположном направлении (антипорт – магний, натрий, марганец). Так, глюкоза может входить в клетки симпортно вместе с ионом Na +.
В зависимости от источника используемой энергии активный транспорт подразделяется на два типа: первично активный и вторично активный. Для первично активного транспорта энергия извлекается непосредственно при расщеплении АТФ или некоторых других высокоэнергетических фосфатных соединений. Одним из наиболее распространенных первично-активным транспорт является натрий-калиевый насос (видео).
Вторично активный транспорт обеспечивается вторичной энергией, накопленной в форме разности концентраций побочных веществ, молекул или ионов, по обе стороны клеточной мембраны, созданной первоначально первично активным транспортом . Например, мембрана клеток слизистой оболочки тонкого кишечника содержит белок, осуществляющий перенос (симпорт) глюкозы и Na+ в самые высокие клетки эпителия слизистой оболочки дыхательных путей .
Своеобразной и относительно хорошо изученной разновидностью мембранного транспорта является везикулярный транспорт.
Может кто-то занет как осушествляется такой тип переноса веществ? Что такое везикула? Как вы понимаете?
Везикула – дословно переводится как упакованный мешочек. В зависимости от того, в каком направлении переносятся вещества (в клетку или из нее), различают два вида этого транспорта - эндоцитоз и экзоцитоз.
Эндоцитоз - поглощение клеткой внешних частиц путем образования мембранных пузырьков. Выделяют такие разновидности эндоцитоза как: фагоцитоз и пиноцитоз.
Скажите, что это за процесс фагоцитоз? Где вы с ним встречались раньше?
Фагоцитоз – клеточный процесс, при котором встроенные в мембрану клетки-фагоциты захватывают и переваривают твердые частички питательных веществ. В человеческом организме фагоцитоз осуществляется мембранами двух типов клеток: гранулоцитов (зернистых лейкоцитов) и макрофагов (иммунных клеток-убийц);
Пиноцитоз – процесс захвата поверхностью клеточной мембраны соприкасающихся с нею молекул жидкости.
Экзоцитоз - процесс, обратный
эндоцитозу; из клеток выводятся
непереварившиеся остатки твёрдых
частиц и жидкий секрет.
Учащиеся записывают свойства клеточной мембраны
Записывают функции мембраны
Выдвигают свои мысли о возможности проникновения вещества в клетку
Учащиеся отмечают в тетради виды переноса веществ
Схематично зарисовывают простую диффузию и делают комментарии к рисунку
Схематично зарисовывают облегченную диффузию и делают комментарии к рисунку
Схематично зарисовывают осмос и делают комментарии к рисунку
Делают записи в тетради
Зарисовывают механизм работы натрий-калиевого насоса
Учащиеся высказывают свое предположение
Учащиеся записывают определения и схематично зарисовывают
Личностные: осмысление мотивов своих действий при выполнении заданий; формировать положительное отношение к учению, к познавательной деятельности, желание приобрести новые знания, умения осознавать свои ошибки и стремиться их преодолевать;
Познавательные: умения результативно мыслить и работать с информацией; умение работать с учебником и составлять таблицу; поиск и выделение необходимой информации; умение выявлять сущность, особенности объектов; умение на основе анализа объектов делать выводы;
4.Закрепление полученных знаний
5 мин.
Соотнесение поставленных задач с достигнутым результатом, фиксация нового знания, постановка дальнейших целей
Задание. Проанализируйте предлагаемые ситуации, проведите соответствующие аналогии и ответьте, о каких видах транспорта через мембрану идет речь.
А) Ты стоишь в толпе на автобусной остановке. Подходит пустой автобус. Люди начинают заполнять автобус. Это происходит достаточно легко. На остановке становится более свободно, а автобус равномерно заполнен. (пассивный)
Б) Ты стоишь на остановке один. Подходит переполненный автобус, а тебе нужно непременно уехать. Необходимо поработать локтями, чтобы зайти в автобус. Правда, тебе может помочь кто-то из сердобольных пассажиров .(активный)
Учащиеся анализируют предложенные ситуации делают вывод.
Личностные: самоорганизация
Регулятивные: умения организовывать свою деятельность; планирование своей работы при выполнении задания; контроль за выполнением работы; умение определять успешность своего задания;
Коммуникативные : умение строить речевое высказывание в соответствии с поставленными задачами; умение оформлять свои мысли в устной форме.
5.Домашнее задание
2 мин.
Инструкция по выполнению домашнего задания
Оформить свои записи(определения, схематичные рисунки)
Учащиеся записывают задание в дневник. Задают вопросы по его выполнению.
Личностные: умение оценивать усваиваемое содержание;
Коммуникативные: умения общаться, взаимодействовать со сверстниками и педагогом; умение строить речевое высказывание в соответствии с поставленными задачами; умение оформлять свои мысли в устной форме.
6.Рефлексия
3 мин.
Осмысление процесса и результата деятельности
Учащиеся свое мнение.
Называют основные позиции нового материала и как они их усвоили (что получилось, что не получилось и почему)
Личностные: умение осуществлять анализ собственной деятельности; планирование дальнейших шагов для достижения цели.
Регулятивные: выделение и осознание учащимся того, что уже усвоено и что еще подлежит усвоению, осознание качества и уровня усвоения; умения организовывать свою деятельность; планирование своей работы при выполнении задания
Коммуникативные: способность к критическому мышлению; умение представить себя; выслушивать и принимать во внимание взгляды других людей.
