αντλία νατρίου. Ο μηχανισμός λειτουργίας της αντλίας νατρίου-καλίου Η αντλία νατρίου-καλίου και ο μηχανισμός δράσης της

Στείλτε την καλή δουλειά σας στη βάση γνώσεων είναι απλή. Χρησιμοποιήστε την παρακάτω φόρμα

Φοιτητές, μεταπτυχιακοί φοιτητές, νέοι επιστήμονες που χρησιμοποιούν τη βάση γνώσεων στις σπουδές και την εργασία τους θα σας είναι πολύ ευγνώμονες.

Φιλοξενείται στο http://www.allbest.ru/

Υπουργείο Παιδείας και Επιστημών της Ρωσικής Ομοσπονδίας

Ομοσπονδιακό κρατικό προϋπολογισμό εκπαιδευτικό ίδρυμα

Ανώτατη επαγγελματική εκπαίδευση

"Κρατική Ιατρική Ακαδημία Tyumen"

Ιατρική Σχολή

Εκθεση ΙΔΕΩΝεπίθέμα:

«Νάτριο-κάλιοαντλία.βιολογικόςρόλος"

Tyumen 2012

Νάτριο- κάλιοαντλία - Αυτή είναι μια ειδική πρωτεΐνη που διεισδύει σε όλο το πάχος της μεμβράνης, η οποία αντλεί συνεχώς ιόντα καλίου στο κύτταρο, ενώ αντλεί ιόντα νατρίου έξω από αυτό. Σε αυτή την περίπτωση, η κίνηση και των δύο ιόντων συμβαίνει ενάντια στις βαθμίδες των συγκεντρώσεών τους. Η εκτέλεση αυτών των λειτουργιών είναι δυνατή λόγω δύο σημαντικών ιδιοτήτων αυτής της πρωτεΐνης. Πρώτον, το σχήμα του μορίου φορέα μπορεί να αλλάξει.

Αυτές οι αλλαγές συμβαίνουν ως αποτέλεσμα της προσκόλλησης μιας φωσφορικής ομάδας στο μόριο-φορέα λόγω της ενέργειας που απελευθερώνεται κατά την υδρόλυση του ΑΤΡ (δηλαδή, της αποσύνθεσης του ΑΤΡ σε ADP και ενός υπολείμματος φωσφορικού οξέος). Δεύτερον, αυτή η ίδια η πρωτεΐνη δρα ως ATPase (δηλαδή, ένα ένζυμο που υδρολύει το ATP). Δεδομένου ότι αυτή η πρωτεΐνη πραγματοποιεί τη μεταφορά νατρίου και καλίου και, επιπλέον, έχει δραστηριότητα ΑΤΡάσης, ονομάζεται «ΑΤΡάση νατρίου-καλίου».

Εικ.1 Αντλία νατρίου-καλίου.

Απλοποιημένηδράσηνάτριο-κάλιοαντλίαΜπορώπαρουσιάζωΕπόμενοτρόπος.

1. Τα ιόντα ATP και νατρίου εισέρχονται στο μόριο της πρωτεΐνης φορέα από το εσωτερικό της μεμβράνης και τα ιόντα καλίου από το εξωτερικό.

2. Το μόριο-φορέας υδρολύει ένα μόριο ΑΤΡ.

3. Με τη συμμετοχή τριών ιόντων νατρίου, λόγω της ενέργειας του ΑΤΡ, ένα υπόλειμμα φωσφορικού οξέος προσκολλάται στον φορέα (φωσφορυλίωση του φορέα). Αυτά τα τρία ιόντα νατρίου προσκολλώνται επίσης στον φορέα.

4. Ως αποτέλεσμα της προσθήκης ενός υπολείμματος φωσφορικού οξέος, το σχήμα του μορίου-φορέα (διαμόρφωση) αλλάζει έτσι ώστε τα ιόντα νατρίου να βρίσκονται στην άλλη πλευρά της μεμβράνης, ήδη έξω από το κύτταρο.

5. Τρία ιόντα νατρίου απελευθερώνονται στο εξωτερικό περιβάλλον, και αντί για αυτά, δύο ιόντα καλίου συνδυάζονται με έναν φωσφορυλιωμένο φορέα.

6. Η προσθήκη δύο ιόντων καλίου προκαλεί αποφωσφορυλίωση του φορέα - την επιστροφή ενός υπολείμματος φωσφορικού οξέος σε αυτά.

7. Η αποφωσφορυλίωση με τη σειρά της προκαλεί τη διαμόρφωση του φορέα έτσι ώστε τα ιόντα καλίου να βρίσκονται στην άλλη πλευρά της μεμβράνης, μέσα στο κύτταρο.

8. Ιόντα καλίου απελευθερώνονται μέσα στο κύτταρο και η όλη διαδικασία επαναλαμβάνεται.

Η σημασία της αντλίας νατρίου-καλίου για τη ζωή κάθε κυττάρου και του οργανισμού στο σύνολό του καθορίζεται από το γεγονός ότι η συνεχής άντληση νατρίου από το κύτταρο και η έγχυση καλίου σε αυτό είναι απαραίτητη για την εφαρμογή πολλών ζωτικών διαδικασιών: ωσμορύθμιση και διατήρηση του όγκου των κυττάρων, διατήρηση της διαφοράς δυναμικού και στις δύο πλευρές της μεμβράνης, διατήρηση ηλεκτρικής δραστηριότητας σε νευρικά και μυϊκά κύτταρα, για ενεργή μεταφορά άλλων ουσιών (σάκχαρα, αμινοξέα) μέσω των μεμβρανών. Μεγάλες ποσότητες καλίου απαιτούνται επίσης για τη σύνθεση πρωτεϊνών, τη γλυκόλυση, τη φωτοσύνθεση και άλλες διεργασίες. Περίπου το ένα τρίτο του συνόλου του ATP που καταναλώνεται από ένα ζωικό κύτταρο σε κατάσταση ηρεμίας δαπανάται ακριβώς για τη διατήρηση της λειτουργίας της αντλίας νατρίου-καλίου. Εάν οποιαδήποτε εξωτερική επίδραση καταστέλλει την κυτταρική αναπνοή, δηλ. σταματήσει την παροχή οξυγόνου και την παραγωγή ΑΤΡ, τότε η ιοντική σύνθεση του εσωτερικού περιεχομένου του κυττάρου θα αρχίσει να αλλάζει σταδιακά. Στο τέλος, θα έρθει σε ισορροπία με την ιοντική σύνθεση του περιβάλλοντος που περιβάλλει το κύτταρο. σε αυτή την περίπτωση επέρχεται θάνατος.

βιολογικόςρόλος

βιολογικό κάλιο νάτριο του αίματος

ΝΑΤΡΙΟ- το κύριο ιόν του εξωκυττάριου υγρού, περιέχει το 96% της συνολικής ποσότητας νατρίου στο σώμα (90-100 g). Η φυσιολογική συγκέντρωση του Na στο πλάσμα του αίματος είναι 135-145 mmol/l. διατηρείται με υψηλή ακρίβεια καθώς καθορίζει την οσμωτικότητα του πλάσματος και την ανταλλαγή νερού. Το επίπεδο του Na * στο αίμα ρυθμίζεται από ορμόνες: η ADH και η NHF συμβάλλουν στη μείωση της, η αλδοστερόνη - στην αύξηση. Η συνήθης ανθρώπινη πρόσληψη NaCl είναι 8-15 g/ημέρα, αν και η πραγματική ανάγκη του οργανισμού σε νάτριο είναι κάπως μικρότερη. Η περίσσεια Na" και το 01 απεκκρίνονται μέσω των νεφρών και των ιδρωτοποιών αδένων· απώλεια νατρίου μέσω των εντέρων μπορεί να παρατηρηθεί με διάρροια.

Το πιο σημαντικόβιολογικόςλειτουργίεςνάτριο:

1. Ο κύριος ρόλος στη διατήρηση της ωσμωτικότητας του πλάσματος του αίματος και του εξωκυττάριου υγρού γενικότερα.

2. Συμμετοχή (μαζί με κάλιο) στην εμφάνιση ηλεκτροχημικού δυναμικού στις πλασματικές μεμβράνες των κυττάρων, διασφαλίζοντας τη διεγερσιμότητα και τη μεταφορά τους στη μεμβράνη.

3. Σταθεροποίηση μορίων πρωτεΐνης και ενζύμου, εξασφαλίζοντας τη ροή ενός αριθμού ενζυματικών αντιδράσεων.

ΚΑΛΙΟ- το κύριο ενδοκυτταρικό κατιόν. στον εξωκυττάριο χώρο είναι 20-40 φορές λιγότερο. Μια σημαντική ποσότητα καλίου βρίσκεται στον μυϊκό ιστό. η περιεκτικότητα σε CG στο πλάσμα του αίματος είναι 3,5-5,0 mmol / l. Το κάλιο είναι πλούσιο σε κρέας, φρούτα και λαχανικά. η ημερήσια απαίτηση για αυτό είναι 2-4 γρ.

Οι ορμόνες συμβάλλουν στη μείωση του επιπέδου του K + στο πλάσμα: η ινσουλίνη το αναγκάζει να περάσει στα κύτταρα μαζί με τη γλυκόζη, η αλδοστερόνη αυξάνει την απέκκριση του καλίου μέσω των νεφρών. Η συγκέντρωση του K + στο αίμα μπορεί να αυξηθεί με τον κυτταρικό θάνατο, τη «διαρροή» του ιόντος μέσω κατεστραμμένων βιομεμβρανών ή ως αποτέλεσμα δυσλειτουργίας της αντλίας νατρίου-καλίου (ανεπάρκεια κυτταρικής ενέργειας).

Κύριοςβιολογικόςλειτουργίεςκάλιο:

1. Διασφάλιση της βιοηλεκτρικής δραστηριότητας των κυττάρων (διαμόρφωση του δυναμικού ηρεμίας, διασφάλιση νευρομυϊκής διεγερσιμότητας και αγωγιμότητας).

2. Διατήρηση της ωσμωτικότητας του ενδοκυτταρικού περιεχομένου.

3. Συμμετοχή σε μια σειρά από ενζυματικές αντιδράσεις, συμπεριλαμβανομένης της πρωτεϊνοσύνθεσης.

4. Οι αλλαγές στο επίπεδο του καλίου στο αίμα οδηγούν σε έντονες βιολογικές αντιδράσεις: μείωση (υποκαλιαιμία) - σε μυϊκή αδυναμία και διεγερσιμότητα του μυοκαρδίου (αρρυθμίες, εξωσυστολές), ηλικία (υπερκαλιαιμία) - σε μυϊκούς σπασμούς και μείωση της διεγερσιμότητας , σε σοβαρές περιπτώσεις - καρδιακή ανακοπή) .

Μεταχειρισμένοςβιβλιογραφία

1. http://meduniver.com/Medical/Biology/131.html

2. http://biohi.mybb.ru/viewtopic.php?id=67

3. Τ.Λ. Bogdanov "Εγχειρίδιο για υποψήφιους στα πανεπιστήμια"

Φιλοξενείται στο Allbest.ru

Παρόμοια Έγγραφα

Η πορεία των βιοχημικών διεργασιών, ο αιτιώδης μηχανισμός τους. Αντλία νατρίου-καλίου, ενέργεια υδρόλυσης ATP, αντλίες ασβεστίου, εναλλάκτης νατρίου-ασβεστίου. Λειτουργίες μεμβράνης, ηλεκτρικό δυναμικό του κυττάρου και των μορίων, ο ρόλος τους στις μεταβολικές διεργασίες.

περίληψη, προστέθηκε 24/10/2009


Διατήρηση της οσμωτικής πίεσης στα σωματικά υγρά και την ισορροπία του νερού. Επίδραση του νατρίου στον μεταβολισμό των πρωτεϊνών και συμμετοχή στη διαδικασία ενυδάτωσης. Νάτριο στα τρόφιμα. Συμπτώματα ανεπάρκειας νατρίου και καλίου. Φυτικές τροφές που περιέχουν κάλιο.

παρουσίαση, προστέθηκε 11/09/2014


Ταξινόμηση των ενζύμων, οι λειτουργίες τους. Συμβάσεις ονομασίας ενζύμων, δομή και μηχανισμός δράσης τους. Περιγραφή της κινητικής των ενζυματικών αντιδράσεων ενός υποστρώματος. Μοντέλα "κλειδί-κλείδωμα", επαγόμενη αλληλογραφία. Τροποποιήσεις, ενζυμικοί συμπαράγοντες.

παρουσίαση, προστέθηκε 17/10/2012


Η έννοια του δυναμικού μεμβράνης ισορροπίας. Μηχανισμοί διέλευσης ιόντων μέσω της επιφανειακής μεμβράνης του κυττάρου. Η αρχή λειτουργίας της αντλίας νατρίου-καλίου. Χαρακτηριστικά γνωρίσματα των καναλιών ιόντων με πύλη τάσης και πύλης υποδοχέα. Τρόποι ενεργοποίησής τους.

περίληψη, προστέθηκε 19/08/2015


Χημική σύνθεση, φύση και δομή πρωτεϊνών. Ο μηχανισμός δράσης των ενζύμων, τύποι ενεργοποίησης και αναστολής τους. Σύγχρονη ταξινόμηση και ονοματολογία ενζύμων και βιταμινών. Ο μηχανισμός της βιολογικής οξείδωσης, η κύρια αλυσίδα των αναπνευστικών ενζύμων.

cheat sheet, προστέθηκε 20/06/2013


Ο βιολογικός ρόλος των ιόντων νατρίου και καλίου στη διαδικασία της συστολής των μυών και στη διατήρηση της υδατικής ισορροπίας του σώματος. Επίδραση της θερμοκρασίας, των ενεργοποιητών και των αναστολέων στη δραστηριότητα των ενζύμων. Η φάση της υπεραντιστάθμισης των ουσιών, οι κύριες αιτίες εμφάνισής της.

δοκιμή, προστέθηκε στις 25/11/2014


δυναμικό δράσης ασβεστίου. Περιγραφή των διαδικασιών ενεργοποίησης και απενεργοποίησης καναλιών. Συμβολή ανοιχτών διαύλων καλίου στην επαναπόλωση. Αποτελέσματα πειραμάτων στον άξονα καλαμαριού με πιθανή στερέωση. Ο ρόλος του ασβεστίου και του νατρίου στη διέγερση της κυτταρικής μεμβράνης.

εργασίες ελέγχου, προστέθηκε 26/10/2009


Γενικά χαρακτηριστικά και κύριοι τύποι ενζύμων. Χημικές ιδιότητες των ενζύμων και οι αντιδράσεις που καταλύουν. Επιλεκτικότητα και αποτελεσματικότητα των ενζύμων. Εξάρτηση από τη θερμοκρασία και το μέσο διάλυμα. Η ενεργή θέση του ενζύμου. Ο ρυθμός των ενζυματικών αντιδράσεων.

παρουσίαση, προστέθηκε 10/06/2014


Συνθήκες για τη διατήρηση σταθερής θερμοκρασίας σώματος. Οι αντανακλαστικοί μηχανισμοί και μέθοδοι θερμορύθμισης του. Ο ιδρώτας είναι ένα υδαρές υγρό που περιέχει χλωριούχο νάτριο, γαλακτικό νάτριο και ουρία. Ο ρόλος της θερμομόνωσης μεταξύ της εσωτερικής περιοχής του σώματος και του περιβάλλοντος.

παρουσίαση, προστέθηκε 31/01/2015


Κινητικές μελέτες ενζυματικών αντιδράσεων για τον προσδιορισμό των ενζύμων και τη σύγκριση των ρυθμών τους. Ο σχηματισμός συμπλόκου ενζύμου-υποστρώματος από ένζυμο και υπόστρωμα λόγω των δυνάμεων της φυσικής φύσης. Προαιρετικοί οργανισμοί, αυτότροφοι και ετερότροφοι.

Διάλεξη Νο 14

Ο όρος «βιολογικές αντλίες» έχει καθιερωθεί στη βιβλιογραφία από τον 19ο αιώνα. Εμφανίστηκε ακόμη και πριν από την εμφάνιση της άποψης της βιομεμβράνης ως το πιο σημαντικό λειτουργικό συστατικό του κυττάρου. Αρχικά, οι βιολογικές αντλίες θεωρήθηκαν ορισμένοι άγνωστοι μηχανισμοί που εξασφαλίζουν μεταφορά μάζας στο σώμα σε αντίθεση με τους στοιχειώδεις νόμους της φυσικής και της χημείας.

Στα μέσα του XIX αιώνα. Μετά τις λαμπρές επιτυχίες της φυσικοχημικής μελέτης της ζωής, εμφανίστηκαν γεγονότα που δείχνουν ότι η απορρόφηση ουσιών στο πεπτικό σύστημα, η ούρηση και η έκκριση λέμφου περιορίζονται μόνο εν μέρει στις διαδικασίες διήθησης και διάχυσης.

Αργότερα, οι επιστήμονες διευθέτησαν πολλές από τις παρεξηγήσεις της πρωτόγονης εφαρμογής των νόμων της φυσικής και της χημείας για να εξηγήσουν τα φαινόμενα της ζωής. Ωστόσο, ο όρος «βιολογικές αντλίες» ζει στη βιολογία. Τα τελευταία χρόνια, οι αντλίες ιόντων συχνά ταυτίζονται με αυτές - συστήματα ενεργού μεταφοράς Na + , K + , Ca 2+ , H + (αντλίες νατρίου-καλίου, ασβεστίου, πρωτονίων).

ενεργή μεταφορά.Η ενεργή μεταφορά είναι μια διαμεμβρανική μεταφορά ουσιών προς την αντίθετη κατεύθυνση από τη μεταφορά, η οποία θα έπρεπε να έχει συμβεί υπό τη δράση φυσικοχημικών διαβαθμίσεων (κυρίως συγκέντρωσης και ηλεκτρικής). Κατευθύνεται προς υψηλότερο ηλεκτροχημικό δυναμικό και είναι απαραίτητο τόσο για τη συσσώρευση σε κύτταρα (ή ορισμένα οργανίδια) των ουσιών που χρειάζονται, ακόμη και από περιβάλλον με χαμηλή συγκέντρωση, όσο και για την απομάκρυνση από τα κύτταρα (οργανίδια) εκείνων των παραγόντων των οποίων Το περιεχόμενο είναι εκεί, θα πρέπει να διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα, ακόμη και όταν αυξάνεται στο περιβάλλον.

Ιδιότητες ενεργών συστημάτων μεταφορών.Από τον ορισμό της ενεργητικής μεταφοράς, προκύπτει ότι η σημαντικότερη ιδιότητά της είναι μεταφορά ουσιών σε αντίθεση με τη δράση των φυσικοχημικών διαβαθμίσεων(σε αντίθεση με την εξίσωση ηλεκτροδιάχυσης Nernst–Planck), δηλαδή προς ένα υψηλότερο ηλεκτροχημικό δυναμικό λόγω της θερμοδυναμικής σύζευξης της συγκέντρωσης και των ηλεκτρικών βαθμίδων με τη δαπάνη της ελεύθερης ενέργειας του σώματος. Επομένως, το σύστημα των εξισώσεων μεταφοράς μοιάζει με αυτό:

Το χημικό δυναμικό (μ x) χαρακτηρίζει ποσοτικά τη συμβολή των ενζυματικών αντιδράσεων στην ελεύθερη ενέργεια της βιομεμβράνης, η οποία είναι απαραίτητη για να ξεπεραστεί η συζευγμένη δράση της συγκέντρωσης και των ηλεκτρικών βαθμίδων. Εάν οι αλλαγές στην ελεύθερη ενέργεια του κυττάρου, παρέχοντας ενεργή μεταφορά μέσω της μεμβράνης, οφείλονται σε μακροεργασίες (ATP), τότε σε αυτές τις εξισώσεις: v είναι ο αριθμός των γραμμομορίων ΑΤΡ που δαπανώνται για τη μεταφορά μάζας και το μ x είναι ίσο με το αύξηση της ελεύθερης ενέργειας του κυττάρου κατά την υδρόλυση 1 mol ATP (υπό τυπικές συνθήκες αυτό είναι 31,4 kJ mol -1).

Τα παραπάνω μας επιτρέπουν να διατυπώσουμε τη δεύτερη χαρακτηριστική ιδιότητα των ενεργών συστημάτων μεταφορών − την ανάγκη για ενεργειακό εφοδιασμό σε βάρος της δωρεάν ενέργειας,απελευθερώνεται είτε απευθείας κατά τη διάρκεια των οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων (μιλάμε για τη λεγόμενη αντλία οξειδοαναγωγής), είτε κατά την υδρόλυση μακροεργασιών που συντίθενται για μελλοντική χρήση στις ίδιες αντιδράσεις. Πρέπει να τονιστεί ότι η ελεύθερη ενέργεια που παρέχει ενεργή μεταφορά αντλείται από τις βιομεμβράνες κατά τη διάρκεια χημικών διεργασιών που σχετίζονται άμεσα με τη μεταφορά ουσιών μέσω αυτών, δηλαδή από χημικές αντιδράσεις στις οποίες συμμετέχουν τα ίδια τα συστατικά της μεμβράνης των ενεργών συστημάτων μεταφοράς. Αυτή είναι η θεμελιώδης διαφορά μεταξύ της ενεργού μεταφοράς και άλλων μεθόδων μεταφοράς ουσιών μέσω ΒΜ, οι οποίες απαιτούν επίσης δωρεάν ενέργεια.

Δωρεάν ενέργεια ( ∆G) που δαπανάται για τη διαμεμβρανική μεταφορά ενός mol μιας ουσίας προς την κατεύθυνση ενός υψηλότερου ηλεκτροχημικού δυναμικού,

υπολογίζεται με τον τύπο:

Σε ένα άτομο σε κατάσταση ηρεμίας, περίπου το 30-40% όλης της ενέργειας που παράγεται κατά τις μεταβολικές διεργασίες δαπανάται για ενεργή μεταφορά. Σε ορισμένες περιπτώσεις, σχεδόν όλη η ελεύθερη ενέργεια που παράγεται από το κύτταρο μπορεί να δαπανηθεί για την παροχή του. Οι ιστοί στους οποίους η ενεργή μεταφορά είναι ιδιαίτερα έντονη καταναλώνουν πολύ οξυγόνο ακόμα και σε ηρεμία. Για παράδειγμα, η μάζα του ανθρώπινου εγκεφάλου είναι μόνο το 1/50 της μάζας του σώματος, αλλά υπό συνθήκες μυϊκής ανάπαυσης, οι εγκεφαλικοί ιστοί απορροφούν περίπου 1 / 5 όλο το οξυγόνο που προσλαμβάνεται από το σώμα. Η συνολική ισχύς όλων των αντλιών ιόντων στον ανθρώπινο εγκέφαλο είναι περίπου 1 watt. Τα νεφρά, όταν αναστέλλεται η μεταφορά ενεργών ιόντων σε αυτά, μειώνουν τη ζήτηση οξυγόνου κατά 70-80%.

Η τρίτη ιδιότητα των ενεργών συστημάτων μεταφορών είναι η δική τους συγκεκριμένα:καθένα από αυτά εξασφαλίζει τη μεταφορά μέσω ΒΜ μόνο μιας δεδομένης ουσίας (ή μιας ομάδας από αυτές) και δεν μεταφέρει άλλες. Είναι αλήθεια ότι η ενεργός μεταφορά ιόντων νατρίου συνοδεύεται από παθητική μεταφορά προς την ίδια κατεύθυνση άλλων ουσιών (για παράδειγμα, γλυκόζη, ορισμένα αμινοξέα κ.λπ.). Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται συμπορ.Ορισμένα ενεργά συστήματα μεταφοράς μεταφέρουν μια ουσία σε μια δεδομένη κατεύθυνση και μια άλλη στην αντίθετη κατεύθυνση. Έτσι, η αντλία καλίου-νατρίου αντλεί κάλιο από το μεσοκυτταρικό μέσο στο κυτταρόπλασμα και αντλεί νάτριο έξω από το κύτταρο. Αυτό το είδος μεταφοράς ονομάζεται antiport.

Όταν αυτά τα ιόντα αρχίζουν να κινούνται μέσω του BM προς ένα χαμηλότερο ηλεκτροχημικό δυναμικό, η αντλία νατρίου-καλίου γίνεται γεννήτρια ATP. Αυτό το φαινόμενο έχει ονομαστεί επίδραση αντιστροφής ενεργών συστημάτων μεταφορών:αντλώντας ιόντα προς την κατεύθυνση ενός υψηλότερου ηλεκτροχημικού δυναμικού, οι αντλίες ξοδεύουν ελεύθερη ενέργεια, υδρολύοντας το ATP, ενώ όταν τα ιόντα κινούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση, μετατρέπουν την ενέργεια των βαθμίδων σε ενέργεια του δεσμού υψηλής ενέργειας του ATP, συνθέτοντας το από ADP. Η εξειδίκευση των ενεργών συστημάτων μεταφοράς είναι ένας από τους πιο αποτελεσματικούς μηχανισμούς για την επιλεκτική διαπερατότητα των κυτταρικών μεμβρανών και την παροχή ιδιοτήτων φορέα σε αυτές.

Στοιχεία ενεργών συστημάτων μεταφορών.Ως μέρος οποιουδήποτε συστήματος ενεργού μεταφοράς ουσιών μέσω ΒΜ, μπορούν να διακριθούν τρία κύρια συστατικά: μια πηγή ελεύθερης ενέργειας, ένας φορέας μιας δεδομένης ουσίας και ένας συζευκτικός (ρυθμιστικός) παράγοντας. Ο τελευταίος συνδυάζει το έργο του μεταφορέα με μια πηγή ενέργειας. Όλα τα συστατικά των ενεργών συστημάτων μεταφοράς σχηματίζουν ένα πολύπλοκο μοριακό σύμπλεγμα στην κυτταρική μεμβράνη.

Στα περισσότερα γνωστά ενεργά συστήματα μεταφορών, απευθείας πηγήΗ ελεύθερη ενέργεια είναι ATP. Λόγω της προσάρτησης της τερματικής φωσφορικής ομάδας του, που προηγουμένως αποσχίστηκε κατά την υδρόλυση, στον φορέα μεμβράνης, ο τελευταίος φωσφορυλιώνεται και αποκτά πρόσθετη ενέργεια επαρκή για να υπερνικήσει τις φυσικοχημικές διαβαθμίσεις που εμποδίζουν την κίνηση της μεταφερόμενης ουσίας. Ως εκ τούτου, το φωσφορυλιωμένο σύμπλεγμα του μεταφορέα με τη μεταφερόμενη ουσία είναι σε θέση να ξεπεράσει το δυνητικό φράγμα, απόρθητο γι 'αυτό πριν από τη φωσφορυλίωση. Με τη δωρεά της μεταφερόμενης ουσίας στην αντίθετη πλευρά του ΒΜ, τα μόρια-φορείς αποφωσφορυλιώνονται και χάνουν ενέργεια.

Πιο σπάνια, η ελεύθερη ενέργεια αντλείται από ενεργά συστήματα μεταφοράς απευθείας από αντιδράσεις οξειδοαναγωγής, δηλ. από την αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Ένα ενεργό σύστημα μεταφοράς με μια τέτοια πηγή ενέργειας ονομάζεται οξειδοαναγωγική πομπή.Ένα παράδειγμα είναι η μεταφορά ιόντων Η+ μέσω της εσωτερικής μεμβράνης των μιτοχονδρίων, η οποία παρέχει τη δημιουργία μιας πρωτονιοκινητήριας δύναμης κατά την κυτταρική αναπνοή.

Σχετικά με τους μεταφορείςπαρέχοντας ενεργή μεταφορά, λίγα είναι γνωστά μέχρι στιγμής. Προφανώς, σε διαφορετικά συστήματα ενεργητικής μεταφοράς, το έργο των μεταφορέων πραγματοποιείται μέσω διαφόρων μηχανισμών. Πρώτον, σχετικά μικρά μόρια πρωτεΐνης που υπάρχουν στο BM μπορούν να είναι φορείς. Σε αυτή την περίπτωση, το μόριο φορέας, έχοντας λάβει τη μεταφερόμενη ουσία, διέρχεται από όλο το πάχος της βιομεμβράνης, λειτουργώντας σαν ένα μικρό ή μεγάλο καρουζέλ. Δεύτερον, μεγάλα μόρια μεμβρανικών πρωτεϊνών που διεισδύουν στη διπλοστιβάδα φωσφολιπιδίων μπορούν να χρησιμεύσουν ως φορείς. Μάλλον έχουν μηχανισμούς όπως περιστροφή ή διάτμηση .

Το τρίτο συστατικό του ενεργού συστήματος μεταφορών παρέχει σύζευξηεργασία ενός μεταφορέα με πηγή ενέργειας. Μια τέτοια σύζευξη μπορεί να συνίσταται στη μεταφορά μιας φωσφορικής ομάδας από το ΑΤΡ σε έναν φορέα. Για να φωσφορυλιωθεί ο μεταφορέας, το ATP πρέπει πρώτα να υδρολυθεί. Η υδρόλυση του ΑΤΡ είναι αρκετά αποτελεσματική μόνο με την παρουσία ειδικών ενζύμων που ονομάζονται ΑΤΡάσες. Χρησιμεύουν ως παράγοντας που συνδέει το έργο του φορέα με την πηγή ενέργειας στα κύρια ενεργά συστήματα μεταφοράς (αντλίες νατρίου-καλίου και ασβεστίου). Το όνομα αυτού του ενζυμικού συστήματος χρησιμοποιείται στον πληθυντικό όχι τυχαία. Για την ενεργό μεταφορά κάθε ουσίας σε περιπτώσεις όπου η πηγή ενέργειας είναι το ATP, έχει βρεθεί μια συγκεκριμένη ATPase. Κάθε μία από τις μεταφορικές ΑΤΡάσες ενεργοποιείται από την ουσία της οποίας η ενεργή μεταφορά παρέχει. Για παράδειγμα, η ενεργοποιημένη με Ca ATPάση γίνεται ενεργή μόνο όταν η συγκέντρωση του Ca 2+ στον χώρο της μεμβράνης φτάσει σε ένα ορισμένο επίπεδο, το οποίο απαιτεί ενεργή μεταφορά αυτού του ιόντος.

Όλες οι μεταφορικές ΑΤΡάσες συνδέονται με κυτταρικές μεμβράνες και παρουσιάζουν υψηλή ειδικότητα, καταλυτικές αντιδράσεις, η πορεία των οποίων εξαρτάται αυστηρά από την κατεύθυνση προσέγγισης στη ΒΜ των μεταφερόμενων ουσιών. Έτσι, η ενεργοποιημένη από Na-K ATPase γίνεται ενεργή όταν το νάτριο αλληλεπιδρά με αυτό μέσα στο κύτταρο και το κάλιο - έξω. Δεν ενεργοποιείται στις υψηλότερες συγκεντρώσεις νατρίου στο μεσοκυττάριο μέσο και καλίου στο κυτταρόπλασμα.

Εξάρτηση ροής ( φά) της ουσίας που μεταφέρεται μέσω της κυτταρικής μεμβράνης στις συγκεντρώσεις της και στις δύο πλευρές της (Γ Εγώκαι Γ ε) με τη συμμετοχή της μεταφορικής ΑΤΡάσης περιγράφεται από την εξίσωση.

Το χλωριούχο νάτριο είναι απολύτως απαραίτητο για τον οργανισμό. Σύμφωνα με τις μελέτες του ακαδημαϊκού Pokrovsky, η βέλτιστη δόση επιτραπέζιου αλατιού είναι 10-15 γραμμάρια την ημέρα. Εξετάστε την αξία του επιτραπέζιου αλατιού σε κυτταρικό επίπεδο. Το κυτταρικό τοίχωμα είναι μια ημιπερατή μεμβράνη που διαχωρίζει διαλύματα διαφορετικών συγκεντρώσεων: το περιεχόμενο του κυττάρου και τη μεσοκυτταρική ουσία. Οι μεμβράνες είναι πολύπλοκες βιολογικές δομές που αποτελούνται από πρωτεΐνες και ουσίες που μοιάζουν με λίπος. Αφήνουν θρεπτικά συστατικά στο κύτταρο και εκκρίνουν τα απόβλητα.

Οι μεμβράνες βρίσκονται σε συνεχή κίνηση, πάλλονται και ανανεώνονται. Η διαδικασία ανταλλαγής μεταξύ του κυττάρου και της μεσοκυτταρικής ουσίας βασίζεται στο φαινόμενο της όσμωσης. Η μεμβράνη εξισώνει τη συγκέντρωση των ουσιών και στις δύο πλευρές. Και δεδομένου ότι τα σωματίδια μιας διαλυμένης ουσίας μπορεί να είναι ιόντα, μεταφέρουν επίσης ηλεκτρικά φορτία. Από αυτή την άποψη, η διάχυση μέσω της μεμβράνης εξαρτάται όχι μόνο από τη διαφορά συγκέντρωσης, αλλά και από τη διαφορά δυναμικού. Τα ιόντα χλωρίου Cl-- διέρχονται πιο εύκολα σε λιγότερο συμπυκνωμένο διάλυμα και η παρουσία τους δημιουργεί αρνητικό φορτίο. Τα ιόντα νατρίου διαχέονται πιο αδύναμα, γιατί. έχουν παχύ κέλυφος ενυδάτωσης και δημιουργούν θετικό φορτίο σε σημεία συσσώρευσης. Αυτό δημιουργεί μια διαφορά δυναμικού.

Γι' αυτό αλατίζουμε την τροφή μας για να τροφοδοτήσουμε τον οργανισμό με θετικά και αρνητικά ιόντα. Τα ιόντα χλωρίου είναι απαραίτητα για το σχηματισμό του υδροχλωρικού οξέος, το οποίο είναι μέρος του γαστρικού υγρού και συμμετέχει στη διαδικασία της πέψης. Ωστόσο, αυτές οι διαδικασίες είναι πιο περίπλοκες και περιέχουν γρίφους που δεν είναι εύκολο να λυθούν.

Στους ζωντανούς οργανισμούς, η περιεκτικότητα σε ιόντα καλίου K + είναι σημαντική ανά στοιχείο καλίου στο ανθρώπινο σώμα είναι 140 γραμμάρια και νάτριο είναι 100 γραμμάρια. ιόντα καλίου K + και νατρίου Na + παίρνουν τις θέσεις τους μέσα στο σώμα. Υπάρχουν πολύ περισσότερα ιόντα καλίου μέσα στα κύτταρα (για παράδειγμα, υπάρχει 15 φορές περισσότερο κάλιο στα ερυθρά αιμοσφαίρια από το νάτριο και 20 φορές λιγότερο στο πλάσμα του αίματος), επομένως το αίμα είναι αλμυρό. Τα ιόντα νατρίου, που έχουν ένα παχύ ενυδατωμένο κέλυφος, είναι πιο δύσκολο να περάσουν από την κυτταρική μεμβράνη. Η διαφορετική περιεκτικότητα σε K + και Na + στο κύτταρο και στον μεσοκυττάριο χώρο δημιουργεί μια διαφορά δυναμικού, προάγει την κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων μέσω των κυτταρικών μεμβρανών. Υπάρχει μια λεγόμενη αντλία καλίου - νατρίου, η οποία προωθεί τη μεταφορά ιόντων. Η ενέργεια για αυτή τη διαδικασία παρέχεται από το τριφωσφορικό οξύ αδενοσίνης (ATP για συντομία). Η διαδικασία μετάβασης διαφόρων ουσιών μέσω των κυτταρικών μεμβρανών είναι πολύ γρήγορη και η διαδικασία όσμωσης της διαφοράς δυναμικού δεν μπορεί να προσφέρει τέτοια ταχύτητα.

Έχει βρεθεί ότι υπάρχουν ουσίες ικανές να μεταφέρουν ιόντα στις κυτταρικές μεμβράνες. Η πρώτη τέτοια ουσία ανακαλύφθηκε το 1955 από τους Γερμανούς ερευνητές Brockmann και Schmidt-Kastner και το 1964 ο Αμερικανός επιστήμονας Pressman διαπίστωσε ότι αυτή η ουσία έχει την ικανότητα να σχηματίζει σύμπλοκα με ιόντα μετάλλων αλκαλίων και να αυξάνει την ικανότητά τους να περνούν μέσα από μεμβράνες. Οι φορείς αλκαλιμετάλλων ονομάζονται ιονοφόροι. Το πρώτο ιονοφόρο, όπως προαναφέρθηκε, ήταν η βαλινομυκίνη. Περαιτέρω, ελήφθησαν άλλα ιονοφόρα. Έχουν πρωτεϊνική δομή. Έχουν υψηλή βιολογική δομή. Χάρη σε αυτά, η διαδικασία διέλευσης από την κυτταρική μεμβράνη ιόντων και μορίων προχωρά πολύ γρήγορα.

Για ερευνητικές εργασίες στον τομέα της μεταφοράς ιόντων μέσω μεμβρανών, οι επιστήμονές μας Yu. A. Ovchinnikov και V. T. Ivanov τιμήθηκαν με το Βραβείο Λένιν το 1978. Επίσης, αυτές οι ουσίες χρησιμοποιούνται ως φάρμακα. Για παράδειγμα. Βαλινομυκίνη, γραμμικιδίνη, αντιμανίδη.

Η αντλία νατρίου-καλίου αποτελεί τη βάση της μετάδοσης των νευρικών ερεθισμάτων. Η μετάδοση του νευρικού ερεθισμού συμβαίνει λόγω των νευρικών κυττάρων - νευρώνων. Η μακρά διαδικασία ενός νευρικού κυττάρου ονομάζεται άξονας και χρησιμεύει ως αγωγός σημάτων για το όργανο με το οποίο συνδέεται. Ο άξονας είναι σαν ένας σωλήνας που περιέχει υγρό και είναι ο ίδιος βυθισμένος σε υγρό. Και τα δύο αυτά υγρά περιέχουν διαλυμένα άλατα και επομένως μεταφέρουν καλά τον ηλεκτρισμό.

Το υγρό που περιβάλλει τον άξονα περιέχει ιόντα Na + και Cl--. Στο ρευστό μέσα στον άξονα, υπάρχουν κατιόντα K + και ανιόντα οργανικής προέλευσης. Αυτός ο σχεδιασμός του αγωγού είναι κατώτερος από τον μεταλλικό, αλλά για τους ζωντανούς οργανισμούς είναι αρκετά επαρκής. Το νευρικό κύτταρο βρίσκεται σε ηρεμία, μέσα του υπάρχει ένα αρνητικό φορτίο - το δυναμικό ηρεμίας. Μόλις το νευρικό κύτταρο λάβει ένα σήμα διέγερσης, η αγωγιμότητα της μεμβράνης για κάλιο και νάτριο αυξάνεται δραματικά. Το δυναμικό κυψέλης πέφτει στο 0 και στη συνέχεια αυξάνεται σε μια θετική τιμή +50 mV. Η αλλαγή του δυναμικού οφείλεται στο γεγονός ότι τα ιόντα νατρίου εισέρχονται στο κύτταρο και τα ιόντα καλίου βγαίνουν έξω. Μια αλλαγή στις συγκεντρώσεις τους προκαλεί αλλαγή στο δυναμικό. Αυτή είναι η έννοια της μετάδοσης νευρικών παλμών. Αυτές οι παρορμήσεις διέπουν τις πράξεις μας.

Το Na + και το K + έχουν μεγάλη σημασία στην εγκεφαλική δραστηριότητα. Η μνήμη μας είναι δύο ειδών: η μακροπρόθεσμη και η βραχυπρόθεσμη. Σύμφωνα με την υπάρχουσα υπόθεση, ο μηχανισμός της βραχυπρόθεσμης μνήμης έχει ιοντικό χαρακτήρα. Οι ιοντικοί δεσμοί είναι εύθραυστοι, μπορούν να σπάσουν γρήγορα - γι' αυτό η μνήμη είναι μικρή. Σε αυτούς τους δεσμούς, η κύρια θέση δίνεται στις ενώσεις του καλίου και του νατρίου.

Η μακροπρόθεσμη μνήμη συνδέεται με το σχηματισμό ισχυρότερων δομών.

Η αντλία νατρίου είναι ο μηχανισμός που αφαιρεί τα ιόντα νατρίου που εισέρχονται παθητικά στο κύτταρο από το κύτταρο προς την κατεύθυνση της συγκέντρωσης και των ηλεκτρικών βαθμίδων. Η ύπαρξη της αντλίας νατρίου αποδεικνύεται χρησιμοποιώντας ραδιενεργά ισότοπα ιόντων νατρίου. Με την ταχεία ψύξη των νευρικών κυττάρων στους 0,5 βαθμούς C, η παραγωγή ιόντων νατρίου μειώνεται κατά 10 φορές, όταν η θερμοκρασία επανέλθει στο αρχικό της επίπεδο, η παραγωγή ιόντων νατρίου αυξάνεται επίσης στο φυσιολογικό. Μια τέτοια εξάρτηση από τη θερμοκρασία δείχνει ότι η απελευθέρωση ιόντων δεν μπορεί να οφείλεται στη διάχυση, καθώς ο ρυθμός διάχυσης μειώνεται ελαφρώς κατά την ψύξη.

Η δινιτροφαινόλη (μια ουσία που εμποδίζει τις μεταβολικές διεργασίες παροχής ενέργειας στο κύτταρο) μειώνει επίσης την απελευθέρωση ιόντων νατρίου, γεγονός που αποδεικνύει ότι απομακρύνονται από το κύτταρο μέσω ενεργού μεταφοράς. Η ενεργή μεταφορά ιόντων νατρίου από το κύτταρο έχει ένα συστατικό που σχετίζεται με την είσοδο ιόντων καλίου στο κύτταρο, γεγονός που εξοικονομεί ενέργεια. Στην εσωτερική πλευρά της μεμβράνης, το ιόν νατρίου σχηματίζει το μόριο NaY με τον φορέα Υ, το οποίο διαχέεται μέσω της μεμβράνης και αποσυντίθεται αυθόρμητα στην εξωτερική πλευρά της. Το μόριο Υ μετατρέπεται σε μόριο Χ, το οποίο συνδέεται με ιόντα καλίου K+ στο εξωτερικό διάλυμα. Η προκύπτουσα ένωση ΚΧ διαχέεται μέσω της μεμβράνης, αποσυντίθεται στην εσωτερική της πλευρά σε Κ + και Χ. Μέσα στο κύτταρο, το μόριο Χ μετατρέπεται σε μόριο Υ χρησιμοποιώντας την ενέργεια της διάσπασης του ΑΤΡ. Η σύζευξη του Χ και του Κ+ εξοικονομεί τη μισή ενέργεια που θα απαιτούνταν για τη μη συζευγμένη μεταφορά ιόντων νατρίου Na+. Η ύπαρξη συζευγμένης αντλίας Na+ - K+ αποδεικνύεται με την αφαίρεση του K+ από το εξωτερικό διάλυμα. Τότε το σύμπλεγμα KX δεν μπορεί να σχηματιστεί στην εξωτερική πλευρά της μεμβράνης και η έξοδος Na + μειώνεται στο 30% του κανονικού επιπέδου. Η αντλία νατρίου μπορεί να είναι ηλεκτρικά ουδέτερη ή ηλεκτρογονική. Τυπικά, το σύμπλεγμα NaY είναι ηλεκτρικά ουδέτερο, επομένως δεν υπάρχει ροή ηλεκτρικών φορτίων κατά μήκος της μεμβράνης κατά τη μεταφορά· μια τέτοια ηλεκτρικά ουδέτερη αντλία νατρίου δεν επηρεάζει το δυναμικό της μεμβράνης. Επιπλέον, υπάρχουν

Αυτή είναι μια ειδική πρωτεΐνη που διεισδύει σε όλο το πάχος της μεμβράνης, η οποία αντλεί συνεχώς ιόντα καλίου στο κύτταρο, ενώ αντλεί ιόντα νατρίου έξω από αυτό. Σε αυτή την περίπτωση, η κίνηση και των δύο ιόντων συμβαίνει ενάντια στις βαθμίδες των συγκεντρώσεών τους. Η εκτέλεση αυτών των λειτουργιών είναι δυνατή λόγω δύο σημαντικών ιδιοτήτων αυτής της πρωτεΐνης. Πρώτον, το σχήμα του μορίου φορέα μπορεί να αλλάξει. Αυτές οι αλλαγές συμβαίνουν ως αποτέλεσμα της προσκόλλησης μιας φωσφορικής ομάδας στο μόριο-φορέα λόγω της ενέργειας που απελευθερώνεται κατά την υδρόλυση του ΑΤΡ (δηλαδή, της αποσύνθεσης του ΑΤΡ σε ADP και ενός υπολείμματος φωσφορικού οξέος). Δεύτερον, αυτή η ίδια η πρωτεΐνη δρα ως ATPase (δηλαδή, ένα ένζυμο που υδρολύει το ATP). Δεδομένου ότι αυτή η πρωτεΐνη μεταφέρει νάτριο και κάλιο και, επιπλέον, έχει δραστηριότητα ΑΤΡάσης, ονομάζεται «ΑΤΡάση νατρίου-καλίου».

Απλώς, η δράση της αντλίας νατρίου-καλίου μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής.

1. Από το εσωτερικό της μεμβράνης, τα ιόντα ATP και νατρίου εισέρχονται στο μόριο της πρωτεΐνης φορέα και από το εξωτερικό - ιόντα καλίου.

2. Το μόριο-φορέας υδρολύει ένα μόριο ΑΤΡ.

3. Με τη συμμετοχή τριών ιόντων νατρίου, λόγω της ενέργειας του ΑΤΡ, ένα υπόλειμμα φωσφορικού οξέος προσκολλάται στον φορέα (φωσφορυλίωση του φορέα). Αυτά τα τρία ιόντα νατρίου προσκολλώνται επίσης στον φορέα.

4. Ως αποτέλεσμα της προσθήκης ενός υπολείμματος φωσφορικού οξέος, το σχήμα του μορίου-φορέα (διαμόρφωση) αλλάζει έτσι ώστε τα ιόντα νατρίου να βρίσκονται στην άλλη πλευρά της μεμβράνης, ήδη έξω από το κύτταρο.

5. Τρία ιόντα νατρίου απελευθερώνονται στο εξωτερικό περιβάλλον, και αντί για αυτά, δύο ιόντα καλίου συνδυάζονται με έναν φωσφορυλιωμένο φορέα.

6. Η προσθήκη δύο ιόντων καλίου προκαλεί αποφωσφορυλίωση του φορέα - την επιστροφή ενός υπολείμματος φωσφορικού οξέος σε αυτά.

7. Η αποφωσφορυλίωση με τη σειρά της προκαλεί τη διαμόρφωση του φορέα έτσι ώστε τα ιόντα καλίου να βρίσκονται στην άλλη πλευρά της μεμβράνης, μέσα στο κύτταρο.

8. Ιόντα καλίου απελευθερώνονται μέσα στο κύτταρο και η όλη διαδικασία επαναλαμβάνεται.

Η σημασία της αντλίας νατρίου-καλίου για τη ζωή κάθε κυττάρου και του οργανισμού στο σύνολό του καθορίζεται από το γεγονός ότι η συνεχής άντληση νατρίου από το κύτταρο και η έγχυση καλίου σε αυτό είναι απαραίτητη για την εφαρμογή πολλών ζωτικών διαδικασιών: ωσμορύθμιση και διατήρηση του όγκου των κυττάρων, διατήρηση της διαφοράς δυναμικού και στις δύο πλευρές της μεμβράνης, διατήρηση ηλεκτρικής δραστηριότητας σε νευρικά και μυϊκά κύτταρα, για ενεργή μεταφορά άλλων ουσιών (σάκχαρα, αμινοξέα) μέσω των μεμβρανών. Μεγάλες ποσότητες καλίου απαιτούνται επίσης για τη σύνθεση πρωτεϊνών, τη γλυκόλυση, τη φωτοσύνθεση και άλλες διεργασίες. Περίπου το ένα τρίτο του συνόλου του ATP που καταναλώνεται από ένα ζωικό κύτταρο σε κατάσταση ηρεμίας δαπανάται ακριβώς για τη διατήρηση της λειτουργίας της αντλίας νατρίου-καλίου. Εάν οποιαδήποτε εξωτερική επίδραση καταστέλλει την κυτταρική αναπνοή, δηλ. σταματήσει την παροχή οξυγόνου και την παραγωγή ΑΤΡ, τότε η ιοντική σύνθεση του εσωτερικού περιεχομένου του κυττάρου θα αρχίσει να αλλάζει σταδιακά. Στο τέλος, θα έρθει σε ισορροπία με την ιοντική σύνθεση του περιβάλλοντος που περιβάλλει το κύτταρο. σε αυτή την περίπτωση επέρχεται θάνατος.