Визуализация транспортных процессов в клеточных мембранах

Загрузка...

Мембраны играют ключевую роль как в структурной организации, так и в функционировании всех клеток прокариотических и эукариотических, растительных и животных. Мембраны формируют внутриклеточные компартменты, с их помощью происходит разделение содержимого компартментов и окружающей их среды. Мембраны не только разделяют клетку на отдельные компартменты, но и участвуют в регуляции всех связей и взаимодействий, которые осуществляются между наружной и внутренней сторонами этих компартментов. Это может проявляться в виде физического переноса ионов или молекул через мембрану или в форме передачи информации при помощи конформационных изменений, индуцируемых в мембранных компонентах. С мембранами связаны многие клеточные ферменты. Некоторые из них катализируют трансмембранные реакции, когда реагенты находятся по разные стороны мембраны или когда каталитический акт сопровождается транспортом молекул.  Ферменты образуют своеобразные комплексы, которые осуществляют цепь последовательных превращений, повышая эффективность всего процесса [1].

Благодаря транспортным системам клетки накапливают метаболиты, важные для обеспечения энергетического цикла и метаболических процессов, выводят в окружающую среду токсические вещества, а также создают разность потенциалов на мембране. В настоящее время очевидно, что все эти явления так или иначе определяются барьерными свойствами клеточных мембран. В зависимости от потребностей клетки транспорт веществ осуществляется или по или против концентрационного градиента. Способ проникновения через мембрану в значительной степени определяется свойствами вещества. Низкомолекулярные нейтральные вещества, такие, как газы,  вода, аммиак, глицерин и мочевина, свободно диффундируют через биомембраны. Однако с увеличением размера молекулы теряют эту способность. К примеру, клеточные мембраны непроницаемы для глюкозы и других сахаров. Проницаемость биомембран зависит также от полярности веществ. Неполярные вещества, такие, как бензол, этанол, диэтиловый эфир и многие наркотики, способны проникать в клетку в результате диффузии. Напротив,  для гидрофильных, особенно заряженных веществ, мембрана непроницаема. Однако во многих случаях именно такие вещества необходимы для функционирования клетки, поэтому в живых системах эволюционно сформировались специализированные транспортные системы для переноса таких веществ через мембрану.

Пассивный транспорт (пассивная или облегченная диффузия) происходит по направлению градиентов химического (электрохимического) потенциала, результатом  чего является уменьшение градиентов концентраций, если нет других процессов, которые обеспечивают их поддержание на постоянном уровне.

Активным транспортом называют процесс переноса веществ или ионов против их концентрационных градиентов, который, так или иначе, обеспечивается энергией метаболических процессов. Активный транспорт бывает первично активным и вторично активным. В случае ионного транспорта, обеспечиваемого транспортными АТФазами (их называют также ионными насосами), энергодающей стадией является гидролиз АТФ.В большинстве случаев источником энергии для первично-активного транспорта ионов является АТФ. Вот почему большинство ионных насосов одновременно являются ферментами, гидролизующими АТФ, – АТФазами.Na/K-АТФаза представляет собой сложный белок, встроенный в наружную мембрану клетки и имеющий центры связывания для ионов натрия и калия, а также активный центр, где осуществляются связывание и гидролиз АТФ.

Внутри клетки концентрация натрия почти в 10 раз меньше, хлорида (ионов хлора) — примерно в 5—10 раз меньше, а калия — примерно в 40 раз больше, чем в окружающей жидкости. Мембрана, толщина которой равна около 5 (нм), обладает высоким электрическим сопротивлением, малой и притом избирательной ионной проницаемостью и большой электроемкостью. Калий и хлор диффундируют через эту мембрану сравнительно легко, но ее проницаемость для натрия незначительна. Калий стремится просачиваться из клетки наружу, а натрий — внутрь. Вследствие избирательной проницаемости мембраны калий выходит наружу быстрее, чем натрий проникает внутрь, и это обстоятельство вместе с тем фактом, что отрицательно заряженные органические ионы не могут выходить из клетки, ведет к возрастанию электроотрицательности внутриклеточной среды. Достигнув определенной величины, внутренний отрицательный заряд начинает препятствовать выходу калия. Если бы ничто не противодействовало диффузии ионов, то ионные условия в конце концов изменились бы и пришли к новому равнове ному состоянию. В действительности, однако, сохраняется стационарное состояние; это обусловлено работой механизма, получившего название натриевого насоса: он состоит в активном переносе ионов натрия изнутри наружу против концентрационного и электрохимического градиентов, за счет энергии, которую обеспечивают обычные метаболические процессы с участием АТФ, протекающие в нервной клетке. Натриевый насос можно «выключить», отравив клетку каким-либо ингибитором обмена, например цианидом [2].

За полный гидролитический цикл происходят выброс из клетки трех ионов натрия, обогащение цитоплазмы двумя ионами калия и гидролиз одной молекулы АТФ. Так происходит активный транспорт ионов натрия из клетки и калия в клетку, а энергия АТФ тратится на оплату перехода фермента из одной конформации в другую. Таким образом, в ходе ферментативного процесса перенос ионов натрия и калия осуществляется одним и тем же ионным центром фермента, последовательно изменяющим свое сродство к переносимым ионам при изменении конформации Na/K-АТФазы [3].

Основываясь на выше изложенных данных о транспорте веществ в клеточных мембранах, механизмах возникновения потенциалов покоя и действия, был визуализирован процесс работы калий-натриевого насоса, используя программную среду Macromedia Flash Professional 8 [4].

Получившаяся флеш-анимация представляет собой визуализированную модель калий натриевого насоса.

Интерфейс программы Macromedia Flash Professional 8

Скриншот флеш-анимации, связывание ионов натрия, начало гидролиза АТФ

Скриншот флеш-анимации, выход ионов натрия из клет-ки, связывание ионов калия

Данный метод может широко использоваться и для визуализации других процессов происходящих в живых организмах, молекулярной и атомной физики. Полученную таким образом флеш-анимацию можно использовать в качестве наглядной модели для демонстрации процессов происходящих в микромире в учебных целях.

Литература

1 Биомембранология / А.А. Болдырев, Е.И. Кяйвяряйнен, В.А. Илюха и др. – Петрозаводск: Изд-во Кар НЦ РАН, 2006.– с. 103-130.

2 Биологическая химия / Е.С. Северин, Т.Л. Алейникова, Е.В. Осипов и др. – Москва: Изд-во Медицина, 2000. – с. 89-120.

3 Молекулярная биология клетки / Б.Албертс, Д.Брей, Дж.Льюис, М.Рэфф. : В 3-х т. — 2-ое, переработанное. — М.: «Мир», 1993. —Т. 2. — 456с.

4 Macromedia Flash Professional 8 // Уроки по созданию флеш-анимаций. – 2009 – 2013. (Рус.)  – URL: http://www.mac-flash.ru/flashanim.php  [14.04.2013].

5 Данные для таблицы взяты из Биологическая химия / Е.С. Северин, Т.Л. Алейникова, Е.В. Осипов и др. – Москва: Изд-во Медицина, 2000. – с. 89-120.

 

Загрузка...
Комментарии
Отправить