Структура и функция на клетъчната мембрана

Лекция 1:
Структура и функция на клетъчната мембрана

Транспорт през клетъчната мембрана
Активен транспорт
Дифузия
Проста дифузия
Облекчена дифузия
Осмоза
Първично активен
Йонни канали – фосфолипидният слой
Преносители
Аквапорини
Йонни помпи
Вторично активен
Цитоза
Мембранни везикули

Строеж на клетъчната мембрана. Състав на клетката
• Вода
• Йони
• Белтъци
• Структурни
• Функционални
• Липиди
• Въглехидрати

Строеж на клетъчната мембрана
• d=7,5-10 nm
• Строеж
• Белтъци – 55%
• Фосфолипиди – 25%
• Холестерол – 13%
• Други липиди – 4%
• Въглехидрати – 3%
Строеж на клетъчната мембрана
Фосфолипиди
Фосфатидилхолин
Фосфатидилсерин
Фосфатидилетанолимин
Сфингомиелин

• Белтъци
• Трансмембранни (интегрални) – пронизват целия
фосфолипиден бислой
• Периферни – разположени са само в един от двата монослоя

Гликокаликс
• Отрицателно заредената клетъчна повърхност отблъсква други отрицателно заредени обекти;
• Служи за свързване на различни клетки;

• Някои въглехидрати служат като рецептори за хормони (инсулин);
• Участват в имунни реакции.

Транспорт през клетъчната мембрана
• През липидния бислой – мастноразворими вещества
• Кислород
• Въглероден диоксид
• Алкохол
• През канали - водоразтворими вещества
• Йони

• Глюкоза
• Урея
Процеси на транспорт
• Дифузия
• Случайно (топлинно, Брауново) движение на молекули
• Енергия - кинетично движения на частиците.
• Движеща сила – концентрационния градиент
• Активен транспорт
• Винаги от белтъчен преносител
• Пренос срещу енергийния градиент
• Изисква допълнителен източник на метаболитна енергия.

Дифузия
• Проста дифузия
• Без взаимодействие с белтък-преносител
• Скоростта зависи от:
• количеството вещество
• скоростта на кинетично движение (по-голяма при по-висока температура)
• броя и размера на пътищата

Облекчена дифузия
• Изисква взаимодействие с преносител
• Скоростта зависи от:
• Броя на преносителите по мембраната
• Има насищане (достига максимум)
Проста дифузия
• Между молекулите на фосфолипидния бислой
• Определящ фактор е разтворимостта на веществото в липидния слой
• През белтъчни канали в мембраната
• Скоростта нараства пропорционално на концентрацията на пренасяното вещество

Облекчена дифузия
• Свързва веществото от едната страна на мембраната
• Променя се конформационно
• Освобождава го от другата страна на мембраната
• Скоростта не може да е повисока от скоростта, с която преносителят може да преминава през тези състояния.
Облекчена дифузия
• Скоростта има максимална стойност
• Всички преносители са свързани с транспортираното вещество
• При висока концентрация на веществото
Степента на пренос чрез преносители се определя от:
• степента на насищане на свързващите места
• броят на преносителите по мембраната на клетката;
• скоростта на конформационна промяна на преносителя

Нетна скорост на дифузия
• Разлика в концентрацията нетна дифузия~𝐶𝑜 − 𝐶𝑖
• Ефект на мембранния потенциал – за електрически заредени частици
• Пренос до установяване на равновесен електро-химичен градиент
• Разлика в налягането от двете страни на мембраната
Нетна скорост на дифузия през канали
• Първи закон на Фик

• Пропорционална на площта на дифузия (А) и абсолютната температура (Т)
• Обратно пропорционална на вискозитета на разтворителя (η) и радиуса на дифундиращите частици (r)
• По-голяма скорост при голяма площ, по-висока температура, по-малки частици в течности с по-нисък вискозитет и през по-тънка мембрана.

Нетна скорост на дифузия през липидния слой

• k – липидно-водeн коефициент (мярка за липидната разтворимост на
дадено вещество)
• Колкото по-висока е стойността на k, толкова по-бърза е скоростта на
дифузия на дадено вещество през фосфолипидния слой на мембраната
• Дифузията през единица площ за единица време е пропорционално
на концентрационния градиент ΔС и коефициента на пропускливост Р
(обединява k, D и Δx, които не могат да бъдат измерени в организма)

Нетна скорост на дифузия на газове
• За газове ΔС се определя от коефициента на разтворимост α и разликата в налягането ΔР.
• Скоростта на дифузия се изразява като преминал обем газ за единица време (Vdiff). Коефициентът на разтворимост на газа в разтворителя (α), степента на разтворимост на газа в липидния слой (k) и дифузионният коефициент (D) се обединяват в дифузионен коефициент К (на Крог)
• Дифузията на газ през единица площ ще се определя от:
• Коефициента на Крог (К)
• Разликата в налягането на газа (ΔР)
• Разстоянието от източника на газа (Δх).
Дифузия на слаби киселини и основи
• Зависи от рН на разтвора
• Незаредената форма преминава по-лесно от йонизираната
• Дифузията на заредени йони зависи и от електричния потенциал

Осмоза
• Дифузия на вода
• През липидния бислой
• През аквапорини
• 1L вода тежи 1000 g,
молекулна маса 18 =>
концентрацията на водата е 1000/18=55,5 М
• 1 L разтвор на глюкоза с концентрация 1 М съдържа 54,5 М вода
• 1 mol разтворено вещество замества 1 mol вода в разтвора
• Недисоцииращи вещества
1 mol дава 1 mol разтворени частици
1 mol глюкоза → 54,5 М вода

• Дисоцииращи вещества
1 mol NaCl дисоциира на 2 частици (Na и Cl) и дава 2 mol 1 mol NaCl → 53,5 М вода
1 mol MgCl2 → 52,5 M вода (дисоциира на 3 частици)

Осмоларитет
• Мярка за концентрацията на разтворените частици
• 1 осмол е равен на 1 mol разтворени частици
• 1М разтвор на глюкоза има осмоларитет 1 Osm
• 1М разтвор на NaCl – 2 Osm
• 1М глюкоза + 1М NaCl – 3 Osm
• Разтвор 3 Osm може да е:
• 1 mol глюкоза + 1 mol NaCl
• 3 mol глюкоза
• 1,5 mol NaCl
• Показва концентрацията на водата – по-висок осмоларитетът, пониска концентрация на вода

Осмоза
• От двете страни на мембраната имаме по 1 L разтвор
• Разтвор 1 – 2 Osm
• Разтвор 2 – 4 Osm.
• Вода 1 – 53,5 М
• Вода 2 – 51,5 М.
• Нетна дифузия на разтворено
вещество и вода
• Равновесие
• Разтвор с осмоларитет 3 Osm и концентрация на водата 52,5М (1 mol разтворено вещество се премества в поразредения разтвор и 1 mol вода се премества в по-концентрирания)
• Обемите на двата разтвора остават непроменени.
• Мембраната е пропусклива само за вода
• Установят се същите равновесни концентрации
• Наблюдава се промяна в обемите (обемът на по-разредения разтвор ще намалее с 1/3, а този на поконцентрирания ще се увеличи с 1/3)
Осмотично налягане
• Налягането, което трябва да се приложи, за да се противодейства на процеса на осмоза се наричаосмотично налягане на разтвора
• Колкото по-голям е осмоларитета на разтвора, толкова по-голямо е осмотичното налягане.
• Мярка за концентрацията на водата – колкото е по-високо, толкова по-ниска е концентрацията на вода
Осмотичност и тоничност
• Осмоларитетът на извънклетъчната течност – 300 mOsm в равновесие с цитозола
• Хипотоничен разтвор на непреминаващи вещества (осмоларитет под 300 mOsm) – клетките се раздуват
• Хипертоничен разтвор (с по-висока концентрация на разтворени непреминаващи вещества) – клетките се свиват.
• Важно е да се отбележи, че концентрацията на непреминаващите вещества в разтвора, а не цялостният осмоларитет определя тоничността на разтвора.
• Осмотичност – хипоосмотичен, изоосмотичен, хиперосмотичен – показват просто осмоларитета на разтвора без оглед на това дали веществата преминават или не през клетъчната мембрана.
• Хипертоничен и хиперосмотичен не означава едно и също
• Всички хипоосмотични разтвори са и хипотонични, но хиперосмотичните разтвори може да бъдат хипотонични, изотонични или хипертонични в зависимост от вида на разтворените вещества (дали преминават или не през клетъчната мембрана).

Осмоза и филтрация
• Осмотичният поток е равен на:
𝐽𝑣 = 𝐾𝑓0 × ∆𝜋
• А разликата в осмотичното налягане Δπ се описва от закона на Вантхоф:
∆𝜋 = 𝜎 × 𝑅 × 𝑇 × ∆𝐶𝑜𝑠𝑚
σ – коефициентът на рестрикция на частиците
R – универсалната газова константа
Т – абсолютната температура
ΔСosm [Osm/kg H2O] – разликата между ниската и високата концентрация на частиците.

• Водният поток при филтрация се определя от:
𝐽𝑣 = 𝐾𝑓 × ∆𝑃 − ∆𝜋
• Филтрация може да се осъществи само ако разликата в хидростатичното налягане е по-голяма от разликата в осмотичното налягане (ΔР>Δπ).
• Теглене на разтворителя.
𝐽𝑥 = 𝐽𝑣 × 1 − 𝜎 × ā𝑥 𝑚𝑜𝑙 Τ𝑠

Активен транспорт
• Веществата се транспортират срещу електро-химичния им градиент
• Разход на метаболитна енергия
• Изисква свързване на транспортираното вещество с белтъкпреносител
• Специфичност
• Насищане на преноса
• Енергията променя:
• Афинитета на преносителя
• Скоростта на конформационните изменения на преносителя
• Първично активен транспорт – директно използване на енергията за преноса на вещества
• Вторично активен транспорт – енергията се използва за създаване на йонен градиент, който се използва за преноса на веществото.
Първично активен транспорт
• Фосфорилирането повишава афинитета на свързващите места (ковалентна модификация)
• Пренасяното вещество се свързва с преносителя
• Дефосфорилирането понижава афинитета
• Веществото се освобождава
• Процесът се повтаря
Първично активни преносители
• Na,K-АТФаза
• Са-АТФаза
• Н-АТФаза
• Н,К-АТФаза.
Вторично активен транспорт
• Използва енергията на концентрационния градиент на даден йон като движеща сила за пренос на вещества срещу техния собствен градиент
• Има свързващо място за пренасяното вещество и свързващо място за йона
• Na+, НСО3-, Cl-, или К+
• Свързването на йона повишава се афинитета на преносителя за пренасяното вещество и скоростта на конформационна промяна на преносителя
• Алостерична промяна вследствие на свързването на йони.
Вторично активен транспорт
• Първично активният транспорт от Na,KАТФаза създава градиент за Na+
• Енергията на градиента се използва за пренос на вещества срещу градиента им

Вторично активни преносители
• Глюкоза/Na+
• Аминокиселини/Na+
• Na+/Ca2+ обменник

Вторично активен транспорт
• Котранспорт (симпорт) – йонът и пренасяното вещество се пренасят в една и съща посока
• Антипорт – йонът се пренасят в противоположна посока на пренасяното вещество
Цитоза

Според посоката на транспорт
• Ендоцитоза – внасяне на вещества в клетката
• Екзоцитоза – изнасяне на вещества извън клетката
Според вида на пренасяните вещества ендоцитозата бива:
• Пиноцитоза (клетъчно пиене)
• Фагоцитоза (клетъчно хранене)

Пиноцитоза
• Поглъщане на малки количества извънклетъчна течност
• Извършва се от всички клетки
• Везикулите са много малки по размер (100-200 nm).
• Приемат