Модели биофазы и Хилла, их использование для описания закономерностей взаимодействия веществ с активными центрами биологических мембран.

Для целей интерпретации рассматриваемых зависимостей исполь-зуется ряд подходов. Один из них - это описание на базе балансвых уравнений (так, как это принято в фармакологии и токсикологии). Вводится понятие «биофазы» - компартмента, содержащего рецепторы и находящегося в контакте со средой. В этом случае можно записать систему дифференциальных уравнений, характеризующих динамику перемещений эффектора в компартменты в соответствии со структурой его баланса, предполагаемой избранной моделью (рис. 4.5). В простейшем случае, рассмотренном Р.Е. Фурхготтом, биофаза находится в непосредственном контакте с компартментом, являющим­ся источником эффектора; выход эффектора из биофазы в прочие ком­партменты рассматривается как реакция первого порядка; стехиомет-рия связывания эффектора с активным центром в данном случае при­нимается равной 1:1.

В этом случае

d`с

–––– = k₁С(B – `с) – k<sub>1</sub>´`с – k₂´`с(Q – Z) + k₂´Z – k₃ с       

 dt

 

dZ

–––– = k₂ с (Q – Z) – k₂´Z,                                              (4.9)

dt

где `с – концентрация эффектора в биофазе; B – предельная емкость биофазы; k_i, k_i´ – константы скоростей реакций, смысл которых ясен из рис. 4.5.

Стационарная величина количества образовавшихся комплексов окажется равной

QСB/ (B+К₁)

Z = ––––––––––––––––––––––,                                    (4.10)

С + (K₂ + К₂/К₁)( B+К₁)

где К₁ = k₁´/k₁ – коэффициент распределения эффектора между биофазой и средой, содержащей эффектор в концентрации С; К₂ = k₂´/k₂ – константа диссоциации комплекса.

При очень малых концентрациях эффектора С и сравнительно небольших значениях К₁ и К₂ можно предположить Q > Z, B > C и система (4.9) упрощается:

d`с

–––– = k₁СB – a`с – k<sub>2</sub>Q `с + k₂´Z,          (4.11)

dt

                            

 

                                                              (4.11)

dZ

––– = k₂ Q`с – k₂Z,

dt

где a = k₁С + k₁´ + k_3.

Процесс отмыва связанного эффектора после перенесения тестового объекта в контрольный раствор описывается уравнением

b₂              b₁

 Z = Z_о (———e^-b1t  – ———e^-b2t),                        (4.12)

b₂ – b₁            b₂ – b₁

где b₁ = [k₂´ + a + k₂Q – ( k₂´ + a + k₂Q)² + 4a k₂´]/2,

b₁ = [k₂´ + a + k₂Q + ( k₂´ + a + k₂Q)² + 4a k₂´]/2.             (4.13)

Рассмотренные выше примеры предполагают связывание с одним рецептором одной молекулы лиганда. В принципе можно допустить существование комплексов лиганд-рецептор RA_n с любыми стехио- метрическими коэффициентами. Могут, например, существовать мно­говалентные места (рецепторы), образующие комплексы RA_n путем последовательного присоединения лигандов:

R +А = RA|,

RA| + А = RA₂,                                                              (4.14)

RA„-i +А = RA_n.

Если присоединение каждой последующей молекулы лиганда не за­висит от количества ранее связанных с активным центром (рецептором) молекул, то данный процесс подчиняется уравнениям (4.4) и (4.5). В противном случае имеют место эффекты, обычно называемые коопера­тивными (например, связывание каждым рецептором двух молекул), причем кооперативность бывает отрицательной и положительной.Когда присоединение каждой последующей молекулы облегчается вследствие посадки предыдущей, то говорят о положительной коопе- ративности, если, наоборот, затрудняется, - имеем отрицательную кооперативность.Положительную кооперативность можно продемонстрировать на примере связывания кислорода молекулой гемоглобина, которая состо­ит из четырех субъединиц: двух а- и двух р-цепей. Каждая из субъеди­ниц может связывать одну молекулу кислорода. Оказалось, что сродст­во к кислороду отдельного центра связывания (гема) тем выше, чем больше других центров связывания уже занято молекулами кислорода.Существует несколько характерных приемов установления призна­ков кооперативности. Препарат рецепторов, насыщенный радиоактив­ным лигандом, можно перенести в среду, не содержащую его, и изме­рить скорость диссоциации «меченых» комплексов. При этом часть препарата помещается в раствор, содержащий высокую концентрацию немеченого лиганда, часть - в раствор без лиганда. Если в первом слу­чае скорость распада комплекса выше, это может свидетельствовать о наличии отрицательной кооперативности: нерадиоактивный лиганд, связываясь со свободными, незанятыми радиоактивными рецепторами, ослабляет меченые комплексы. И наоборот, если в присутствии нера­ диоактивного лиганда скорость диссоциации снижается, говорят о проявлении положительной кооперативности.

Но самый популярный среди исследователей способ выявления кооперативности - это анализ характера отличий концентрационной зависимости количества связывающегося лиганда от классического уравнения (4.5). Представляя полученные данные в скэтчардовских координатах (рис. 4.6), при вогнутой кривой говорят об отрицательной кооперативности, при выпуклой - о положительной.

 Предельному случаю сильно выраженной положительной коопера­тивности (п>1) соответствует популярное уравнение Хилла. Здесь речь идет о механизме, допускающем лишь одновременное присоединение всех молекул эффектора к рецептору без образования промежуточных комплексов RA^ RA₂... RA_n:

 

Соотношение, описывающее образование комплексов, имеет вид:

QC ⁿ

Z (t) = –––––– [1 – e ^{(-k’+kCn) t}],               (4.16)

K + C ⁿ

 

а диссоциация комплексов при отмыве:

Z(t) = Z_oe^-k’t .                                           (4.17)

Следует отметить, что чем больше величина n, тем сильнее выражен S-образный характер кривой.

 

39.Пиноцитоз и фагоцитоз белки, полинуклеоти- ды, полисахариды, а также твердые частицы. Тем не менее в большин­стве клеток указанные вещества проходят в обоих направлениях через плазматические мембраны. Механизмы, с помощью которых осущест­вляются эти процессы, сильно отличаются от механизмов, опосре­дующих транспорт небольших молекул и ионов. При переносе макро­молекул или твердых частиц происходит инвагинация (впячивание или выпячивание) мембраны с последующим образованием пузырьков (ве­зикул). Например, для того чтобы секретировать инсулин, клетки, ин­дуцирующие этот гормон, упаковывают его во внутриклеточные пу­зырьки, которые сливаются с плазматической мембраной и отрывают­ся во внеклеточное пространство, высвобождая при этом инсулин. По­добный процесс называется экзоцитозом. Клетки способны также поглощать макромолекулы и частицы и в обратном направлении. Этот процесс называется эндоцитозом (внутрь клетки).Тем не менее каждый пузырек сливается только со специфически­ми мембранными структурами, что гарантирует правильный перенос макромолекул и их распределение между внеклеточным пространст­вом и внутренностью клеток. Одни секретируемые моле­кулы адсорбируются на поверхности клетки и становятся частью клеточ­ной оболочки, другие включаются в межклеточный матрикс, а третьи по­падают в интерстициальную жидкость и (или) в кровь, где они служат для других клеток в качестве питательных веществ или каких-то сигналов.Пиноцитоз подразделяется на несколько этапов:

1) адсорбция на мембране молекул вещества; 2) впячивание или вы­пячивание (инвагинация) мембраны, образование пиноцитозного пу­зырька и отрыв его от мембраны с затратой энергии АТФ; 3) миграция пузырька внутрь протопласта, органеллы или наружу; 4) растворение мембраны пузырька (при действии фермента) или просто ее разрыв.

Исходя из функционирования транспортных механизмов на мем­бранах, последние делят на четыре типа.

К первому типу относят мембраны, через которые транспорт ве-. ществ осуществляется путем простой диффузии, а скорость переноса прямо пропорциональна разности концентраций по обеим сторонам мембраны. Они препятствуют прохождению ионов и пропускают ней­тральные молекулы. Через такие мембраны быстрее всего диффунди­руют молекулы веществ с высоким коэффициентом распределения в системе масло-вода, т. е. веществ, обладающих выраженными липо- фильными свойствами.

Мембраны второго типа характеризуются наличием в них специ­фического переносчика, обеспечивающего облегченную диффузию и способствуют всасыванию ряда веществ, плохо проникающих через мембраны первого типа из-за высокой степени ионизированности или высокой гидрофильности. Транспортируемая молекула в мембране обратимо соединяется с переносчиком. Иллюстрацией может служить транспорт глюкозы в эритроциты человека. Особый интерес представляет облегченная диффузия в клетку мо­лекулы холина. Простая диффузия ионизированной гидрофильной мо­лекулы холина невозможна, однако специфический переносчик быстро доставляет его в эритроциты и другие клетки.

Мембраны третьего типа (наиболее сложные из всех) способны при необходимости переносить вещества против градиента концентрации. Эта так называемая система активного транспорта требует затраты энергии, высокочувствительна к изменениям температуры.

Примерами а) транспорт Na⁺ и К⁺ в клетки млекопитающих, перенос Н⁺ и К⁺ в клетках растений и т. д.; б) всасывание и выведение различных ионизированных и неионизированных веществ почечными канальцами и в меньшей мере через мембраны эпителия желудочно- кишечного тракта; в) захват бактериями неорганических ионов, Саха­ров и аминокислот; г) накопление ионов йода щитовидной железой;

Мембраны четвертого типа отличаются от первого типа наличием пор (каналов), диаметр которых можно оценить по размерам самых больших молекул, проникающих через них. Один из наиболее изучен­ных примеров мембран четвертого типа представлен почечным клу­бочком в капсулах Боумана. Мембраны четвертого типа встречаются в основном в капиллярах млекопитающих и в паренхиме почек.

 

40. Пассивный транспорт При пассивной диффузии ксенобиотики проходят через мембрану в результате случайного молекулярного движения, и величина потока линейно зависит от концентрации и коэффициента проницаемости мембраны для данного вещества. «Сердцевина» мембраны представ­ляет собой в основном гидрофобную область, поэтому неполярные вещества сравнительно легко проникают в клетки. Гидрофобные груп­пы способствуют увеличению проникающей способности, полярные - ее уменьшению.Различие в проницаемости зависит от скорости диффузии через мембрану, причем уменьшение скорости диффузии для разветвлен­ной углеводородной цепи обусловлено стерическими факторами. В качестве количественного параметра проникновения любого ве­щества в клетку вводится коэффициент проницаемости. В этом случае скорость переноса определяют с помощью закона Фика:

1 dS                                      (С^н-С^в)

-------------------------------- = -DK_p------------ ,

A dt                                           Ах

где D - коэффициент диффузии; А - площадь поверхности; С", С^в - концентрация снаружи и внутри соответственно; К_р - коэффициент рас­пределения, представляющий отношение концентрации растворенного вещества в мембране к концентрации вне мембраны; Ах - расстояние, преодолеваемое соединением при прохождении через мембрану.

Так как молекуле, возможно, приходится преодолевать путь Дх, не обязательно равный толщине мембраны, то этот путь трудно измерить непосредственно. Коэффициент распределения обычно определяют, используя в качестве липидной фазы оливковое масло, а не истинные липиды, что вводит некоторую неопределенность в величину К. Зави­симость D от х также неизвестна ни для какой мембраны. Поэтому Р = DKp/Ax (коэффициент проницаемости) является единственной из­меряемой величиной,dS/dt = РА(С^Н - С'),где размерность Р - длина в единицу времени (т. е. скорость), см/с.Чем выше липофильность вещества, тем выше коэффициент распределения.Отношение концентраций какого-либо вещества, состоящего из про­стых молекул, в двух находящихся в равновесии фазах имеет постоян­ное значение и называется константой распределения К_р:К_Р = С₂/С„где С, - водная фаза, С₂ - неводная фаза (масло, липид).Коэффициент распределения некоторого вещества зависит от спо­собности его молекул к образованию водородных связей. Кроме того, для соединений с одинаковым коэффициентом распределения в систе­ме липид-вода скорость диффузии через мембрану может значительно варьировать в зависимости от пространственной структуры молекул.

Пассивный перенос - это движение вещества по градиенту элек­трохимического потенциала без затраты энергии, т. е. движущей силой пассивного транспорта веществ служит градиент электрохимического потенциала. Электрохимический потенциал (р) характеризуется сво­бодной энергией некоторого вещества j. Химический потенциал, так же как и другие виды потенциальной энергии, является относительной величиной, т. е. он определяется ка­ким-то условным уровнем энергии (вводится константа аддитивности или стандартный член р*):мю = jij* + RTlnCj + ZjFT. В случае переноса через мембрану незаряженных частиц уравнение (5.4) упрощается и химический потенциал вещества можно выразить как функцию его концентрации:мю = мю* + RTlnCj.

Здесь мю - энергия на единицу количества вещества (Дж/моль); С_} - концентрация вещества; Zj - заряд; Ч⁷ - электрический потенциал; R - газовая постоянная; Т - абсолютная температура.Фактор RT, на который умножается величина lnCj, необходим для перевода активности в единицы энергии на 1 моль.

Если рассмотреть систему в состоянии равновесия, когда электрохи­мический потенциал вещества одинаков по обеим сторонам мембраны, то:мю^в= мю^H. (5.6)

В этом случае нет градиента электрохимического потенциала и ника­кая движущая сила не действует на переносимый ксенобиотик; он про­ходит в результате беспорядочного теплового движения, но при этом два противоположно направленных потока сбалансированы. В этом случаеRTlnCj" + ZjFT" = RTlnCj® + ZjFF^B, и соотношение для разности электрических потенциалов будет иметь вид:

RT Cj^H

фи =In.

ZjF Cj^B

Величину фи азывают потенциалом Нернста. Экспериментально измерив мембранный потенциал и концентрацию ионов по обе сторо­ны мембраны, на основании выражения (5.8) можно предсказать на­правление пассивного переноса ксенобиотика.Проницаемость мембран для некоторых малых молекул оказывает­ся более высокой, чем это можно было бы ожидать на основании дан­ных об их растворимости в липидах. Предполагают, что эти молекулы проходят через особые участки мембраны, так назы­ваемые «поры» (каналы). Аналогично считают, что заряженные части­цы (ионы) движутся через ионные каналы.Через ионные каналы осуществляется не только транспорт веществ, они также непосредственно участвуют в передаче сигнала возбудимым клеткам (генерация потенциала действия). Существуют хемовозбуди- мые (рецепторы ацетил холи на, у-АМК, глутамата, глицина и др.) и электровозбудимые (натриевые, калиевые, хлорные и др.) каналы.

Канал - это две макромолекулы, образующие в мембране пору че­рез бислои липидов. В поре имеется узкий селективный фильтр вблизи наружной поверхности мембраны и воротное устройство вблизи ее внутренней поверхности. Пространство между селективным фильтром и воротами получило название туннеля. Сенсор напряжения, располо­женный в липидном слое, управляет открытием ворот под влиянием внутримембранного поля. Расширенные части канала у наружной и внутренней поверхности образуют устья (или вестибюли).

41. Масштабы химического загрязнения биосферы. Серьезные экологические проблемы, возникшие перед человече-ством и биологическими науками, в частности ксенобиологией, свя-заны с действием двух основных факторов: быстрым повышением народонаселения в мире (демографический взрыв): с I млрд человек в 1825 г. до 6,0 млрд в 2000 г. и ростом промышленного производства, приведшим к большому антропогенному прессу на природу. К основным причинам, усложнившим экологическую проблему, можно отнести следующие:- значительное увеличение объема промышленного производства, связанное с повышением производительности труда;-появление экологически опасных видов техники и технологии;- накопление на химпредприятиях больших запасов опасных токси-ческих веществ;- резкое повышение расходования природных ресурсов (нефть, газ, уголь, сланцы) с выбросом продуктов из хозяйственного использова-ния в биосферу;-повышение сложности технических систем, с которыми опериру-ет человек, приводящее к увеличению частоты промышленных аварий и катастроф.В настоящее время считают, что в биосфере находится более 6 млн индивидуальных химических соединений, не говоря уже об их комбинациях. Из всех веществ, имеющихся в биосфере, 90 % - синте-тического происхождения, которые в подавляющем большинстве яв-ляются для организма чужеродными.Выделяют следующие типы глобального химического загрязнения биосферы:загрязнение газообразными веществами;тяжелыми металлами;удобрениями и биогенными элементами;органическими соединениями;радиоактивными веществами (радионуклидами).

---

Дата добавления: 2019-07-17; просмотров: 163; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!