Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
Кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ
На тему:
«Окислення ненасичених жирних кислот. Біосинтез холестерину. Мембранний транспорт »
МІНСЬК, 2008
Окислення ненасичених жирних кислот.
У принципі відбувається так само як і насичених, проте є особливості. Подвійні зв'язку природних ненасичених жирних кислот мають цис-конфігурацію, а в КоА ефірах ненасичених кислот, що є проміжними продуктами при b окисленні, подвійні зв'язки мають транс-конфігурацію. У тканинах є фермент, що змінює конфігурацію подвійного зв'язку цис-в транс-.
Метаболізм кетонових тіл.
Під терміном кетонові (ацетон) тіла увазі ацетоуксусную кислоту, b-гідроксимасляної і ацетон. Кетонові тіла утворюються в печінці в результаті деацілірованія ацетоацетіл КоА. Є дані, що вказують на важливу роль кетонових тіл у підтримці енергетичного гомеостазу. Кетонові тіла - свого роду постачальники палива для м'язів, мозку і нирок і діють як частина регуляторного механізму, що запобігає мобілізацію жирних кислот з депо.
Біосинтез ліпідів.
Біосинтез ліпідів з глюкози є важливою ланкою обміну у більшості організмів. Глюкоза, у кількостях, що перевищують безпосередні енергетичні потреби може бути будівельним матеріалом для синтезу жирних кислот і гліцерину. Синтез жирних кислот у тканинах відбувається у цитоплазмі клітини. У мітохондріях в основному відбувається подовження існуючих ланцюгів жирних кислот.
Внемітохондріальний синтез жирних кислот.
Будівельним блоком для синтезу жирних кислот у цитоплазмі клітини служить ацетил КоА, який в основному відбувається з мітохондріального. Для синтезу необхідна наявність в цитоплазмі вуглекислого газу та йону бікарбонату і цитрат. Мітохондріальний ацетил КоА не може дифундувати в цитоплазму клітини, тому що мітохондріальна мембрана непроникна для нього. Мітохондріальний ацетил КоА взаємодіє з оксалоацетата, утворюючи цитрат і проникає в цитоплазму клітини, де розщеплюється до ацетил КоА і оксалоацетата.
Є ще один шлях проникнення ацетил КоА через мембрану - за участю карнітину.
Етапи біосинтезу жирних кислот:
Освіта Малоні КоА, шляхом зв'язування вуглекислого газу (біотин-фермент і АТФ) з коензимом А. Для цього необхідна наявність НАДФН 2.
Освіта ненасичених жирних кислот:
У тканинах ссавців присутні 4 сімейства ненасичених жирних кислот -
1.пальмітоолеіновая, 2.олеіновая, 3. лінолева, 4.ліноленовая
1 і 2 синтезуються з пальмітинової і стеаринової кислот.
Біосинтез тригліцеридів.
Синтез тригліцеридів відбувається з гліцерину і жирних кислот (стеаринової, пальмітинової, олеїнової). Шлях біосинтезу тригліцеридів відбувається через освіту гліцерол-3-фосфату.
Гліцерол-3-фосфат ацилюється і утворюється фосфатидний кислота. Далі відбувається дефосфорілірованіе фосфатидний кислоти та освіта 1,2-диглицеридов. Потім відбувається етерифікація молекулою ацил КоА та освіта тригліцериду. Гліцерофосфоліпіди синтезуються в ендоплазматичної ланцюга.
Біосинтез насичених жирних кислот.
Безпосереднім попередником двууглеродних одиниць в синтезі жирних кислот служить Малоні КоА.
Повний синтез насичених жирних кислот каталізується особливим синтетазної комплексом, що складається з 7 ферментів. Синтетазної система, каталізіруюшая синтез жирних кислот у розчинній фракції цитоплазми відповідальна за наступну сумарну реакцію при якій одна молекула ацетил КоА і 7 молекул Малоні КоА конденсуються з утворенням однієї молекули пальмітинової кислоти (відновлення здійснюється за рахунок НАДФН). Єдина молекула ацетил КоА, необхідна для реакції служить ініціатором.
Освіта Малоні КоА:
1. Цитрат здатний проходити через мітохондріальну мембрану в цитоплазму. Мітохондріальний ацетил КоА переноситься на оксалоацетата з утворенням цитрату, який може проходити через мітохондріальну мембрану в цитоплазму за допомогою системи переносу. У цитоплазмі цитрат розщеплюється до ацетил КоА, який взаємодіючи з вуглекислим газом перетворюється на Малоні КоА. Лімітуючий фермент всього процесу синтезу жирних кислот - ацетил КоА-карбоксилазою.
2. Ацілпереносящій білок в синтезі жирних кислот служить свого роду якорем, до якого в ході реакцій утворення алифатической ланцюга приєднуються ацильниє проміжні продукти. У мітохондріях молекули насичених жирних кислот подовжуються у формі ефірів КоА шляхом послідовного додавання КоА. Ацильниє групи ацетил КоА і Малоні КоА переносяться на тіолові групи ацил-переносить білка.
3. Після конденсації цих двухуглеродних фрагментів йде їх відновлення з утворенням вищих насичених жирних кислот.
Наступні етапи синтезу жирних кислот у цитоплазмі схожі з реакціями зворотними реакцій мітохондріального b-окислення. Здійснення цього процесу з усіма проміжними продуктами міцно пов'язано з великим многоферментним комплексом - синтетазою жирних кислот.
Регуляція обміну жирних кислот.
Процеси обміну жирів в організмі регулюються нейрогуморальним шляхом. Одночасно ЦНС і кора головного мозку здійснюють узгодженість різних гормональних впливів. Кора головного мозку робить трофічна вплив на жирову тканину або через симпатичну і парасимпатичну систему, або через ендокринні залози.
Підтримка певного співвідношення між катаболизмом і анаболизмом жирних кислот в печінці пов'язано з впливом метаболітів всередині клітини, а також впливом гормональних факторів і споживаної їжі.
При регуляції b-окислення першорядне значення має доступність субстрату. Надходження жирних кислот в клітини печінки забезпечується:
1. захопленням жирних кислот з жирової тканини, регуляція цього процесу здійснюється гормонами.
2. захоплення жирних кислот (зумовлених змістом жирів в їжі).
3. вивільнення жирних кислот під дією ліпази з тригліцеридів печінки.
Другий контролюючий фактор - рівень запасу енергії в клітині (співвідношення АДФ і АТФ). Якщо АДФ багато (клітинні резерви енергії малі), то протікають реакції сполучення, що сприяє синтезу АТФ. Якщо вміст АТФ підвищено, вищезазначені реакції гальмуються, що накопичуються жирні кислоти використовуються для біосинтезу жирів і фосфоліпідів.
Здатність циклу лимонної кислоти катаболізіровать ацетил КоА, який утворюється при b-окисленні має важливе значення в реалізації спільного енергетичного потенціалу катаболізму жирних кислот, а також небажаного накопичення кетонових тіл (ацетооцтова кислота, b-оксибутират і ацетон).
Інсулін підсилює біосинтез жирних кислот, перетворення вуглеводів у жири. Адреналін, тироксин і гормон росту активують розпад (ліполіз) жиру.
Зниження вироблення гормонів гіпофіза і статевих гормонів призводить до стимуляції синтезу жирів.
Порушення ліпідного обміну
1.Порушення процесів всмоктування жирів
а) недостатність надходження панкреатичної ліпази
б) порушення надходження в кишечник жовчі
в) порушення шлунково-кишкового тракту (пошкодження епітеліального покриву).
2. Порушення процесів переходу жиру з крові в тканини - порушується перехід жирних кислот з хіломікронів плазми крові в жирові депо. Це спадкове захворювання, пов'язане з відсутністю ферменту.
3. Кетонурія і кетонемія-при голодуванні в осіб з діабетом вміст кетонових тіл підвищено - це кетонемія. Воно стан супроводжується кетонурія (наявність кетонових тіл у сечі). Зважаючи на незвично високої концентрації кетонових тіл в крові, що притікає м'язи та інші органи не справляються з їх окисленням.
4. Атеросклероз і ліпопротеїди. Доведена провідна роль певних класів ліпопротеїдів в патогенезі атеросклерозу. Формування ліпідних плям і бляшок супроводжується глибокими дистрофічними змінами в межах судинної стінки.
Холестерин
У ссавців велика частина (близько 90%) холестерину синтезується в печінці. Велика частина його (75%) використовується при синтезі так званих жовчних кислот, що допомагають переварюванню ліпідів, що надходять з їжею в кишечнику. Вони роблять їх більш доступними для гідролітичних ферментів - ліпаз. Основний жовчної кислотою є холевая кислота. Холестерин є також матаболіческім попередником інших важливих стероїдів, багато з яких виступають у вигляді гормонів.: Альдостерону і кортизону, естрону, тестостерону і андростерону.
Нормальний рівень холестерину в плазмі крові в межах 150-200 мг / мл. Високий рівень може призвести до відкладення холестеринових бляшок в аорті і дрібних артеріях, це стан відомий під назвою артеріосклерозу (атеросклерозу). В остаточному підсумку він сприяє порушення серцевої діяльності. Підтримка нормального рівня холестерину здійснюється шляхом організації правильного режиму харчування, а також in vivo регуляцією шляху ацетил-КоА. Один зі способів зниження високого рівня холестерину в крові полягає в прийомі всередину сполук, що зменшують здатність організму синтезувати холестерин. Холестерин синтезується в печінці та плазмі крові, упаковується в ліпопротеїнових комплекси, які переносяться в інші клітини. Проникнення холестерину в клітку залежить від наявності мембранних рецепторів, що пов'язують такі комплекси, які проникають у клітину шляхом ендоцитозу і потім лізосомні ферменти звільняють холестерин всередині клітини. У пацієнтів з високим рівнем холестерину в крові були виявлені дефектні рецептори, це - генетичний дефект.
Холестерин є попередником багатьох стероїдів, таких як стероїди калу, жовчні кислоти і стероїдні гормони. При утворенні стероїдних гормонів з холестерину спочатку синтезується проміжний продукт прегненолон, який служить попередником прогестерону - гормону плаценти і жовтого тіла, чоловічих статевих гормонів (тестостерону), жіночих статевих гормонів (естрону) і гормонів кори надниркових залоз (кортикостерону).
Головним вихідним матеріалом для біосинтезу цих гормонів є амінокислота тирозин. Її джерело в клітинах -
1. Протеоліз
2. Освіта з фенілаланіну (незамінною АК)
Біосинтез стероїдних гормонів незважаючи на різноманітний спектр їх дії, є єдиним процесом.
Центральне положення в біосинтезі всіх стероїдних гормонів займає прогестерон.
Є 2 шляхи його синтезу:
З холестерину
З ацетату
У регуляції швидкостей синтезу окремих стероїдних гормонів найважливішу роль грають гормони тропів гіпофіза. АКТГ стимулює біосинтез кортикальних гормонів надниркових залоз.
Є 3 причини розладу біосинтезу і виділення специфічних гормонів:
1. Розвиток патологічного процесу в самій ендокринної залозі.
2. Порушення регуляторних впливів на процеси з боку ЦНС.
3. Порушення координації діяльності окремих залоз внутрішньої секреції.
Біосинтез холестерину.
Цей процес нараховує 35 стадій.
Можна виділити 3 основні:
1. Перетворення активного ацетату в мевалонову кислоту
2. Освіта сквалену
3. Окислювальна циклізація сквалену на холестерин.
Холестерин є попередником багатьох стероїдів:
Стероїдів калу, жовчних кислот, стероїдних гормонів. Розпад холестерину - це перетворення його в жовчні кислоти в печінці.
Показано, що регулювання біосинтезу холестерину здійснюється шляхом зміни синтезу та активності b-гідрокси-b-метил глутаріл КоА-редуктази. Цей фермент локалізований в мембранах ендоплазматичної мережі клітини. Його активність залежить від концентрації холестерину, призводить до зниження активності ферменту. Регуляція активності редуктази холестерином - модель регулювання ключового ферменту кінцевим продуктом за принципом негативного зворотного зв'язку.
Існує і другий шлях біосинтезу мевалонової кислоти.
Два автономних шляхи мають значення для внутрішньоклітинного розмежування біосинтезу холестерину необхідного для внутрішньоклітинних потреб (синтез ліпопротеїдів клітинних мембран) від холестерину, що йде на утворення жирних кислот. У складі ліпопротеїдів холестерин залишає печінку і надходить у кров. Вміст загального холестерину в плазмі крові 130-300 мг / мл.
Молекулярні компоненти мембран.
Більшість мембран складається приблизно з 40% ліпіду і 60% білка. Ліпідна частина мембран містить переважно полярні ліпіди різних типів, практично вся кількість полярних ліпідів клітини зосереджено в її мембранах.
Більшість мембран містить мало триацилгліцеринів і стеринів, винятком у цьому сенсі є плазматичні мембрани клітин вищих тварин з характерним для них високим вмістом холестерину.
Співвідношення між різними ліпідами постійно для кожного даного типу мембран клітини і, отже, визначаються генетично. Більшість мембран характеризується однаковим співвідношенням ліпіду і білка. Майже всі мембрани легко проникні для води і для нейтральних ліпофільних сполук, у меншій мірі проникні для полярних речовин, таких як цукри та аміди й зовсім погано проникні для невеликих іонів, таких як натрій або хлор.
Для більшості мембран характерний високий електричний опір. Ці загальні властивості послужили основою для створення першої важливою гіпотези щодо структури біологічних мембран - гіпотези елементарної мембрани. Відповідно до гіпотези, елементарна мембрана складається з подвійного шару змішаних полярних ліпідів, в якому вуглеводневі ланцюги звернених всередину і утворюють неперервну вуглеводневу фазу, а гідрофільні голови молекул спрямовані назовні, кожна з поверхонь подвійного шару ліпідів покрита мономолекулярним шаром білка, поліпептидні ланцюги якого знаходяться у витягнутій формі . Загальна товщина елементарної мембрани - 90 ангстрем, а товщина подвійного шару ліпідів - 60-70 - ангстрем.
Структурний різноманіття мембран більше, ніж виходячи з гіпотези елементарної мембрани.
Інші моделі мембран:
1. Структурний білок мембрани знаходиться всередині подвійного шару ліпідів, а вуглеводневі хвости ліпідів проникають у вільні простору між згорнутими поліпептидними ланцюгами білка.
2. Молекули структурного білка проходять в певних точках крізь подвійний шар ліпідів. Амінокислотні ділянки поліпептидного ланцюга, що знаходяться всередині вуглеводневої фази, складені переважно з гідрофобних АК.
3. Глобулярна - роль періодично повторюваних структурних одиниць грають невеликі глобулярні ліпопротеїди або ліпідні міцели, що чергуються з молекулами глобулярного білка.
Конкретне поєднання ліпідів в тій чи іншій мембрані може визначатися структурою мембранних білків, яка закодована у відповідних генах. Цілісність цих виключно тонких структур підтримується тільки за рахунок гідрофобних і полярних взаємодій.
Біомембрани:
У загальну структуру мембрани включені поверхневі мембранні білки та інтегральні мембранні білки, які діляться на:
1-структурні та 2-динамічні білки.
Мембранний транспорт:
Мембрана є напівпроникною.
Пасивний транспорт - з'єднання рухається через мембрану з району з високою концентрацією в район з низькою концентрацією без витрати клітиною енергії - це дифузія.
Активний транспорт - відбувається з витратою енергії. Перенесення здійснюється проти градієнта концентрації.
Реакція живих клітин на вплив різних типів біологічно активних речовин, наприклад, гормонів, починається зі зв'язування речовини з зовнішньою поверхнею клітинної мембрани в специфічному місці поверхні, званої рецепторами: наприклад, рецептор ацетилхоліну, інсуліну.
На цій стадії відбувається фосфорилювання ферменту за рахунок АТФ і зв'язування внутрішньоклітинного натрію. На другій стадії (стимулюється іонами калію), відбувається гідроліз фосфорильованого ферменту і іони натрію вивільняються на зовнішній стороні мембрани.
Більшість клітин містить натрієвий насос іншого типу, що відкачують іони натрію із клітини і забезпечує рушійну силу для активного переносу амінокислот і глюкози в клітину. Для систем активного переносу АК необхідний як джерело енергії спрямований усередину клітини градієнт іонів натрію. Більшість клітин містить системи перенесення цукрів. Глюкоза переноситься в клітини за допомогою переносника, який переносить в клітку також іони натрію.
Необхідно враховувати вплив розмірів і в'язких властивостей мембрани, через яку здійснюється перенесення. Товщина мембран зазвичай становить 60-100 ангстрем. Ці розміри великі в порівнянні з розмірами молекули глюкози чи АК (5-6 ангстрем) і навіть молекул невеликих глобулярних білків (25-35 ангстрем)
Як молекули переносники здатні переміщати субстрати на такі великі відстані?
1. Білок переносник разом із зв'язаним лігандом переміщається з одного боку мембрани на іншу в результаті фізичної дифузії.
2. Молекули переносники ймовірно білки фіксовані на мембрані, але можуть зазнавати конформаційні зміни щоб забезпечити перенесення субстрату через мембрану.
Комплексні сполуки: один з іонів, звичайно позитивно заряджений - в центрі - центральний іон. Навколо розташована деяка кількість протилежно заряджених іонів або електронейтральних молекул, що називаються лігандами.
Аквакомплекс - ліганд вода.
Гемоглобін - гем-центральний іон - іон заліза - навколо нього координовані чотири атома азоту, що належать до складного ліганди з циклічними угрупованнями.
Згідно з одним з припущень, зв'язуючий білок володіє сильним спорідненістю до транспортованого речовині (субстрату) і міцно зв'язується з ним на зовнішній поверхні клітини. Утворився комплекс білок-субстрат далі дифундує до внутрішньої сторони мембрани. Тут в результаті процесу, пов'язаного з мимовільно протікає екзергоніческой реакцією, наприклад, з гідролізом АТФ, конформація білка змінюється таким чином, що його спорідненість до субстрату зменшується. У результаті транспортується речовина переходить в клітку, а зв'язуючий білок дифундує назад до зовнішньої поверхні. Там його конформація повертається до початкової, ймовірно, під впливом хімічних впливів.
Які класи молекул та іонів транспортуються через мембрани? З навколишнього середовища в клітину надходять неорганічні іони, причому в результаті переносу іноді вони сильно концентруються. Клітини слизової оболонки шлунка можуть концентрувати іони водню в шлунковому соку приблизно до 0,16 М . В клітини тварин і людини активно транспортуються амінокислоти. Зазвичай поряд із системою, для якої характерні висока спорідненість до амінокислоті і здатність "перекачувати" з області з дуже низькою концентрацією, існують паралельно функціонуючі системи з рецепторами не володіють настільки високою спорідненістю до субстрату. Цукру в цих системах проходять через внутрішню мембрану у вигляді фосфатних ефірів (групова транслокація).
В іншій системі транспорт амінокислот і лактози пов'язаний з системою переносу електронів пов'язаної з мембраною окислювально-відновної ланцюга. Вважають, що ця система незалежна від синтезу АТФ.
Внутрішньоклітинні органели мають власні системи, що концентрують іони. Так мітохондрії можуть концентрувати іони калію, кальцію, магнію та інших двовалентних металів, а також і дикарбонові кислоти. У мітохондрій транспорт багатьох речовин відбувається швидше за все за рахунок обмінної дифузії, тобто шляхом вторинного активного транспорту.
Генетичні аспекти транспорту.
У людини наводить цілу низку захворювань, пов'язаних з дефектами мембранного транспорту. При деяких таких захворюваннях порушуються реабсорбція речовин в ниркових канальцях і процес всмоктування в тонкому кишечнику. Цістонурія - спостерігається утворення каменів з цистину в нирках і сечовому міхурі. Відомі також випадки виділення великих кількостей аргініну, лізину і орнитина.
Існування подібних спадкових захворювань свідчить про те, що й у людини клітини мають здатність концентрувати різні АК і інші речовини.
У клітинах ниркових канальців речовини поглинаються на одній стороні клітини і виділяються в кровотік з іншого її боку.
Ще одне рідко зустрічається порушення абсорбційних процесів у людини призводить до розвитку ниркової глікозурії. У цей процес залучені проксимальні ниркові канальці.
Натрій, калій і кальцієвий насоси.
Майже у всіх клітинах концентрація натрію порівняно невелика, тоді як калію - досить висока.
Згідно з однією з гіпотез, цитоплазма за своїми властивостями нагадує іонообмінні смоли, що несуть фіксовані заряди. Іонообмінні смоли з великим числом зшивок вибірково пов'язують певні іони. Наприклад, смоли, що містять залишки сульфокислот, пов'язують калій, а смоли, що містять залишок фосфорної кислоти - натрій.
В даний час найбільш загальноприйнятою є не іонообмінна гіпотеза, а гіпотеза існування в клітинах іонного насосу, викачують з клітин іони натрію і накачувати в них іони калію.
Виявилося, що перенесення іонів блокується інгібіторами, наприклад, ціанідом, який, як відомо, порушує майже всі процеси окисного метаболізму в клітинах. Однак блокування ціанідом знімається при додаванні до клітин АТФ або інших фосфатних сполук, що характеризуються високим значенням потенціалу переносу груп. Оскільки в клітинах еукаріот найактивнішим з'єднанням такого роду є АТФ, передбачається, що саме він служить природним джерелом енергії при концентруванні іонів.
Поглинання клітинами іонів калію і виділення іонів натрію специфічно блокується деякими серцевими глікозидами. Найбільш часто в цих цілях використовують уабаін. Мічений тритієм уабаін зв'язується із зовнішньою поверхнею клітин.
Встановлено, що при надлишку іонів натрію всередині клітини, а іонів калію в зовнішньому оточенні відбувається гідроліз АТФ. Швидкість гідролізу визначається концентрацією іонів обох лужних металів і числом місць, що пов'язують уабаін. Для цього процесу необхідна наявність іонів магнію.
Розглянуті вище факти призвели до концепції, яка передбачає, що (натрій і калій) - залежна АТФ-аза і є, по суті, мембранним іонним насосом. Для активації ферментної системи іони калію і натрію повинні перебувати по різні боки від мембрани.
Стехіометричні співвідношення в натрій-калієвому насосі дуже своєрідні. При розпаді кожної молекули АТФ з клітини викачується 3 іона натрію, а ззовні в клітину накачуються 2 іони калію. Оскільки з клітки викачується більше позитивно заряджених іонів, ніж потрапляє в неї, усередині клітки створюється надлишковий негативний заряд. Наявність негативного заряду всередині клітини було встановлено вже давно, шляхом вимірювання електричного мембранного потенціалу. Оскільки клітинна мембрана все ж проникна для іонів калію, виникнення мембранного потенціалу призводить до дифузії цих іонів через мембрану всередину клітини, що зумовлює часткову нейтралізацію негативного заряду на мембрані. Коли швидкість пасивної дифузії врівноважує мембранний потенціал, що утворюється за рахунок активного транспорту встановлюється стаціонарний стан.
Таким чином, достовірно встановлено, що транспорт натрію і калію іонним насосом забезпечується енергією гідролізу АТФ.
Процес розщеплення АТФ повинен бути пов'язаний з якимось конкретним механізмом, що забезпечує перекачування іонів, який до цих пір залишається нез'ясованим.
Передбачається, що білки іонного насосу перебувають у двох конформаціях. В одній конформації (А) білок міцно пов'язує 3 іона натрію, а в іншій (В) - 2 іони калію. АТФ відіграє роль "мотора", що здійснює конформаційні зміни білка і крім того, може брати безпосередню участь у формуванні ділянок зв'язування іонів.
Мимовільне зв'язування іонів натрію запускає реакцію фосфорилювання, в результаті якої фосфорильної група комплексу магній - АТФ - переноситься і фосфорилювання в свою чергу ініціює перехід білка в конформационное стан В, при якому канал стає відкритим з зовнішньої сторони і закритим - з іншого. Одночасно зменшується спорідненість по відношенню до іонів натрію і ці іони виходять назовні. На наступному етапі пов'язуються 2 іони калію. Для конформації У характерно високу спорідненість до іонів калію. Зворотний перехід в конформацію А, що супроводжується звільненням іонів калію у внутрішній простір клітини, ініціюється гідролітичним відщепленням фосфорильної групи у вигляді неорганічного фосфату. Хімічна природа ділянок зв'язування іонів натрію і калію в іонному насосі невідома.
Проведення нервових імпульсів.
Здатність мембран підтримувати різниця концентрацій іонів між цитоплазмою і позаклітинної середовищем зумовлює їх збудливість, що має важливе практичне значення. Поділ зарядів створює як би "акумулятор" легко доступною енергії, яка може бути використана для проведення електричних сигналів через клітинну мембрану. В даний час мало відомо про хімічну природу проведення нервових імпульсів, проте електричні характеристики цього процесу детально вивчені й описані.
Якщо ввести в клітину через мембрану мікроелектрод, то можна виміряти різницю потенціалів між зовнішнім середовищем і вмістом клітини. Ця різниця потенціалів між зовнішнім середовищем і вмістом клітини отримала назву потенціалу спокою. Своїм походженням вона зобов'язана відмінностей в концентрації іонів. Якщо на якому-небудь ділянці мембрани проникність для іонів натрію збільшується, то ці іони спрямовуються всередину клітини, нейтралізуючи її негативний заряд. Клітинна мембрана при цьому деполярізуется.
У більшості аксонів нервових клітин використовується більш ефективний спосіб проведення імпульсу, заснований на розвитку потенціалу дії. Потенціал дії _ це імпульс, що проходить вздовж аксона і специфічно змінює за долі секунди мембранний потенціал. Вихідний негативний потенціал швидко падає до нуля, потім досягає позитивного значення, після чого знову встановлюється потенціал спокою.
Відмітною властивістю нервових волокон, що мають здатність проводити імпульси, є наявність мієлінової оболонки.
Мієлінові мембрани надійно ізолюють аксон від навколишнього середовища на всьому протязі, крім спеціальних ділянок, перехоплень Ранвей. За рахунок цього нервовий імпульс знаходить здатність як би перескакувати з однієї ділянки на іншій.
Оскільки число каналів, які проводять іони мало, швидкість проходження натрію через відкриті канали повинна бути високою. Звідси випливає, що ці канали не можуть працювати за допомогою переносників, а повинні бути просто "пори", що відкриваються і закриваються відповідно до змін мембранного потенціалу.
Подібно іонів натрію і іони кальцію активно виводяться з клітини. Градієнт концентрації іонів кальцію по різні боки від мембрани підтримується за допомогою кальцієвого насоса. Роботі насоса протидіє дуже повільна дифузія іонів всередину клітини.
Транспорт через мітохондріальні мембрани.
Мітохондріальні мембрани відрізняються високою вибірковістю. Деякі неіонізованих речовини легко проходять через неї, тоді як транспорт іонних речовин, включаючи аніони дикарбонових та трикарбонових кислот знаходяться під жорстким контролем. У деяких випадках аніони переміщуються в результаті енергозалежної "активного транспорту". В інших випадках аніон може пройти всередину лише в обмін на інший аніон, що виходить назовні. У всіх цих випадках необхідна участь специфічних транслоцірующіх білків-переносників.
Одна із систем транслокації проводить обмін АДФ на АТФ.
Окремий переносник відає доставкою фосфору. Піруват теж потрапляє в мітохондрії за допомогою власного переносника.
З іншого боку, аніон дикарбонових кислот, малат і альфа-кетоглутарат обмінюються у співвідношенні 1:1, так само як і аспартат і глутамат.
Мембрани мітохондрій непроникні для НАДН. У тварин відновлені еквіваленти НАДН надходять в мітохондрії непрямим шляхом. Цю функцію виконує складний малат-аспартатний човниковий механізм.
Існує припущення, що виведення аспартату з мітохондрії пов'язаний зі споживанням енергії, і в цьому випадку можна провести аналогію з роботою натрієвого насоса на цитоплазматичній мембрані
Кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ
На тему:
«Окислення ненасичених жирних кислот. Біосинтез холестерину. Мембранний транспорт »
МІНСЬК, 2008
Окислення ненасичених жирних кислот.
У принципі відбувається так само як і насичених, проте є особливості. Подвійні зв'язку природних ненасичених жирних кислот мають цис-конфігурацію, а в КоА ефірах ненасичених кислот, що є проміжними продуктами при b окисленні, подвійні зв'язки мають транс-конфігурацію. У тканинах є фермент, що змінює конфігурацію подвійного зв'язку цис-в транс-.
Метаболізм кетонових тіл.
Під терміном кетонові (ацетон) тіла увазі ацетоуксусную кислоту, b-гідроксимасляної і ацетон. Кетонові тіла утворюються в печінці в результаті деацілірованія ацетоацетіл КоА. Є дані, що вказують на важливу роль кетонових тіл у підтримці енергетичного гомеостазу. Кетонові тіла - свого роду постачальники палива для м'язів, мозку і нирок і діють як частина регуляторного механізму, що запобігає мобілізацію жирних кислот з депо.
Біосинтез ліпідів.
Біосинтез ліпідів з глюкози є важливою ланкою обміну у більшості організмів. Глюкоза, у кількостях, що перевищують безпосередні енергетичні потреби може бути будівельним матеріалом для синтезу жирних кислот і гліцерину. Синтез жирних кислот у тканинах відбувається у цитоплазмі клітини. У мітохондріях в основному відбувається подовження існуючих ланцюгів жирних кислот.
Внемітохондріальний синтез жирних кислот.
Будівельним блоком для синтезу жирних кислот у цитоплазмі клітини служить ацетил КоА, який в основному відбувається з мітохондріального. Для синтезу необхідна наявність в цитоплазмі вуглекислого газу та йону бікарбонату і цитрат. Мітохондріальний ацетил КоА не може дифундувати в цитоплазму клітини, тому що мітохондріальна мембрана непроникна для нього. Мітохондріальний ацетил КоА взаємодіє з оксалоацетата, утворюючи цитрат і проникає в цитоплазму клітини, де розщеплюється до ацетил КоА і оксалоацетата.
Є ще один шлях проникнення ацетил КоА через мембрану - за участю карнітину.
Етапи біосинтезу жирних кислот:
Освіта Малоні КоА, шляхом зв'язування вуглекислого газу (біотин-фермент і АТФ) з коензимом А. Для цього необхідна наявність НАДФН 2.
Освіта ненасичених жирних кислот:
У тканинах ссавців присутні 4 сімейства ненасичених жирних кислот -
1.пальмітоолеіновая, 2.олеіновая, 3. лінолева, 4.ліноленовая
1 і 2 синтезуються з пальмітинової і стеаринової кислот.
Біосинтез тригліцеридів.
Синтез тригліцеридів відбувається з гліцерину і жирних кислот (стеаринової, пальмітинової, олеїнової). Шлях біосинтезу тригліцеридів відбувається через освіту гліцерол-3-фосфату.
Гліцерол-3-фосфат ацилюється і утворюється фосфатидний кислота. Далі відбувається дефосфорілірованіе фосфатидний кислоти та освіта 1,2-диглицеридов. Потім відбувається етерифікація молекулою ацил КоА та освіта тригліцериду. Гліцерофосфоліпіди синтезуються в ендоплазматичної ланцюга.
Біосинтез насичених жирних кислот.
Безпосереднім попередником двууглеродних одиниць в синтезі жирних кислот служить Малоні КоА.
Повний синтез насичених жирних кислот каталізується особливим синтетазної комплексом, що складається з 7 ферментів. Синтетазної система, каталізіруюшая синтез жирних кислот у розчинній фракції цитоплазми відповідальна за наступну сумарну реакцію при якій одна молекула ацетил КоА і 7 молекул Малоні КоА конденсуються з утворенням однієї молекули пальмітинової кислоти (відновлення здійснюється за рахунок НАДФН). Єдина молекула ацетил КоА, необхідна для реакції служить ініціатором.
Освіта Малоні КоА:
1. Цитрат здатний проходити через мітохондріальну мембрану в цитоплазму. Мітохондріальний ацетил КоА переноситься на оксалоацетата з утворенням цитрату, який може проходити через мітохондріальну мембрану в цитоплазму за допомогою системи переносу. У цитоплазмі цитрат розщеплюється до ацетил КоА, який взаємодіючи з вуглекислим газом перетворюється на Малоні КоА. Лімітуючий фермент всього процесу синтезу жирних кислот - ацетил КоА-карбоксилазою.
2. Ацілпереносящій білок в синтезі жирних кислот служить свого роду якорем, до якого в ході реакцій утворення алифатической ланцюга приєднуються ацильниє проміжні продукти. У мітохондріях молекули насичених жирних кислот подовжуються у формі ефірів КоА шляхом послідовного додавання КоА. Ацильниє групи ацетил КоА і Малоні КоА переносяться на тіолові групи ацил-переносить білка.
3. Після конденсації цих двухуглеродних фрагментів йде їх відновлення з утворенням вищих насичених жирних кислот.
Наступні етапи синтезу жирних кислот у цитоплазмі схожі з реакціями зворотними реакцій мітохондріального b-окислення. Здійснення цього процесу з усіма проміжними продуктами міцно пов'язано з великим многоферментним комплексом - синтетазою жирних кислот.
Регуляція обміну жирних кислот.
Процеси обміну жирів в організмі регулюються нейрогуморальним шляхом. Одночасно ЦНС і кора головного мозку здійснюють узгодженість різних гормональних впливів. Кора головного мозку робить трофічна вплив на жирову тканину або через симпатичну і парасимпатичну систему, або через ендокринні залози.
Підтримка певного співвідношення між катаболизмом і анаболизмом жирних кислот в печінці пов'язано з впливом метаболітів всередині клітини, а також впливом гормональних факторів і споживаної їжі.
При регуляції b-окислення першорядне значення має доступність субстрату. Надходження жирних кислот в клітини печінки забезпечується:
1. захопленням жирних кислот з жирової тканини, регуляція цього процесу здійснюється гормонами.
2. захоплення жирних кислот (зумовлених змістом жирів в їжі).
3. вивільнення жирних кислот під дією ліпази з тригліцеридів печінки.
Другий контролюючий фактор - рівень запасу енергії в клітині (співвідношення АДФ і АТФ). Якщо АДФ багато (клітинні резерви енергії малі), то протікають реакції сполучення, що сприяє синтезу АТФ. Якщо вміст АТФ підвищено, вищезазначені реакції гальмуються, що накопичуються жирні кислоти використовуються для біосинтезу жирів і фосфоліпідів.
Здатність циклу лимонної кислоти катаболізіровать ацетил КоА, який утворюється при b-окисленні має важливе значення в реалізації спільного енергетичного потенціалу катаболізму жирних кислот, а також небажаного накопичення кетонових тіл (ацетооцтова кислота, b-оксибутират і ацетон).
Інсулін підсилює біосинтез жирних кислот, перетворення вуглеводів у жири. Адреналін, тироксин і гормон росту активують розпад (ліполіз) жиру.
Зниження вироблення гормонів гіпофіза і статевих гормонів призводить до стимуляції синтезу жирів.
Порушення ліпідного обміну
1.Порушення процесів всмоктування жирів
а) недостатність надходження панкреатичної ліпази
б) порушення надходження в кишечник жовчі
в) порушення шлунково-кишкового тракту (пошкодження епітеліального покриву).
2. Порушення процесів переходу жиру з крові в тканини - порушується перехід жирних кислот з хіломікронів плазми крові в жирові депо. Це спадкове захворювання, пов'язане з відсутністю ферменту.
3. Кетонурія і кетонемія-при голодуванні в осіб з діабетом вміст кетонових тіл підвищено - це кетонемія. Воно стан супроводжується кетонурія (наявність кетонових тіл у сечі). Зважаючи на незвично високої концентрації кетонових тіл в крові, що притікає м'язи та інші органи не справляються з їх окисленням.
4. Атеросклероз і ліпопротеїди. Доведена провідна роль певних класів ліпопротеїдів в патогенезі атеросклерозу. Формування ліпідних плям і бляшок супроводжується глибокими дистрофічними змінами в межах судинної стінки.
Холестерин
У ссавців велика частина (близько 90%) холестерину синтезується в печінці. Велика частина його (75%) використовується при синтезі так званих жовчних кислот, що допомагають переварюванню ліпідів, що надходять з їжею в кишечнику. Вони роблять їх більш доступними для гідролітичних ферментів - ліпаз. Основний жовчної кислотою є холевая кислота. Холестерин є також матаболіческім попередником інших важливих стероїдів, багато з яких виступають у вигляді гормонів.: Альдостерону і кортизону, естрону, тестостерону і андростерону.
Нормальний рівень холестерину в плазмі крові в межах 150-200 мг / мл. Високий рівень може призвести до відкладення холестеринових бляшок в аорті і дрібних артеріях, це стан відомий під назвою артеріосклерозу (атеросклерозу). В остаточному підсумку він сприяє порушення серцевої діяльності. Підтримка нормального рівня холестерину здійснюється шляхом організації правильного режиму харчування, а також in vivo регуляцією шляху ацетил-КоА. Один зі способів зниження високого рівня холестерину в крові полягає в прийомі всередину сполук, що зменшують здатність організму синтезувати холестерин. Холестерин синтезується в печінці та плазмі крові, упаковується в ліпопротеїнових комплекси, які переносяться в інші клітини. Проникнення холестерину в клітку залежить від наявності мембранних рецепторів, що пов'язують такі комплекси, які проникають у клітину шляхом ендоцитозу і потім лізосомні ферменти звільняють холестерин всередині клітини. У пацієнтів з високим рівнем холестерину в крові були виявлені дефектні рецептори, це - генетичний дефект.
Холестерин є попередником багатьох стероїдів, таких як стероїди калу, жовчні кислоти і стероїдні гормони. При утворенні стероїдних гормонів з холестерину спочатку синтезується проміжний продукт прегненолон, який служить попередником прогестерону - гормону плаценти і жовтого тіла, чоловічих статевих гормонів (тестостерону), жіночих статевих гормонів (естрону) і гормонів кори надниркових залоз (кортикостерону).
Головним вихідним матеріалом для біосинтезу цих гормонів є амінокислота тирозин. Її джерело в клітинах -
1. Протеоліз
2. Освіта з фенілаланіну (незамінною АК)
Біосинтез стероїдних гормонів незважаючи на різноманітний спектр їх дії, є єдиним процесом.
Центральне положення в біосинтезі всіх стероїдних гормонів займає прогестерон.
Є 2 шляхи його синтезу:
З холестерину
З ацетату
У регуляції швидкостей синтезу окремих стероїдних гормонів найважливішу роль грають гормони тропів гіпофіза. АКТГ стимулює біосинтез кортикальних гормонів надниркових залоз.
Є 3 причини розладу біосинтезу і виділення специфічних гормонів:
1. Розвиток патологічного процесу в самій ендокринної залозі.
2. Порушення регуляторних впливів на процеси з боку ЦНС.
3. Порушення координації діяльності окремих залоз внутрішньої секреції.
Біосинтез холестерину.
Цей процес нараховує 35 стадій.
Можна виділити 3 основні:
1. Перетворення активного ацетату в мевалонову кислоту
2. Освіта сквалену
3. Окислювальна циклізація сквалену на холестерин.
Холестерин є попередником багатьох стероїдів:
Стероїдів калу, жовчних кислот, стероїдних гормонів. Розпад холестерину - це перетворення його в жовчні кислоти в печінці.
Показано, що регулювання біосинтезу холестерину здійснюється шляхом зміни синтезу та активності b-гідрокси-b-метил глутаріл КоА-редуктази. Цей фермент локалізований в мембранах ендоплазматичної мережі клітини. Його активність залежить від концентрації холестерину, призводить до зниження активності ферменту. Регуляція активності редуктази холестерином - модель регулювання ключового ферменту кінцевим продуктом за принципом негативного зворотного зв'язку.
Існує і другий шлях біосинтезу мевалонової кислоти.
Два автономних шляхи мають значення для внутрішньоклітинного розмежування біосинтезу холестерину необхідного для внутрішньоклітинних потреб (синтез ліпопротеїдів клітинних мембран) від холестерину, що йде на утворення жирних кислот. У складі ліпопротеїдів холестерин залишає печінку і надходить у кров. Вміст загального холестерину в плазмі крові 130-300 мг / мл.
Молекулярні компоненти мембран.
Більшість мембран складається приблизно з 40% ліпіду і 60% білка. Ліпідна частина мембран містить переважно полярні ліпіди різних типів, практично вся кількість полярних ліпідів клітини зосереджено в її мембранах.
Більшість мембран містить мало триацилгліцеринів і стеринів, винятком у цьому сенсі є плазматичні мембрани клітин вищих тварин з характерним для них високим вмістом холестерину.
Співвідношення між різними ліпідами постійно для кожного даного типу мембран клітини і, отже, визначаються генетично. Більшість мембран характеризується однаковим співвідношенням ліпіду і білка. Майже всі мембрани легко проникні для води і для нейтральних ліпофільних сполук, у меншій мірі проникні для полярних речовин, таких як цукри та аміди й зовсім погано проникні для невеликих іонів, таких як натрій або хлор.
Для більшості мембран характерний високий електричний опір. Ці загальні властивості послужили основою для створення першої важливою гіпотези щодо структури біологічних мембран - гіпотези елементарної мембрани. Відповідно до гіпотези, елементарна мембрана складається з подвійного шару змішаних полярних ліпідів, в якому вуглеводневі ланцюги звернених всередину і утворюють неперервну вуглеводневу фазу, а гідрофільні голови молекул спрямовані назовні, кожна з поверхонь подвійного шару ліпідів покрита мономолекулярним шаром білка, поліпептидні ланцюги якого знаходяться у витягнутій формі . Загальна товщина елементарної мембрани - 90 ангстрем, а товщина подвійного шару ліпідів - 60-70 - ангстрем.
Структурний різноманіття мембран більше, ніж виходячи з гіпотези елементарної мембрани.
Інші моделі мембран:
1. Структурний білок мембрани знаходиться всередині подвійного шару ліпідів, а вуглеводневі хвости ліпідів проникають у вільні простору між згорнутими поліпептидними ланцюгами білка.
2. Молекули структурного білка проходять в певних точках крізь подвійний шар ліпідів. Амінокислотні ділянки поліпептидного ланцюга, що знаходяться всередині вуглеводневої фази, складені переважно з гідрофобних АК.
3. Глобулярна - роль періодично повторюваних структурних одиниць грають невеликі глобулярні ліпопротеїди або ліпідні міцели, що чергуються з молекулами глобулярного білка.
Конкретне поєднання ліпідів в тій чи іншій мембрані може визначатися структурою мембранних білків, яка закодована у відповідних генах. Цілісність цих виключно тонких структур підтримується тільки за рахунок гідрофобних і полярних взаємодій.
Біомембрани:
У загальну структуру мембрани включені поверхневі мембранні білки та інтегральні мембранні білки, які діляться на:
1-структурні та 2-динамічні білки.
Мембранний транспорт:
Мембрана є напівпроникною.
Пасивний транспорт - з'єднання рухається через мембрану з району з високою концентрацією в район з низькою концентрацією без витрати клітиною енергії - це дифузія.
Активний транспорт - відбувається з витратою енергії. Перенесення здійснюється проти градієнта концентрації.
Реакція живих клітин на вплив різних типів біологічно активних речовин, наприклад, гормонів, починається зі зв'язування речовини з зовнішньою поверхнею клітинної мембрани в специфічному місці поверхні, званої рецепторами: наприклад, рецептор ацетилхоліну, інсуліну.
На цій стадії відбувається фосфорилювання ферменту за рахунок АТФ і зв'язування внутрішньоклітинного натрію. На другій стадії (стимулюється іонами калію), відбувається гідроліз фосфорильованого ферменту і іони натрію вивільняються на зовнішній стороні мембрани.
Більшість клітин містить натрієвий насос іншого типу, що відкачують іони натрію із клітини і забезпечує рушійну силу для активного переносу амінокислот і глюкози в клітину. Для систем активного переносу АК необхідний як джерело енергії спрямований усередину клітини градієнт іонів натрію. Більшість клітин містить системи перенесення цукрів. Глюкоза переноситься в клітини за допомогою переносника, який переносить в клітку також іони натрію.
Необхідно враховувати вплив розмірів і в'язких властивостей мембрани, через яку здійснюється перенесення. Товщина мембран зазвичай становить 60-100 ангстрем. Ці розміри великі в порівнянні з розмірами молекули глюкози чи АК (5-6 ангстрем) і навіть молекул невеликих глобулярних білків (25-35 ангстрем)
Як молекули переносники здатні переміщати субстрати на такі великі відстані?
1. Білок переносник разом із зв'язаним лігандом переміщається з одного боку мембрани на іншу в результаті фізичної дифузії.
2. Молекули переносники ймовірно білки фіксовані на мембрані, але можуть зазнавати конформаційні зміни щоб забезпечити перенесення субстрату через мембрану.
Комплексні сполуки: один з іонів, звичайно позитивно заряджений - в центрі - центральний іон. Навколо розташована деяка кількість протилежно заряджених іонів або електронейтральних молекул, що називаються лігандами.
Аквакомплекс - ліганд вода.
Гемоглобін - гем-центральний іон - іон заліза - навколо нього координовані чотири атома азоту, що належать до складного ліганди з циклічними угрупованнями.
Згідно з одним з припущень, зв'язуючий білок володіє сильним спорідненістю до транспортованого речовині (субстрату) і міцно зв'язується з ним на зовнішній поверхні клітини. Утворився комплекс білок-субстрат далі дифундує до внутрішньої сторони мембрани. Тут в результаті процесу, пов'язаного з мимовільно протікає екзергоніческой реакцією, наприклад, з гідролізом АТФ, конформація білка змінюється таким чином, що його спорідненість до субстрату зменшується. У результаті транспортується речовина переходить в клітку, а зв'язуючий білок дифундує назад до зовнішньої поверхні. Там його конформація повертається до початкової, ймовірно, під впливом хімічних впливів.
Які класи молекул та іонів транспортуються через мембрани? З навколишнього середовища в клітину надходять неорганічні іони, причому в результаті переносу іноді вони сильно концентруються. Клітини слизової оболонки шлунка можуть концентрувати іони водню в шлунковому соку приблизно до
В іншій системі транспорт амінокислот і лактози пов'язаний з системою переносу електронів пов'язаної з мембраною окислювально-відновної ланцюга. Вважають, що ця система незалежна від синтезу АТФ.
Внутрішньоклітинні органели мають власні системи, що концентрують іони. Так мітохондрії можуть концентрувати іони калію, кальцію, магнію та інших двовалентних металів, а також і дикарбонові кислоти. У мітохондрій транспорт багатьох речовин відбувається швидше за все за рахунок обмінної дифузії, тобто шляхом вторинного активного транспорту.
Генетичні аспекти транспорту.
У людини наводить цілу низку захворювань, пов'язаних з дефектами мембранного транспорту. При деяких таких захворюваннях порушуються реабсорбція речовин в ниркових канальцях і процес всмоктування в тонкому кишечнику. Цістонурія - спостерігається утворення каменів з цистину в нирках і сечовому міхурі. Відомі також випадки виділення великих кількостей аргініну, лізину і орнитина.
Існування подібних спадкових захворювань свідчить про те, що й у людини клітини мають здатність концентрувати різні АК і інші речовини.
У клітинах ниркових канальців речовини поглинаються на одній стороні клітини і виділяються в кровотік з іншого її боку.
Ще одне рідко зустрічається порушення абсорбційних процесів у людини призводить до розвитку ниркової глікозурії. У цей процес залучені проксимальні ниркові канальці.
Натрій, калій і кальцієвий насоси.
Майже у всіх клітинах концентрація натрію порівняно невелика, тоді як калію - досить висока.
Згідно з однією з гіпотез, цитоплазма за своїми властивостями нагадує іонообмінні смоли, що несуть фіксовані заряди. Іонообмінні смоли з великим числом зшивок вибірково пов'язують певні іони. Наприклад, смоли, що містять залишки сульфокислот, пов'язують калій, а смоли, що містять залишок фосфорної кислоти - натрій.
В даний час найбільш загальноприйнятою є не іонообмінна гіпотеза, а гіпотеза існування в клітинах іонного насосу, викачують з клітин іони натрію і накачувати в них іони калію.
Виявилося, що перенесення іонів блокується інгібіторами, наприклад, ціанідом, який, як відомо, порушує майже всі процеси окисного метаболізму в клітинах. Однак блокування ціанідом знімається при додаванні до клітин АТФ або інших фосфатних сполук, що характеризуються високим значенням потенціалу переносу груп. Оскільки в клітинах еукаріот найактивнішим з'єднанням такого роду є АТФ, передбачається, що саме він служить природним джерелом енергії при концентруванні іонів.
Поглинання клітинами іонів калію і виділення іонів натрію специфічно блокується деякими серцевими глікозидами. Найбільш часто в цих цілях використовують уабаін. Мічений тритієм уабаін зв'язується із зовнішньою поверхнею клітин.
Встановлено, що при надлишку іонів натрію всередині клітини, а іонів калію в зовнішньому оточенні відбувається гідроліз АТФ. Швидкість гідролізу визначається концентрацією іонів обох лужних металів і числом місць, що пов'язують уабаін. Для цього процесу необхідна наявність іонів магнію.
Розглянуті вище факти призвели до концепції, яка передбачає, що (натрій і калій) - залежна АТФ-аза і є, по суті, мембранним іонним насосом. Для активації ферментної системи іони калію і натрію повинні перебувати по різні боки від мембрани.
Стехіометричні співвідношення в натрій-калієвому насосі дуже своєрідні. При розпаді кожної молекули АТФ з клітини викачується 3 іона натрію, а ззовні в клітину накачуються 2 іони калію. Оскільки з клітки викачується більше позитивно заряджених іонів, ніж потрапляє в неї, усередині клітки створюється надлишковий негативний заряд. Наявність негативного заряду всередині клітини було встановлено вже давно, шляхом вимірювання електричного мембранного потенціалу. Оскільки клітинна мембрана все ж проникна для іонів калію, виникнення мембранного потенціалу призводить до дифузії цих іонів через мембрану всередину клітини, що зумовлює часткову нейтралізацію негативного заряду на мембрані. Коли швидкість пасивної дифузії врівноважує мембранний потенціал, що утворюється за рахунок активного транспорту встановлюється стаціонарний стан.
Таким чином, достовірно встановлено, що транспорт натрію і калію іонним насосом забезпечується енергією гідролізу АТФ.
Процес розщеплення АТФ повинен бути пов'язаний з якимось конкретним механізмом, що забезпечує перекачування іонів, який до цих пір залишається нез'ясованим.
Передбачається, що білки іонного насосу перебувають у двох конформаціях. В одній конформації (А) білок міцно пов'язує 3 іона натрію, а в іншій (В) - 2 іони калію. АТФ відіграє роль "мотора", що здійснює конформаційні зміни білка і крім того, може брати безпосередню участь у формуванні ділянок зв'язування іонів.
Мимовільне зв'язування іонів натрію запускає реакцію фосфорилювання, в результаті якої фосфорильної група комплексу магній - АТФ - переноситься і фосфорилювання в свою чергу ініціює перехід білка в конформационное стан В, при якому канал стає відкритим з зовнішньої сторони і закритим - з іншого. Одночасно зменшується спорідненість по відношенню до іонів натрію і ці іони виходять назовні. На наступному етапі пов'язуються 2 іони калію. Для конформації У характерно високу спорідненість до іонів калію. Зворотний перехід в конформацію А, що супроводжується звільненням іонів калію у внутрішній простір клітини, ініціюється гідролітичним відщепленням фосфорильної групи у вигляді неорганічного фосфату. Хімічна природа ділянок зв'язування іонів натрію і калію в іонному насосі невідома.
Проведення нервових імпульсів.
Здатність мембран підтримувати різниця концентрацій іонів між цитоплазмою і позаклітинної середовищем зумовлює їх збудливість, що має важливе практичне значення. Поділ зарядів створює як би "акумулятор" легко доступною енергії, яка може бути використана для проведення електричних сигналів через клітинну мембрану. В даний час мало відомо про хімічну природу проведення нервових імпульсів, проте електричні характеристики цього процесу детально вивчені й описані.
Якщо ввести в клітину через мембрану мікроелектрод, то можна виміряти різницю потенціалів між зовнішнім середовищем і вмістом клітини. Ця різниця потенціалів між зовнішнім середовищем і вмістом клітини отримала назву потенціалу спокою. Своїм походженням вона зобов'язана відмінностей в концентрації іонів. Якщо на якому-небудь ділянці мембрани проникність для іонів натрію збільшується, то ці іони спрямовуються всередину клітини, нейтралізуючи її негативний заряд. Клітинна мембрана при цьому деполярізуется.
У більшості аксонів нервових клітин використовується більш ефективний спосіб проведення імпульсу, заснований на розвитку потенціалу дії. Потенціал дії _ це імпульс, що проходить вздовж аксона і специфічно змінює за долі секунди мембранний потенціал. Вихідний негативний потенціал швидко падає до нуля, потім досягає позитивного значення, після чого знову встановлюється потенціал спокою.
Відмітною властивістю нервових волокон, що мають здатність проводити імпульси, є наявність мієлінової оболонки.
Мієлінові мембрани надійно ізолюють аксон від навколишнього середовища на всьому протязі, крім спеціальних ділянок, перехоплень Ранвей. За рахунок цього нервовий імпульс знаходить здатність як би перескакувати з однієї ділянки на іншій.
Оскільки число каналів, які проводять іони мало, швидкість проходження натрію через відкриті канали повинна бути високою. Звідси випливає, що ці канали не можуть працювати за допомогою переносників, а повинні бути просто "пори", що відкриваються і закриваються відповідно до змін мембранного потенціалу.
Подібно іонів натрію і іони кальцію активно виводяться з клітини. Градієнт концентрації іонів кальцію по різні боки від мембрани підтримується за допомогою кальцієвого насоса. Роботі насоса протидіє дуже повільна дифузія іонів всередину клітини.
Транспорт через мітохондріальні мембрани.
Мітохондріальні мембрани відрізняються високою вибірковістю. Деякі неіонізованих речовини легко проходять через неї, тоді як транспорт іонних речовин, включаючи аніони дикарбонових та трикарбонових кислот знаходяться під жорстким контролем. У деяких випадках аніони переміщуються в результаті енергозалежної "активного транспорту". В інших випадках аніон може пройти всередину лише в обмін на інший аніон, що виходить назовні. У всіх цих випадках необхідна участь специфічних транслоцірующіх білків-переносників.
Одна із систем транслокації проводить обмін АДФ на АТФ.
Окремий переносник відає доставкою фосфору. Піруват теж потрапляє в мітохондрії за допомогою власного переносника.
З іншого боку, аніон дикарбонових кислот, малат і альфа-кетоглутарат обмінюються у співвідношенні 1:1, так само як і аспартат і глутамат.
Мембрани мітохондрій непроникні для НАДН. У тварин відновлені еквіваленти НАДН надходять в мітохондрії непрямим шляхом. Цю функцію виконує складний малат-аспартатний човниковий механізм.
Існує припущення, що виведення аспартату з мітохондрії пов'язаний зі споживанням енергії, і в цьому випадку можна провести аналогію з роботою натрієвого насоса на цитоплазматичній мембрані