Mapa tecnológico da aula

Tema: membrana biológica. Transporte de substâncias através das membranas biológicas.

Classe: 10º ano

Tipo de aula: uma lição para aprender novos conhecimentos

Alvo: formação de ideias sobre a estrutura da membrana celular e seus sistemas de transporte

Tarefas:

Educacional:

apresentar um breve histórico da descoberta da biomembrana;

aprofundar o conhecimento sobre a estrutura da membrana plasmática;

considerar os principais tipos de sistemas de transporte da membrana celular;

revelar o significado desses sistemas na vida humana.

Em desenvolvimento:

promover o desenvolvimento da fala dos alunos, colocando uma questão que requer uma resposta detalhada e coerente.

criar condições para o desenvolvimento da atenção voluntária ao explicar o novo material.

promover o desenvolvimento do pensamento visual-figurativo ao demonstrar apresentações, materiais visuais.

Educacional:

criar condições para formar os alunos com uma correta imagem científica do mundo.

capacidade de planejar a cooperação educacional com os colegas e o professor.

Termos e conceitos básicos: membrana celular, transporte passivo, difusão, osmose, transporte ativo, bomba sódio-potássio, proteína permiase, transporte vesicular, vesícula, endocitose, fagocitose, pinocitose, exocitose.

Métodos de ensino: verbal (conversação, explicação), visual, parcialmente exploratório, problemático, trabalho com texto de apresentação.

Formas de estudo: frontal

Equipamento: Apresentação TIC "Membranas biológicas"

Plano de aula:

estágio organizacional.

Estabelecendo metas e objetivos para a aula. Motivação da atividade educativa dos alunos.

Atualização de conhecimento.

Aprendendo novos materiais

Verificação inicial de entendimento

Informações sobre o dever de casa, briefing sobre sua implementação

Reflexão

Durante as aulas:

saudações;

consertando falta

Cumprimenta os alunos, verifica sua prontidão para a aula.

Os alunos levantam-se para cumprimentar o professor, preparam-se para a lição

Pessoal: auto-organização

Comunicativo: planejar a cooperação educacional com o professor e os colegas.

2. Estabelecendo metas e objetivos para a aula. Motivação da atividade educativa dos alunos

8 min.

criar condições para o surgimento de uma necessidade interna de inclusão nas atividades

O que a ciência da "citologia" estuda?

O que é uma célula? Qual é o nome do cientista, como resultado de cujas descobertas o conceito foi introduzido "célula"?

Todos os organismos vivos na Terra são compostos de células, e cada célula é cercada por uma casca protetora - uma membrana.

Alguém sabe o que significa membrana?

Que associações você tem com essa palavra?

A palavra "membrana" na tradução do latim significa "pele, filme". A membrana é uma estrutura da célula muito ativa e em constante trabalho, na qual muitas funções são atribuídas pela natureza.

Hoje vamos falar sobre a estrutura da membrana celular e como as substâncias passam para dentro e para fora da célula.

Uma explicação para a qual é necessário o conhecimento da estrutura e propriedades da membrana celular e dos mecanismos de transporte.

Consideração da história da pesquisa de membranas celulares.

Pessoal, talvez um de vocês saiba o que eram os modelos e qual modelo agora é geralmente aceito?

Em 1925, I. Gorter e A. Grendel mostraram que a membrana celular é uma dupla camada (bicamada) de moléculas lipídicas.

Em 1935, J. Danielli e H. Dawson mostraram que, além dos lipídios, a membrana celular contém proteínas. Foi assim que surgiu o modelo “sanduíche”, no qual a membrana plasmática era representada como duas camadas de proteínas, entre as quais havia uma bicamada lipídica.

Por que o modelo de membrana criado por Dawson e Danieli é chamado de “modelo sanduíche”? (Para referência: um sanduíche é um sanduíche fechado).

1972 S.D. Cantora e G. L. Nicholson propôs um modelo fluido-mosaico da membrana

Como o modelo de membrana celular criado pelos cientistas Singer e Nicholson é diferente do modelo criado por Davson e Danieli?

Por que a analogia do segundo modelo é com um mar revolto em que flutuam icebergs? Qual matéria orgânica simboliza icebergs e qual - um mar revolto? (onde as proteínas da membrana "flutuam" na bicamada lipídica líquida, como icebergs em mar aberto. Supunha-se que as proteínas não são ordenadas de forma alguma e podem se mover livremente na membrana).

-Pessoal, tentem definir a membrana celular.

A membrana celular também é chamada de membrana citoplasmática (plasmalemma) ou biomembrana - que é a parte principal do aparelho de superfície que é universal para todas as células. Sua espessura é de cerca de 5-10 nm. (nanômetros).

Vamos olhar para o modelo moderno e responder qual é o principal componente?

Lembre-se das funções das proteínas e das propriedades dos lipídios.

A estrutura de um fosfolipídio.

O fosfolipídio consiste em uma cabeça hidrofílica polar e caudas hidrofóbicas não polares, representadas por cadeias de ácidos graxos. Na membrana citoplasmática, as cabeças hidrofílicas estão voltadas para os lados externo e interno da membrana e as caudas hidrofóbicas voltadas para o interior da membrana.

As moléculas de proteína estão associadas à bicamada lipídica.

Tipos de proteínas da membrana celular.

que podem penetrá-lo por completo, são chamadas de proteínas integrais ou transmembranares, parcialmente imersas nela - são proteínas semi-integrais, ou adjuntas de fora ou de dentro - proteínas periféricas.

componente de carboidrato

As membranas podem incluir um componente carboidrato (10%), representado por cadeias de oligossacarídeos ou polissacarídeos associados a moléculas de proteínas (glicoproteínas) ou lipídios (glicolipídeos). Os carboidratos geralmente estão localizados na superfície externa da membrana e desempenham funções de receptor.

A aparência da membrana em evolução é a maior aromorfose. Devido a isso, o conteúdo da célula ficou delimitado do ambiente externo.

LEMBRAR! Em uma célula animal, a membrana é entendida como uma membrana + glicocálice.

Além da membrana, as células vegetais também possuem uma espessa membrana de celulose na parte externa -parede celular - desempenha uma função de suporte devido à camada externa rígida, que dá às células uma forma clara.

Associações de nome em um determinado tópico

Os alunos escrevem o tema da aula

Os alunos fazem as anotações necessárias em um caderno (observe o modelo moderno de Nicholson e Singer)

Alunos dão seus palpites

Os alunos analisam dois tipos de modelo e tiram conclusões

Anote a definição

Os alunos analisam o desenho, nomeiam os principais componentes

Esboce a membrana celular.

Alunos dão seu palpite

Os alunos desenham a estrutura de um fosfolipídio

Marque os tipos de proteínas

Marcar caudas de carboidratos

Pessoal: auto-organização

Regulatório: a capacidade de regular as próprias ações;

cognitivo: estruturação do conhecimento, criação independente de algoritmos de atividade na resolução de problemas

Comunicativo: planejar a cooperação educacional com o professor e os colegas;

3. Aprendendo novos materiais

20-25 minutos.

Organize uma percepção significativa do conhecimento sobre a reprodução como ciência. Criar condições para o desenvolvimento da capacidade de estabelecer relações causais entre o conhecimento já estudado e o novo material

Propriedades da Membrana .

a) Mobilidade .

A bicamada lipídica é essencialmente uma formação líquida, dentro do plano do qual as moléculas podem se mover livremente - “fluir” sem perda de contatos devido à atração mútua (demonstração do fluxo de líquido na parede de uma bolha de sabão pendurada em um tubo plástico ). Caudas hidrofóbicas podem deslizar livremente uma em relação à outra.

b) A capacidade de auto-fechamento .

(demonstração de como ao perfurar uma bolha de sabão e depois remover a agulha, a integridade de sua parede é imediatamente restaurada) . Devido a essa capacidade, as células podem se fundir por fusão de suas membranas plasmáticas (por exemplo, durante o desenvolvimento do tecido muscular).

dentro) Permeabilidade seletiva . Para que a célula funcione normalmente, o transporte e o controle de fronteira devem ser estabelecidos. A membrana plasmática protege sua célula como um objeto especial. Por exemplo, através de uma dupla camada de lipídios passam livremente e uma rede de substâncias que passam por canais especiais de membrana ou proteínas transportadoras

Há uma série de funções importantes que as membranas celulares desempenham:

estrutural (incluído na maioria das organelas);

barreira (A membrana separa o conteúdo celular do ambiente externo, protege a célula da entrada de substâncias estranhas e garante a manutenção da constância do ambiente intracelular),

regulação dos processos metabólicos ;

receptor ( Os sítios receptores estão localizados na superfície externa da membrana, onde ocorre a ligação de hormônios e outras moléculas reguladoras).

e transporte.

Imagine que substâncias precisam penetrar na célula. Para fazer isso, é necessário superar a membrana plasmática. De que formas conhecidas de penetração de substâncias você consegue se lembrar?

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Existem dois tipos principais de transferência, passiva e ativa. A passiva também é chamada de difusão.

O que você entende por difusão?

Então,se uma substância se move através da membrana de uma região de alta concentração para baixa concentração (ou seja, ao longo do gradiente de concentração dessa substância)e é realizado sem gasto de energia tal transporte é chamadopassivo ou difuso. Elepor sua vez é dividido em difusão simples e facilitada, osmose.

Com difusão simples há um movimento espontâneo de substâncias através da membrana da área onde a concentração dessas substâncias é maior para a área onde sua concentração é menor. Por difusão simples, pequenas moléculas (por exemplo, H 2 0, 0 2 , С0 2 , uréia) e íons. Como regra, estas são substâncias não polares. A difusão simples é relativamente lenta

Para acelerar o transporte difuso, existem proteínas transportadoras de membrana, que se ligam seletivamente a um ou outro íon ou molécula (moléculas polares e íons) e as transportam através da membrana. Esse tipo de transporte é chamadodifusão facilitada . A taxa de transferência de substâncias com difusão facilitada é muitas vezes maior do que com difusão simples.

A água é absorvida pela célula principalmente por osmose. A osmose é a difusão de água através de uma membrana semipermeável causada por uma diferença de concentração. A osmose é uma forma de difusão na qual apenas moléculas de água se movem.

transporte, que realizado quando , quando a transferência contra o gradiente de concentração é chamada de transporte passivo. Tal transferência requer o gasto de energia pela célula. O transporte ativo serve para acumular substâncias dentro da célula. Para o transporte ativo existem bombas especiais que operam usando energia. A fonte de energia é frequentemente ATP. O transporte ativo é de importância decisiva, pois garante a concentração seletiva de substâncias necessárias à vida da célula.

Realizar o transporte de substâncias, mecanismos especiais, são bombas de íons ou ATP-ases.

Existem três bombas de íons:

Sódio-potássio (N / D/ K– ATPase)

Bombas de cálcio (Ca - ATPase)

bombas de prótons (H– ATPase)

Todas as bombas de ATP são proteínas transmembranares - permeases. Essas proteínas podem conduzir uma substância em uma direção (uniporte - sódio) ou várias substâncias simultaneamente em uma direção (simporte - cloro, aminoácidos, sacarose), ou duas substâncias na direção oposta (antiporte - magnésio, sódio, manganês). Assim, a glicose pode entrar nas células junto com o íonN / D +.

Dependendo da fonte de energia utilizada, o transporte ativo é dividido em dois tipos: ativo primário e ativo secundário. Para o transporte ativo primário, a energia é extraída diretamente da quebra do ATP ou de alguns outros compostos de fosfato de alta energia. Um dos transportes ativos primários mais comuns é a bomba de sódio-potássio.(vídeo).

transporte ativo secundário é fornecida pela energia secundária acumulada na forma da diferença nas concentrações de substâncias laterais, moléculas ou íons, em ambos os lados da membrana celular, criada inicialmente pelo transporte ativo primário. Por exemplo, a membrana celular da mucosa do intestino delgado contém uma proteína que realiza a transferência (simporte) de glicose e Na + paraas células epiteliais mais altas da mucosa respiratória.

Um tipo peculiar e relativamente bem estudado de transporte de membrana étransporte vesicular.

Alguém sabe como é feito esse tipo de transporte de material? O que é uma vesícula? Como você entende?

Vesícula - traduzido literalmente como um saco embalado. Dependendo da direção em que as substâncias são transferidas (para dentro ou para fora da célula), distinguem-se dois tipos desse transporte - endocitose e exocitose.

Endocitose - Absorção pela célula de partículas externas pela formação de vesículas de membrana. Existem tipos de endocitose como: fagocitose e pinocitose.

Qual é o processo de fagocitose? Onde você o conheceu antes?

Fagocitose - um processo celular no qual as células fagocitárias embutidas na membrana capturam e digerem partículas sólidas de nutrientes. No corpo humano, a fagocitose é realizada por membranas de dois tipos de células: granulócitos (leucócitos granulares) e macrófagos (células assassinas do sistema imunológico);

pinocitose – o processo de captura pela superfície da membrana celular das moléculas do líquido em contato com ela.

Exocitose - processo, reverso

endocitose; removido das células

sólidos não digeridos

partículas e secreção líquida.

Os alunos escrevem as propriedades da membrana celular

Escreva as funções da membrana

Apresentar seus pensamentos sobre a possibilidade de penetração de uma substância na célula

Os alunos marcam os tipos de transferência de substâncias em seus cadernos.

Esboce esquematicamente a difusão simples e faça comentários sobre o desenho.

Esboce esquematicamente a difusão facilitada e faça comentários sobre a figura.

Esboce esquemáticamente a osmose e faça comentários sobre o desenho

Fazendo anotações em um caderno

Esboce o mecanismo da bomba de sódio-potássio

Alunos dão seu palpite

Os alunos escrevem definições e esboçam

Pessoal: compreender os motivos de suas ações ao realizar tarefas; formar uma atitude positiva em relação à aprendizagem, à atividade cognitiva, o desejo de adquirir novos conhecimentos, a capacidade de reconhecer os próprios erros e se esforçar para superá-los;

Cognitivo: a capacidade de pensar de forma eficaz e trabalhar com informação;capacidade de trabalhar com um livro e fazer uma mesa;busca e seleção das informações necessárias;a capacidade de identificar a essência, as características dos objetos; a capacidade de tirar conclusões com base na análise de objetos;

4. Consolidação dos conhecimentos adquiridos

5 minutos.

Correlação das tarefas definidas com o resultado alcançado, fixando novos conhecimentos, estabelecendo novas metas

Exercício. Analise as situações propostas, faça analogias apropriadas e responda que tipos de transporte através da membrana estão em questão.

A) Você está no meio da multidão no ponto de ônibus. Um ônibus vazio se aproxima. As pessoas começam a encher o ônibus. Isso acontece com bastante facilidade. Na paragem torna-se mais livre e o autocarro fica igualmente cheio.(passiva)

b) Você está sozinho no ponto de ônibus. Um ônibus lotado se aproxima, e você precisa sair por todos os meios. Você precisa trabalhar os cotovelos para entrar no ônibus. É verdade que um dos passageiros compassivos pode ajudá-lo.(ativo)

Os alunos analisam as situações apresentadas e tiram conclusões.

Pessoal: auto-organização

Regulatório: a capacidade de organizar suas atividades; planejar seu trabalho ao executar uma tarefa; controle sobre o desempenho do trabalho;a capacidade de determinar o sucesso de sua tarefa;

Comunicativo: a capacidade de construir uma declaração de fala de acordo com as tarefas; a capacidade de formular seus pensamentos oralmente.

5. Lição de casa

2 minutos.

Instruções de lição de casa

Faça suas anotações (definições, desenhos esquemáticos)

Os alunos escrevem a tarefa em um diário. Faça perguntas sobre sua implementação.

Pessoal: a capacidade de avaliar o conteúdo digerível;

Comunicativo: a capacidade de comunicar, interagir com os pares e com o professor;a capacidade de construir uma declaração de fala de acordo com as tarefas; a capacidade de formular seus pensamentos oralmente.

6. Reflexão

3 min.

Compreender o processo e o resultado da atividade

Os alunos dão a sua opinião.

Eles nomeiam as principais posições do novo material e como as aprenderam (o que funcionou, o que não funcionou e por quê)

Pessoal: a capacidade de analisar as próprias atividades; planejar outras etapas para atingir o objetivo.

Regulatório:destaque e conscientização por parte dos alunos do que já foi aprendido e do que ainda precisa ser dominado, conscientização da qualidade e nível de assimilação;capacidade de organizar suas atividades; planejando seu trabalho ao concluir uma tarefa

Comunicativo:capacidade de pensamento crítico; a capacidade de se apresentar; ouvir e considerar os pontos de vista de outras pessoas.

Transporte passivo inclui difusão simples e facilitada - processos que não requerem gasto energético. Difusão- transporte de moléculas e íons através da membrana de uma área com alta para uma área com baixa concentração, ou seja. As substâncias se movem ao longo de um gradiente de concentração. A difusão da água através das membranas semipermeáveis ​​é chamada de osmose. A água também é capaz de passar pelos poros da membrana formados por proteínas e transportar moléculas e íons de substâncias nela dissolvidas. O mecanismo de difusão simples é a transferência de pequenas moléculas (por exemplo, O2, H2O, CO2); este processo é de pouca especificidade e prossegue a uma taxa proporcional ao gradiente de concentração das moléculas transportadas em ambos os lados da membrana.

Difusão facilitadaé realizada através de canais e (ou) proteínas carreadoras que possuem especificidade em relação às moléculas transportadas. Os canais iônicos são proteínas transmembrana que formam pequenos poros de água através dos quais pequenas moléculas e íons solúveis em água são transportados ao longo do gradiente eletroquímico. As proteínas transportadoras também são proteínas transmembranares que sofrem alterações conformacionais reversíveis que asseguram o transporte de moléculas específicas através do plasmalema. Eles funcionam nos mecanismos de transporte passivo e ativo.

transporte Ativoé um processo de uso intensivo de energia devido ao qual a transferência de moléculas é realizada com a ajuda de proteínas transportadoras contra um gradiente eletroquímico. Um exemplo de mecanismo que fornece transporte ativo de íons dirigido de forma oposta é a bomba sódio-potássio (representada pela proteína transportadora Na + -K + -ATPase), devido à qual os íons Na + são removidos do citoplasma e os íons K + são simultaneamente transferidos para ele. A concentração de K + dentro da célula é 10-20 vezes maior do que fora, e a concentração de Na é vice-versa. Essa diferença nas concentrações de íons é garantida pela operação da bomba (Na * -K *>. Para manter essa concentração, três íons Na são transferidos da célula para cada dois íons K * para dentro da célula. Esse processo envolve uma proteína em a membrana que atua como uma enzima que decompõe o ATP, liberando a energia necessária para acionar a bomba.
A participação de proteínas específicas de membrana no transporte passivo e ativo indica a alta especificidade desse processo. Esse mecanismo mantém a constância do volume celular (regulando a pressão osmótica), bem como o potencial de membrana. O transporte ativo de glicose para dentro da célula é realizado por uma proteína transportadora e é combinado com a transferência unidirecional do íon Na+.

Transporte leveíons é mediada por proteínas transmembranares especiais - canais iônicos que fornecem transferência seletiva de certos íons. Esses canais consistem no sistema de transporte real e um mecanismo de porta que abre o canal por algum tempo em resposta a uma mudança no potencial de membrana, (b) ação mecânica (por exemplo, nas células ciliadas do ouvido interno), ligação de um ligante (molécula ou íon sinal).

O transporte de substâncias pela membrana também difere na direção de seu movimento e a quantidade de substâncias transportadas por este transportador:

• Uniport - transporte de uma substância em uma direção dependendo do gradiente
• Simporte é o transporte de duas substâncias na mesma direção através de um transportador.
• Antiport é o movimento de duas substâncias em direções diferentes através de um transportador.

Uniport realiza, por exemplo, um canal de sódio dependente de voltagem através do qual os íons de sódio se movem para dentro da célula durante a geração de um potencial de ação.

Simporte realiza um transportador de glicose localizado no lado externo (voltado para o lúmen intestinal) das células do epitélio intestinal. Essa proteína captura simultaneamente uma molécula de glicose e um íon sódio e, alterando sua conformação, transfere ambas as substâncias para dentro da célula. Neste caso, é utilizada a energia do gradiente eletroquímico, que, por sua vez, é criado devido à hidrólise do ATP pela ATP-ase sódio-potássio.

Antiporto realiza, por exemplo, ATPase sódio-potássio (ou ATPase sódio-dependente). Ele transporta íons de potássio para dentro da célula. e fora da célula - íons de sódio. Inicialmente, este transportador liga três íons ao interior da membrana N / D+ . Esses íons alteram a conformação do sítio ativo da ATPase. Após essa ativação, a ATPase é capaz de hidrolisar uma molécula de ATP, e o íon fosfato é fixado na superfície do carreador a partir do interior da membrana.

A energia liberada é gasta na mudança da conformação da ATPase, após a qual três íons N / D+ e íon (fosfato) estão do lado de fora da membrana. Aqui os íons N / D+ se separa e é substituído por dois íons K+ . Então a conformação do transportador muda para a original, e os íons K+ aparecem no lado interno da membrana. Aqui os íons K+ separou-se e a transportadora está pronta para trabalhar novamente

E ativo transporte. O transporte passivo ocorre sem consumo de energia ao longo de um gradiente eletroquímico. Os passivos incluem difusão (simples e facilitada), osmose, filtração. O transporte ativo requer energia e ocorre apesar de uma concentração ou gradiente elétrico.
transporte Ativo
Este é o transporte de substâncias apesar da concentração ou gradiente elétrico, que ocorre com os custos de energia. Existem o transporte ativo primário, que requer a energia do ATP, e o secundário (a criação de gradientes de concentração de íons em ambos os lados da membrana devido ao ATP, e a energia desses gradientes já é utilizada para o transporte).
O transporte ativo primário é amplamente utilizado no corpo. Está envolvido na criação de uma diferença de potenciais elétricos entre os lados interno e externo da membrana celular. Com a ajuda do transporte ativo, várias concentrações de Na +, K +, H +, SI "" e outros íons são criados no meio da célula e no líquido extracelular.
O transporte de Na+ e K+ - Na+,-K+-Hacoc tem sido melhor estudado. Esse transporte ocorre com a participação de uma proteína globular com peso molecular de cerca de 100.000. A proteína possui três sítios de ligação ao Na+ na superfície interna e dois sítios de ligação ao K+ na superfície externa. Há uma alta atividade de ATPase na superfície interna da proteína. A energia gerada durante a hidrólise do ATP leva a mudanças conformacionais na proteína e, ao mesmo tempo, três íons Na + são removidos da célula e dois íons K + são introduzidos nela. de Na + no líquido extracelular e uma alta concentração de K + - na célula.
Recentemente, as bombas de Ca2+ têm sido intensamente estudadas, pelo que a concentração de Ca2+ na célula é dezenas de milhares de vezes menor do que fora dela. Existem bombas de Ca2+ na membrana celular e nas organelas celulares (retículo sarcoplasmático, mitocôndrias). As bombas de Ca2+ também funcionam à custa da proteína transportadora nas membranas. Esta proteína tem uma alta atividade ATPase.
transporte ativo secundário. Devido ao transporte ativo primário, uma alta concentração de Na + é criada fora da célula, surgem condições para a difusão de Na + na célula, mas junto com Na +, outras substâncias podem entrar nela. Esse transporte “é direcionado em uma direção, é chamado de simporte. Caso contrário, a entrada de Na+ estimula a saída de outra substância da célula, são dois fluxos direcionados em direções diferentes – uma antiporta.
Um exemplo de simporte seria o transporte de glicose ou aminoácidos junto com Na+. A proteína transportadora tem dois sítios para ligação de Na+ e para ligação de glicose ou aminoácidos. Cinco proteínas separadas foram identificadas para ligar cinco tipos de aminoácidos. Outros tipos de simporte também são conhecidos - transporte de N + junto com a célula, K + e Cl- da célula, etc.
Em quase todas as células, há um mecanismo antiport - Na + entra na célula e Ca2 + sai dela, ou Na + - na célula e H + - fora dela.
Mg2+, Fe2+, HCO3- e muitas outras substâncias são ativamente transportadas através da membrana.
A pinocitose é um dos tipos de transporte ativo. Está no fato de que algumas macromoléculas (principalmente proteínas, cujas macromoléculas têm um diâmetro de 100-200 nm) estão ligadas aos receptores de membrana. Esses receptores são específicos para diferentes proteínas. Sua fixação é acompanhada pela ativação das proteínas contráteis da célula - actina e miosina, que formam e fecham a cavidade com essa proteína extracelular e uma pequena quantidade de líquido extracelular. Isso cria uma vesícula pinocítica. Ela secreta enzimas que hidrolisam essa proteína. Os produtos da hidrólise são absorvidos pelas células. A pinocitose requer a energia do ATP e a presença de Ca2+ no meio extracelular.
Assim, existem muitos modos de transporte de substâncias através das membranas celulares. Diferentes tipos de transporte podem ocorrer em diferentes lados da célula (nas membranas apical, basal e lateral). Um exemplo disso seriam os processos que ocorrem em

Na membrana, existem 2 tipos de sistemas especializados de proteínas integrais que garantem o transporte de íons através da membrana celular: bombas de íons e canais iônicos. Ou seja, existem 2 tipos principais de transporte de íons através da membrana: passivo e ativo.

Bombas de íons e gradientes de íons transmembrana

Bombas iônicas (bombas)- proteínas integrais que fornecem transferência ativa de íons contra o gradiente de concentração. A energia para o transporte é a energia da hidrólise do ATP. Existem bomba de Na+/K+ (bombe Na+ para fora da célula em troca de K+), bomba Ca++ (bomba Ca++ para fora da célula), bomba Cl– (bomba Cl - para fora da célula) .

Como resultado da operação das bombas de íons, gradientes de íons transmembrana são criados e mantidos:

• a concentração de Na +, Ca ++, Cl - dentro da célula é menor do que fora (no líquido intercelular);
• a concentração de K+ dentro da célula é maior do que fora.

O mecanismo da bomba de sódio-potássio. NCH ​​em um ciclo transfere 3 íons Na+ da célula e 2 íons K+ para dentro da célula. Isso se deve ao fato de que a molécula de proteína integral pode estar em 2 posições. A molécula de proteína que forma o canal tem um sítio ativo que se liga a Na+ ou K+. Na posição (conformação) 1, ele está voltado para dentro da célula e pode anexar Na+. A enzima ATPase é ativada, que decompõe o ATP em ADP. Como resultado, a molécula se transforma na conformação 2. Na posição 2, ela fica voltada para fora da célula e pode anexar K+. Então a conformação muda novamente e o ciclo se repete.

canais iônicos

canais iônicos- proteínas integrais que fornecem transporte passivo de íons ao longo do gradiente de concentração. A energia para o transporte é a diferença na concentração de íons em ambos os lados da membrana (gradiente iônico transmembrana).

Canais não seletivos têm as seguintes propriedades:

• passar todos os tipos de íons, mas a permeabilidade para íons K + é muito maior do que para outros íons;
• estão sempre abertos.

Os canais seletivos têm as seguintes propriedades:

• passar apenas um tipo de íons; cada tipo de íon tem seu próprio tipo de canais;
• pode estar em um dos 3 estados: fechado, ativado, inativo.

A permeabilidade seletiva do canal seletivo é fornecida filtro seletivo, que é formado por um anel de átomos de oxigênio carregados negativamente, que está localizado no ponto mais estreito do canal.

A mudança de estado do canal é fornecida pela operação mecanismo de portão, que é representado por duas moléculas de proteína. Essas moléculas de proteínas, as chamadas portas de ativação e portas de inativação, alterando sua conformação, podem bloquear o canal iônico.

Em repouso, a porta de ativação está fechada, a porta de inativação está aberta (o canal está fechado). Quando um sinal é aplicado ao sistema de porta, a porta de ativação se abre e o transporte de íons através do canal começa (o canal é ativado). Com uma despolarização significativa da membrana celular, o portão de inativação se fecha e o transporte de íons é interrompido (o canal é inativado). Quando o nível do potencial de repouso é restaurado, o canal retorna ao seu estado original (fechado).

Dependendo do sinal que causa a abertura da porta de ativação, os canais iônicos seletivos são divididos em:

• canais quimiossensíveis– um sinal para abrir a porta de ativação é uma mudança na conformação da proteína receptora associada ao canal como resultado da fixação de um ligante a ele;
• canais sensíveis à voltagem- um sinal para abrir o portão de ativação é uma diminuição do potencial de repouso (despolarização) da membrana celular a um certo nível, que é chamado de nível crítico de despolarização(KUD).

O transporte ativo de substâncias é realizado contra o gradiente total (generalizado). Isso significa que a transferência de uma substância vai de locais com menor valor do potencial eletroquímico para locais com maior valor.

O transporte ativo não pode ocorrer espontaneamente, mas apenas em conjunto com o processo de hidrólise do trifosfato de adenosina (ATP), ou seja, devido ao gasto de energia armazenada nas ligações macroérgicas da molécula de ATP.

O transporte ativo de substâncias através das membranas biológicas é de grande importância. Devido ao transporte ativo, são criados no corpo gradientes de concentração, gradientes de potencial elétrico, gradientes de pressão, etc., que sustentam os processos vitais, ou seja, do ponto de vista da termodinâmica, o transporte ativo mantém o corpo em estado de não equilíbrio , garantindo o curso normal dos processos de vida.

Além da fonte de energia, é necessária a existência de certas estruturas para que ocorra a transferência ativa. De acordo com conceitos modernos, as membranas biológicas contêm bombas de íons que operam devido à energia da hidrólise de ATP ou as chamadas ATPases de transporte, representadas por complexos proteicos.

Atualmente, são conhecidos três tipos de bombas de íons eletrogênicas que realizam a transferência ativa de íons através da membrana. Esta é K + -Na + -ATPase nas membranas citoplasmáticas (K + -Na + -bomba), Ca 2+ - ATPase (Ca 2+ -bomba) e H + - ATPase nas membranas mitocondriais de acoplamento de energia (bomba H + - ou bomba de prótons).

A transferência de íons por ATPases de transporte ocorre devido à conjugação de processos de transferência com reações químicas, devido à energia do metabolismo celular.

Durante o trabalho da K + -Na + -ATPase, devido à energia liberada durante a hidrólise de cada molécula de ATP, dois íons potássio são transferidos para dentro da célula e três íons sódio são simultaneamente bombeados para fora da célula. Assim, cria-se uma concentração aumentada de íons potássio na célula e uma concentração reduzida de sódio em comparação com o meio intercelular, o que é de grande importância fisiológica.

Na Ca 2+ -ATPase, dois íons cálcio são transferidos devido à energia da hidrólise do ATP e dois prótons são transportados na bomba de H +.

O mecanismo molecular do trabalho das ATPases iônicas não é totalmente compreendido. No entanto, as principais etapas desse complexo processo enzimático podem ser rastreadas. No caso de K + -Na + -ATPase (nós a denotaremos por brevidade como E), existem sete estágios de transferência de íons associados à hidrólise de ATP. As designações E 1 e E 2 correspondem à localização do sítio ativo da enzima nas superfícies interna e externa da membrana (ADP-adenosina difosfato, P - fosfato inorgânico, um asterisco indica o complexo ativado):

1) E + ATP à E*ATP,

2) E * ATP + 3Naà [E * ATP] * Na 3,

3) [E * ATP] * Na 3 à * Na 3 + ADP,

4) *Na 3 a *Na 3,

5) *Na 3 + 2K a *K 2 + 3Na,

6) *K 2 a *K 2,

7) *K 2 à E + P + 2K.

O esquema mostra que as etapas-chave do trabalho da enzima são: 1) a formação de um complexo enzimático com ATP na superfície interna da membrana (essa reação é ativada por íons de magnésio); 2) ligação pelo complexo de três íons sódio; 3) fosforilação da enzima com formação de difosfato de adenosina; 4) mudança na conformação da enzima dentro da membrana; 5) a reação de troca iônica de sódio por potássio, ocorrendo na superfície externa da membrana; 6) uma mudança reversa na conformação do complexo enzimático com a transferência de íons potássio para dentro da célula e 7) o retorno da enzima ao seu estado original com a liberação de íons potássio e fosfato inorgânico. Assim, para um ciclo completo, três íons sódio são liberados da célula, o citoplasma é enriquecido com dois íons potássio e uma molécula de ATP é hidrolisada.

Além das bombas de íons discutidas acima, são conhecidos sistemas semelhantes nos quais o acúmulo de substâncias está associado não à hidrólise de ATP, mas ao trabalho de enzimas redox ou fotossíntese. O transporte de substâncias neste caso é secundário, mediado pelo potencial de membrana e (ou) pelo gradiente de concentração de íons na presença de carreadores específicos na membrana. Esse mecanismo de transporte é chamado de transporte ativo secundário. Nas membranas plasmáticas e subcelulares das células vivas, é possível o funcionamento simultâneo do transporte ativo primário e secundário. Esse mecanismo de transferência é especialmente importante para os metabólitos para os quais não há bombas (açúcares, aminoácidos).

A transferência unidirecional conjunta de íons com a participação de um transportador de dois sítios é chamada de simporte. Supõe-se que a membrana pode conter um carreador em um complexo com um cátion e um ânion e um carreador vazio. Como o potencial de membrana não muda nesse esquema de transferência, a causa da transferência pode ser a diferença nas concentrações de um dos íons. Acredita-se que o acúmulo de aminoácidos pelas células seja realizado de acordo com o esquema de simporte.

Conclusões e conclusão.

No processo da vida, os limites da célula são atravessados ​​por várias substâncias, cujos fluxos são efetivamente regulados. A membrana celular lida com essa tarefa com sistemas de transporte embutidos nela, incluindo bombas iônicas, um sistema de moléculas transportadoras e canais iônicos altamente seletivos.

À primeira vista, tal abundância de sistemas de transferência parece redundante, porque a operação apenas de bombas de íons permite fornecer as características características do transporte biológico: alta seletividade, transferência de substâncias contra forças de difusão e campo elétrico. O paradoxo, porém, é que o número de vazões a serem reguladas é infinitamente grande, enquanto há apenas três bombas. Neste caso, os mecanismos de conjugação de íons, chamados de transporte ativo secundário, nos quais os processos difusos desempenham um papel importante, adquirem particular importância. Assim, a combinação do transporte ativo de substâncias com os fenômenos de transferência por difusão na membrana celular é a base que garante a atividade vital da célula.

Desenvolvido pelo chefe do Departamento de Física Biológica e Médica, Candidato a Ciências Físicas e Matemáticas, Professor Associado Novikova N.G.