Презентация на тему «Транспорт веществ»

Слайд 1. Транспорт веществ

• Как вещества проходят через мембрану клетки и разносятся по всему организму

Доклад: Здравствуйте! Тема нашей презентации — транспорт веществ. Речь пойдёт о том, как вода, соли, газы и питательные вещества проходят через мембрану клетки и как затем разносятся по всему организму. Мы разберём эту тему на двух уровнях сразу: молекулярном, где работают белковые каналы и насосы, и организменном, где переносом занимаются кровь, лимфа и сосуды растений.

Слайд 2. Содержание

• Введение
• Мембрана: строение от поверхности вглубь
• Виды транспорта веществ
• Пассивный и активный транспорт
• Диффузия — движение по градиенту
• Осмос и осмотическое давление
• Клетка в растворах разной концентрации
• Облегчённая диффузия: каналы и переносчики
• Как работает натрий-калиевый насос
• Первично- и вторично-активный транспорт
• Цена транспорта для клетки
• Везикулярный транспорт
• Фагоцитоз и пиноцитоз
• Учёные, раскрывшие механизмы транспорта
• Кровь — транспортная система организма
• Состав крови
• Обмен веществ в капиллярах
• Транспорт веществ у растений
• Когда транспорт нарушается
• Выводы
• Список литературы

Доклад: Вот план нашего разговора. Сначала мы посмотрим, как устроена клеточная мембрана и какие виды транспорта через неё существуют. Затем подробно разберём пассивные механизмы — диффузию и осмос, после них активные насосы и перенос в пузырьках. В заключительной части перейдём на уровень организма: кровь, капилляры, сосуды растений и болезни, связанные с нарушением транспорта.

Слайд 3. Введение

• Транспорт веществ — это перенос воды, солей, газов и питательных веществ через мембраны и по внутренней среде организма; без него невозможны дыхание, питание и выведение продуктов обмена.
• Клетка отделена от окружающей среды мембраной толщиной всего 7–10 нм, но именно эта тонкая плёнка решает, что войдёт внутрь, а что останется снаружи.
• Понимание механизмов транспорта объясняет привычные факты: почему в вену вводят раствор поваренной соли концентрацией 0,9 %, почему эритроциты лопаются в дистиллированной воде, почему солёная почва губит растения.
• Тема связывает молекулярный уровень (насосы и каналы мембраны) с уровнем целого организма (кровь, лимфа, ксилема и флоэма растений).

Доклад: Начнём с того, зачем вообще нужен транспорт веществ. Клетка не может жить в замкнутом объёме: ей постоянно требуется приток кислорода и питательных веществ и отток продуктов обмена. Всё это проходит через мембрану толщиной всего семь-десять нанометров. Понимание этих механизмов сразу объясняет практику: почему в вену вводят раствор соли концентрацией ноль целых девять десятых процента и почему эритроциты лопаются в дистиллированной воде.

Слайд 4. Мембрана: строение от поверхности вглубь

• Модель предложили Сеймур Сингер и Гарт Николсон в 1972 году.
• Основа мембраны — двойной слой фосфолипидов: головки гидрофильные, хвосты гидрофобные.
• В бислое, как мозаика, «плавают» белки: одни пронизывают мембрану насквозь, другие лежат на поверхности.
• Именно белки обеспечивают избирательность: чистый липидный слой пропускал бы только мелкие незаряженные молекулы.
• Гликокаликс — наружный слой из цепочек углеводов, отвечает за узнавание клеток
• Наружный монослой липидов — гидрофильные головки обращены к межклеточной жидкости
• Гидрофобное ядро — хвосты жирных кислот, главный барьер для ионов и воды
• Внутренний монослой липидов — головки обращены в цитоплазму
• Кортикальный цитоскелет — сеть белковых нитей, поддерживающая форму клетки

Доклад: Посмотрим на мембрану послойно, от поверхности внутрь. Снаружи находится гликокаликс — цепочки углеводов, по которым клетки узнают друг друга. Дальше идёт двойной слой фосфолипидов, в середине которого располагается гидрофобное ядро из жирнокислотных хвостов; именно оно и служит главным барьером для ионов. Изнутри мембрану поддерживает сеть белковых нитей цитоскелета. Эту картину описывает жидкостно-мозаичная модель Сингера и Николсона тысяча девятьсот семьдесят второго года.

Слайд 5. Виды транспорта веществ

• Все способы переноса веществ через мембрану делят по одному признаку — тратит ли клетка на них энергию. Пассивный транспорт идёт «сам собой», активный требует затрат аденозинтрифосфата, а крупные частицы клетка перевозит в мембранных пузырьках.
• Простая диффузия
• Облегчённая диффузия
• Осмос
• Фильтрация
• Первично-активный
• Вторично-активный
• Симпорт
• Антипорт
• Фагоцитоз
• Пиноцитоз
• Экзоцитоз
• Трансцитоз

Доклад: Все способы переноса удобно разделить по одному признаку — тратит клетка энергию или нет. Пассивный транспорт включает простую и облегчённую диффузию, осмос и фильтрацию: они идут сами собой. Активный транспорт бывает первично- и вторично-активным и всегда требует энергии. Отдельная группа — везикулярный транспорт, когда крупные частицы перевозятся в мембранных пузырьках.

Слайд 6. Пассивный и активный транспорт

• Разница между двумя главными способами переноса сводится к направлению движения относительно градиента концентрации и к тому, платит ли клетка за перенос энергией.
• Идёт по градиенту: из области большей концентрации в область меньшей
• Энергия аденозинтрифосфата не расходуется, движущая сила — тепловое движение молекул
• Прекращается, когда концентрации по обе стороны мембраны выравниваются
• Примеры: поступление кислорода в клетку, выход углекислого газа, всасывание воды
• Идёт против градиента: вещество накапливается там, где его и так больше
• Обязательно требует энергии — прямо из аденозинтрифосфата или из ранее созданного градиента
• Работает, пока клетка жива; при отравлении дыхательными ядами останавливается
• Примеры: натрий-калиевый насос, кальциевый насос мышц, всасывание глюкозы в кишечнике

Доклад: Сравним два главных механизма напрямую. Пассивный транспорт идёт по градиенту концентрации, то есть оттуда, где вещества больше, туда, где его меньше; энергия не расходуется, а движущей силой служит обычное тепловое движение молекул. Активный транспорт, наоборот, движется против градиента и обязательно оплачивается энергией аденозинтрифосфата. Именно поэтому при отравлении дыхательными ядами активный транспорт останавливается, а диффузия продолжается.

Слайд 7. Диффузия — движение по градиенту

• Диффузия — самопроизвольное перемешивание частиц из-за их непрерывного теплового движения; вещество расходится из места с высокой концентрацией туда, где его меньше.
• Скорость простой диффузии описывает закон Фика: она тем выше, чем больше разность концентраций и площадь поверхности и чем тоньше барьер.
• Простой диффузией через липидный слой проходят мелкие незаряженные и жирорастворимые молекулы: кислород, углекислый газ, азот, стероидные гормоны, мочевина.
• В лёгких кислород диффундирует из альвеолярного воздуха в кровь, а углекислый газ — в обратном направлении; толщина барьера здесь менее одного микрометра.

Доклад: Диффузия — самое простое и самое распространённое явление переноса. Частицы непрерывно движутся из-за теплового движения и постепенно распределяются равномерно. Скорость этого процесса описывает закон Фика: чем больше разность концентраций и площадь поверхности и чем тоньше барьер, тем быстрее идёт перенос. Простой диффузией через липидный слой проходят кислород, углекислый газ, азот, стероидные гормоны и мочевина.

Слайд 8. Осмос и осмотическое давление

• π = i · C · R · T
• π — осмотическое давление раствора, килопаскали
• i — изотонический коэффициент: на сколько частиц распадается вещество в растворе
• C — молярная концентрация растворённого вещества, моль на литр
• R — универсальная газовая постоянная, 8,31 джоуля на моль-кельвин
• T — абсолютная температура раствора, кельвины

Доклад: Осмос — это частный случай диффузии, движение растворителя, то есть воды, через полупроницаемую перегородку в сторону более концентрированного раствора. Силу этого движения оценивают осмотическим давлением, которое рассчитывают по уравнению Вант-Гоффа. Обратите внимание на изотонический коэффициент: поваренная соль в растворе распадается на два иона, поэтому её осмотическое действие вдвое сильнее, чем у такого же количества сахара.

Слайд 9. Клетка в растворах разной концентрации

• Осмолярность плазмы крови человека держится в узких пределах 285–295 миллиосмоль на литр — это и есть «норма» для клеток внутренней среды.
• Разрушение эритроцитов в гипотоническом растворе называют гемолизом; у растительной клетки отход цитоплазмы от оболочки в гипертоническом растворе называют плазмолизом.

Доклад: Теперь посмотрим, что происходит с живой клеткой в растворах разной концентрации. В гипотоническом растворе вода устремляется внутрь, клетка набухает и разрывается — это гемолиз. В изотоническом растворе, где соли столько же, сколько внутри клетки, объём остаётся прежним. В гипертоническом растворе вода уходит наружу, и клетка сморщивается; у растений отход цитоплазмы от оболочки называют плазмолизом.

Слайд 10. Облегчённая диффузия: каналы и переносчики

• Облегчённая диффузия — перенос по градиенту, но не сквозь липиды, а через белок мембраны; энергия по-прежнему не тратится
• Ионный канал — белковая пора с воротами, пропускает строго определённые ионы со скоростью до миллионов частиц в секунду
• Аквапорин — канал только для молекул воды, ускоряет её прохождение в десятки раз и не пропускает ионы
• Белок-переносчик — связывает молекулу, меняет форму и «перекладывает» её на другую сторону мембраны
• Насыщаемость — отличие от простой диффузии: когда все переносчики заняты, дальнейший рост концентрации скорость уже не увеличивает

Доклад: Многие важные для клетки вещества через липидный слой не проходят: ионы заряжены, глюкоза слишком крупная. Для них существует облегчённая диффузия — перенос по градиенту, но через белки мембраны. Ионные каналы пропускают строго определённые ионы с огромной скоростью, аквапорины ускоряют прохождение воды, а белки-переносчики связывают молекулу и перекладывают её на другую сторону. Важное отличие от простой диффузии — насыщаемость: когда все переносчики заняты, скорость перестаёт расти.

Слайд 11. Как работает натрий-калиевый насос

• Насос — это встроенный в мембрану белок-фермент, расщепляющий аденозинтрифосфат.
• За один рабочий цикл он выводит три иона натрия и вводит два иона калия.
• Заряды выносятся неравномерно, поэтому внутренняя сторона мембраны становится отрицательной.
• Так поддерживается потенциал покоя, без которого невозможны нервный импульс и сокращение мышцы.
• Связывание натрия — три иона натрия из цитоплазмы садятся в центры насоса
• Расщепление аденозинтрифосфата — остаток фосфорной кислоты присоединяется к белку
• Смена формы — белок разворачивается наружу и теряет сродство к натрию
• Выброс натрия и захват калия — три иона натрия уходят из клетки, два иона калия связываются снаружи
• Возврат — фосфат отщепляется, белок разворачивается внутрь и отпускает калий в цитоплазму

Доклад: Разберём работу самого известного насоса — натрий-калиевого. За один цикл он выбрасывает из клетки три иона натрия и вводит два иона калия, расходуя одну молекулу аденозинтрифосфата. Цикл состоит из связывания натрия, присоединения остатка фосфорной кислоты, разворота белка наружу, обмена натрия на калий и возврата в исходное положение. Поскольку зарядов выносится больше, чем вносится, внутренняя сторона мембраны заряжается отрицательно — так создаётся потенциал покоя.

Слайд 12. Первично- и вторично-активный транспорт

• Энергию для движения против градиента клетка получает двумя путями: либо тратит аденозинтрифосфат прямо на месте, либо пользуется уже созданным запасом — градиентом ионов натрия.
• Белок-насос сам расщепляет аденозинтрифосфат и сразу использует освободившуюся энергию
• Натрий-калиевый насос есть в мембране практически каждой клетки животного
• Кальциевый насос закачивает кальций обратно в цистерны мышечного волокна, вызывая расслабление
• Протонный насос слизистой желудка выкачивает ионы водорода и создаёт соляную кислоту
• Использует энергию градиента натрия, который до этого создал натрий-калиевый насос
• Симпорт — вещество и ион натрия движутся через переносчик в одну сторону
• Антипорт — вещество и ион натрия проходят навстречу друг другу
• Так глюкоза и аминокислоты всасываются из кишечника даже при их низкой концентрации в пище

Доклад: Активный транспорт бывает двух видов. При первично-активном белок-насос сам расщепляет аденозинтрифосфат: так работают натрий-калиевый насос, кальциевый насос мышечного волокна и протонный насос желудка, создающий соляную кислоту. При вторично-активном транспорте клетка не тратит аденозинтрифосфат напрямую, а пользуется готовым градиентом натрия. Именно так глюкоза и аминокислоты всасываются из кишечника, даже когда их концентрация в пище очень мала.

Слайд 13. Цена транспорта для клетки

• Поддержание разницы концентраций по обе стороны мембраны — одна из самых дорогих статей расхода энергии в организме.
• 3 : 2 — ионы за один цикл — три иона натрия наружу против двух ионов калия внутрь
• 20–30 % — энергии покоя — доля аденозинтрифосфата, уходящая на работу натрий-калиевых насосов
• −70 мВ — потенциал покоя — заряд внутренней стороны мембраны нервной клетки

Доклад: Поддержание разницы концентраций обходится организму дорого. Соотношение три к двум показывает, сколько ионов насос перемещает за один цикл. На работу натрий-калиевых насосов уходит порядка двадцати-тридцати процентов энергии, которую организм тратит в покое, а в нервных клетках эта доля ещё выше. Результат этих затрат — потенциал покоя около минус семидесяти милливольт, без которого невозможны ни нервный импульс, ни сокращение мышцы.

Слайд 14. Везикулярный транспорт

• Крупные частицы и капли жидкости через поры пройти не могут — клетка переносит их в мембранных пузырьках.
• Поглощение внутрь называют эндоцитозом, выведение наружу — экзоцитозом.
• Так работают лейкоциты, клетки кишечника и железы, выделяющие ферменты и гормоны.
• Узнавание — рецепторы мембраны связывают частицу на поверхности клетки
• Впячивание — участок мембраны прогибается внутрь, обхватывая добычу
• Отшнуровывание — образуется замкнутый пузырёк-везикула внутри цитоплазмы
• Переваривание — везикула сливается с лизосомой, ферменты расщепляют содержимое
• Экзоцитоз — непереваренные остатки в пузырьке выводятся наружу через мембрану

Доклад: Крупные частицы через каналы и переносчики пройти не могут, поэтому клетка перевозит их в мембранных пузырьках. Сначала рецепторы узнают частицу, затем участок мембраны впячивается и обхватывает её, после чего пузырёк отшнуровывается внутрь цитоплазмы. Дальше везикула сливается с лизосомой, и ферменты расщепляют содержимое, а непереваренные остатки выводятся наружу экзоцитозом. Так работают лейкоциты, клетки кишечника и железы.

Слайд 15. Фагоцитоз и пиноцитоз

• Фагоцитоз — захват твёрдых частиц: бактерий, обломков клеток, чужеродных телец; свойствен лейкоцитам и амёбам
• Пиноцитоз — захват капель жидкости с растворёнными веществами; идёт в клетках кишечника и почечных канальцев
• Эндоцитоз

Доклад: Эндоцитоз имеет две разновидности. Фагоцитоз — это захват твёрдых частиц: бактерий, обломков клеток, чужеродных телец; им занимаются лейкоциты и одноклеточные вроде амёбы. Пиноцитоз — захват капель жидкости с растворёнными веществами, он идёт в клетках кишечника и почечных канальцев. Различие только в том, что именно поглощается, а механизм у обоих процессов один и тот же.

Слайд 16. Учёные, раскрывшие механизмы транспорта

• Илья Ильич Мечников, 1845–1916, Открыл фагоцитоз в 1882 году и создал учение о клеточном иммунитете; Нобелевская премия 1908 года.
• Йенс Кристиан Скоу, 1918–2018, Датский биохимик, в 1957 году обнаружил натрий-калиевый насос; Нобелевская премия по химии 1997 года.
• Питер Агре, родился в 1949, Открыл аквапорины — белковые каналы для воды; Нобелевская премия по химии 2003 года.
• Родерик Маккиннон, родился в 1956, Расшифровал строение и работу ионных каналов мембраны; Нобелевская премия по химии 2003 года.

Доклад: За каждым механизмом стоят конкретные учёные. Илья Ильич Мечников открыл фагоцитоз в тысяча восемьсот восемьдесят втором году и получил Нобелевскую премию в тысяча девятьсот восьмом. Датчанин Йенс Кристиан Скоу обнаружил натрий-калиевый насос в тысяча девятьсот пятьдесят седьмом году и был отмечен премией по химии в тысяча девятьсот девяносто седьмом. Питер Агре открыл аквапорины, а Родерик Маккиннон расшифровал устройство ионных каналов — они разделили Нобелевскую премию по химии две тысячи третьего года.

Слайд 17. Кровь — транспортная система организма

• У взрослого человека 4,5–5 литров крови, что составляет примерно 6–8 % массы тела; полный круг она проходит меньше чем за минуту.
• Кислород переносят эритроциты: в одном микролитре крови их 4–5 миллионов, а содержание гемоглобина у взрослого составляет около 130–160 граммов на литр.
• Плазма несёт растворённые питательные вещества, гормоны, витамины и продукты обмена — мочевину, мочевую кислоту, углекислый газ в виде гидрокарбонатов.
• Кроме крови в переносе участвуют лимфа, возвращающая жидкость из тканей в венозное русло, и межклеточная жидкость, омывающая каждую клетку.

Доклад: Поднимемся на уровень целого организма. Здесь роль транспортной системы играет кровь: её у взрослого человека четыре с половиной — пять литров, около шести-восьми процентов массы тела. Кислород переносят эритроциты, которых в одном микролитре четыре-пять миллионов, а питательные вещества, гормоны и продукты обмена растворены в плазме. Дополняют картину лимфа и межклеточная жидкость, омывающая каждую клетку.

Слайд 18. Состав крови

• Больше половины объёма крови приходится на плазму, которая на 90–92 % состоит из воды — именно вода служит растворителем для всех переносимых веществ.
• Доля форменных элементов, определяемая при анализе как гематокрит, у мужчин составляет около 40–48 %, у женщин — 36–42 %.

Доклад: Диаграмма показывает, из чего состоит кровь. Больше половины объёма — плазма, которая на девяносто с лишним процентов состоит из воды; именно вода служит универсальным растворителем для всех переносимых веществ. Около сорока четырёх процентов приходится на эритроциты и лишь около одного процента — на лейкоциты и тромбоциты. Долю форменных элементов в анализе крови называют гематокритом.

Слайд 19. Обмен веществ в капиллярах

• Обмен между кровью и клетками идёт только в капиллярах: их стенка образована одним слоем плоских клеток эндотелия, а просвет составляет 5–10 микрометров — эритроцит проходит по нему, изгибаясь.
• Кровь течёт в капилляре очень медленно, около 0,5–1 миллиметра в секунду, и это даёт время на обмен газами и питательными веществами.
• В артериальном конце капилляра гидростатическое давление крови выше онкотического, и жидкость выходит в ткань; в венозном конце соотношение обратное, и жидкость всасывается обратно.
• Суммарная длина всех капилляров человека оценивается примерно в сто тысяч километров — благодаря этому площадь обмена огромна при крошечном диаметре каждого сосуда.

Доклад: Сам обмен между кровью и клетками происходит только в капиллярах. Их стенка состоит из одного слоя плоских клеток, а просвет настолько узок, что эритроцит протискивается по нему, изгибаясь. Кровь здесь течёт очень медленно — меньше миллиметра в секунду, и это даёт время для обмена. В начале капилляра жидкость выходит в ткань, в конце — всасывается обратно; равновесие этих давлений и обеспечивает нормальный обмен.

Слайд 20. Транспорт веществ у растений

• Ксилема — восходящий ток воды и минеральных солей от корня к листьям
• Флоэма — нисходящий ток сахаров от листьев к корню и плодам
• Корневое давление — нагнетает почвенный раствор в сосуды снизу
• Транспирация — испарение с листьев тянет непрерывный столб воды вверх

Доклад: У растений транспорт устроен иначе, но не менее эффективно. По сосудам ксилемы вода и минеральные соли поднимаются от корня к листьям, а по ситовидным трубкам флоэмы органические вещества спускаются от листьев к корням и плодам. Снизу раствор нагнетает корневое давление, а сверху непрерывный столб воды тянет вверх испарение с листьев — транспирация. Так дерево поднимает воду на десятки метров без единого насоса.

Слайд 21. Когда транспорт нарушается

• 01 — Муковисцидоз — Наследственный дефект мембранного канала для ионов хлора: слизь становится густой и закупоривает бронхи и протоки желёз.
• 02 — Сердечные гликозиды — Лекарства из наперстянки тормозят натрий-калиевый насос, из-за чего в клетке сердца растёт кальций и сокращения усиливаются.
• 03 — Отёк — Нарушено равновесие давлений в капилляре: жидкость выходит в ткань быстрее, чем всасывается обратно.
• 04 — Анемия — Снижение гемоглобина и числа эритроцитов уменьшает перенос кислорода, отсюда слабость и одышка.

Доклад: Наконец, посмотрим, что бывает при сбоях транспорта. При муковисцидозе нарушен мембранный канал для ионов хлора, из-за чего слизь становится густой и закупоривает бронхи. Сердечные гликозиды намеренно тормозят натрий-калиевый насос, усиливая сокращения сердца, — это пример лекарства, мишенью которого стал насос. Отёк возникает при нарушении равновесия давлений в капилляре, а анемия снижает перенос кислорода кровью.

Слайд 22. Выводы

• Транспорт веществ — обязательное условие жизни: он снабжает клетку сырьём и энергией и уносит отходы обмена.
• Пассивный транспорт идёт по градиенту и энергии не требует, активный движется против градиента и оплачивается аденозинтрифосфатом.
• Избирательность мембраны создают не липиды, а встроенные в них белки — каналы, переносчики и насосы.
• На уровне организма перенос обеспечивают кровь, лимфа и межклеточная жидкость, у растений — ксилема и флоэма.
• Сбои транспорта лежат в основе многих болезней, поэтому мембранные каналы и насосы стали важнейшими мишенями лекарств.

Доклад: Подведём итоги. Транспорт веществ — обязательное условие жизни клетки и организма. Пассивные механизмы идут по градиенту и бесплатны, активные движутся против градиента и оплачиваются энергией. Избирательность мембраны создают белки — каналы, переносчики и насосы. На уровне организма перенос обеспечивают кровь, лимфа и межклеточная жидкость, а у растений — ксилема и флоэма. Именно поэтому мембранные белки стали важнейшими мишенями современных лекарств.

Слайд 23. Список литературы

• Альбертс, Б. Молекулярная биология клетки / Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и другие. — Москва ; Ижевск : Регулярная и хаотическая динамика, 2013.
• Каменский, А. А. Биология. Общая биология. 10—11 классы : учебник / А. А. Каменский, Е. А. Криксунов, В. В. Пасечник. — Москва : Дрофа, 2019.
• Судаков, К. В. Нормальная физиология : учебник / под редакцией К. В. Судакова. — Москва : ГЭОТАР-Медиа, 2015.
• Чебышев, Н. В. Биология : учебник / Н. В. Чебышев, Г. Г. Гринева. — Москва : ГЭОТАР-Медиа, 2019.
• Ярыгин, В. Н. Биология : учебник : в 2 томах / под редакцией В. Н. Ярыгина. — Москва : ГЭОТАР-Медиа, 2020.

Доклад: При подготовке презентации использованы учебники по общей биологии и нормальной физиологии, а также классическое руководство по молекулярной биологии клетки. Все приведённые цифры — объём крови, осмолярность плазмы, потенциал покоя — взяты из этих источников и соответствуют общепринятым данным. Список оформлен по действующему государственному стандарту библиографического описания.

Слайд 24. Спасибо за внимание!

Доклад: На этом доклад окончен. Мы прошли путь от отдельной молекулы, проходящей сквозь мембрану, до кровеносной системы целого организма и сосудов растений. Спасибо за внимание — готов ответить на ваши вопросы.