Биологические мембраны. Пассивный и активный транспорт веществ через мембрану Виды транспорта веществ через биологические мембраны

Градиент концентрации (от лат. gradi, gradu, gradus - ход, движение, течение, приближение; con - с, вместе, совместно + centrum - центр) или концентрационный градиент - это векторная физическая величина , характеризующая величину и направление наибольшего изменения концентрации какого-либо вещества в среде. Например, если рассмотреть две области с различной концентрацией какого-либо вещества, разделенные полупроницаемой мембраной, то градиент концентрации будет направлен из области меньшей концентрации вещества в область с большей его концентрацией.

Активный транспорт - перенос вещества через клеточную или внутриклеточную мембрану (трансмембранный А.т.) или через слой клеток (трансцеллюлярный А.т.), протекающий против градиента концентрации из области низкой концентрации в область высокой, т. е. с затратой свободной энергии организма. В большинстве случаев, но не всегда, источником энергии служит энергия макроэргических связей АТФ .

Различные транспортные АТФазы, локализованные в клеточных мембранах и участвующие в механизмах переноса веществ, являются основным элементом молекулярных устройств - насосов, обеспечивающих избирательное поглощение и откачивание определенных веществ (например, электролитов) клеткой. Активный специфический транспорт неэлектролитов (молекулярный транспорт) реализуется с помощью нескольких типов молекулярных машин - насосов и переносчиков. Транспорт неэлектролитов (моносахаридов, аминокислот и других мономеров) может сопрягаться с симпортом - транспортом другого вещества, движение которого против градиента концентрации является источником энергии для первого процесса. Симпорт может обеспечиваться ионными градиентами (например, натрия) без непосредственного участия АТФ.

Пассивный транспорт - перенос веществ по градиенту концентрации из области высокой концентрации в область низкой, без затрат энергии (например, диффузия , осмос ). Диффузия - пассивное перемещение вещества из участка большей концентрации к участку меньшей концентрации. Осмос - пассивное перемещение некоторых веществ через полупроницаемую мембрану (обычно мелкие молекулы проходят, крупные не проходят).

Существует три типа проникновения веществ в клетку через мембраны: простая диффузия, облегчённая диффузия, активный транспорт .

Простая диффузия

При простой диффузии частицы вещества перемещаются сквозь билипидный слой. Направление простой диффузии определяется только разностью концентраций вещества по обеим сторонам мембраны. Путём простой диффузии в клетку проникают гидрофобные вещества (O2,N2,бензол) и полярные маленькие молекулы (CO 2 , H 2 O, мочевина ). Не проникают полярные относительно крупные молекулы (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы) и макромолекулы (ДНК, белки).

Облегченная диффузия

Большинство веществ переносится через мембрану с помощью погружённых в неё транспортных белков (белков-переносчиков). Все транспортные белки образуют непрерывный белковый проход через мембрану. С помощью белков-переносчиков осуществляется как пассивный, так и активный транспорт веществ. Полярные вещества (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы) проходят через мембраны с помощью облегченной диффузии, при участии белков-каналов или белков-переносчиков. Участие белков-переносчиков обеспечивает более высокую скорость облегченной диффузии по сравнению с простой пассивной диффузией. Скорость облегченной диффузии зависит от ряда причин: от трансмембранного концентрационного градиента переносимого вещества, от количества переносчика, который связывается с переносимым веществом, от скорости связывания вещества переносчиком на одной поверхности мембраны (например, на наружной), от скорости конформационных изменений в молекуле переносчика, в результате которых вещество переносится через мембрану и высвобождается на другой стороне мембраны. Облегченная диффузия не требует специальных энергетических затрат за счет гидролиза АТФ. Эта особенность отличает облегченную диффузию от активного трансмембранного транспорта.

Мембранный транспорт веществ может включать однонаправ­ленный перенос молекулы какого-то вещества или совместный транс­порт двух различных молекул в одном или противоположных направ­лениях.

Пассивный транспорт. Включает простую и облегченную диф­фузию - процессы, которые не требуют затраты энергии. Механизмом Простой диффузии Осуществляется перенос мелких молекул (например, О2, Н2О, СО2); этот процесс малоспецифичен и протекает со ско­ростью, пропорциональной градиенту концентрации транспортируемых молекул по обеим сторонам мембраны. Облегченная диффузия Осущест­вляется через каналы и (или) белки-переносчики, которые обладают специфичностью в отношении транспортируемых молекул. В качестве ионных каналов выступают трансмембранные белки, образующие мел­кие водные поры, через которые по электрохимическому градиенту транспортируются мелкие водорастворимые молекулы и ионы. Белки-переносчики также являются трансмембранными белками, которые пре­терпевают обратимые изменения конформации, обеспечивающие транс­порт специфических молекул через плазмолемму. Они функционирую в механизмах как пассивного, так и активного транспорта.

Активный транспорт. Является энергоемким процессом, благода­ря которому перенос молекул осуществляется с помощью Белков-пере­носчиков Против электрохимического градиента. Примером механизма, обеспечивающего противоположно направленный активный транспорт ионов, служит натриево-калиевый насос (представленный белком-пере­носчиком На+-К+~АТФазой), благодаря которому ионы Na+ выводятся из цитоплазмы, а ионы К+ одновременно переносятся в нее. Этот ме­ханизм обеспечивает поддержание Постоянства объема клетки (путем регуляции осмотического давления), а также Мембранного потенциала, Активный транспорт глюкозы в клетку осуществляется белком-перенос­чиком и сочетается с однонаправленным переносом иона Na+.

Облегченный транспорт ионов. Опосредуется особыми трансмем­бранными белками - Ионными каналами, обеспечивающими избиратель­ный перенос определенных ионов. Эти каналы состоят из Собственно транспортной системы и воротного механизма, Который открывает канал на некоторое время в ответ на (а) изменение мембранного потен­циала, (б) механическое воздействие (например, в волосковых клетках внутреннего уха), (в) связывание Лиганда (сигнальной молекулы или иона).

Эндоцитоз. Транспорт макромолекул в клетку осуществляется с помощью механизма Эндоцитоза (от греч. endo - внутрь и cytos -клетка). Материал, находящийся во внеклеточном пространстве, захва­тывается в области впячивания (инвагинации) плазмолеммы, края кото­рого смыкаются с формированием Эндоцитозного пузырька Или Эндо-сомы - Мелкого сферического образования, герметически окруженного мембраной (рис. 3-3 и 3-5). Далее содержимое эндосомы подвергается внутриклеточной переработке (процессингу). В частности, в эндосоме в условиях закисления среды происходит отделение лиганда от рецеп­тора (последний в дальнейшем используется повторно) - см. ниже. Раз­новидностями эндоцитоза служат Пиноцитоз и фагоцитоз.

Пиноцитоз (от греч. pinein - пить и cytos - клетка) - захват и по­глощение клеткой жидкости и (или) растворимых вешеств; подразделя­ется на Макропиноцитоз (диаметр эндосом 0.2-0.3 мкм) и Микропиноцитоз (диаметр эндосом - 70-100 нм).

Фагоцитоз (от греч, phagein - Поедать и cytos - клетка) - захват и поглощение клеткой плотных, обычно крупных (размером более 1 мкм) частиц; обычно сопровождается образованием выпячиваний ци­топлазмы - Псевдоподий, Охватывающих объект фагоцитоза и смыкаю­щихся над ним (см. рис. 3-3).

Рецепторно-опосредованный эндоцитоз. Эффективность эндоцитоза существенно увеличивается, если он опосредован мембранными Ре­цепторами, Которые связываются с молекулами поглощаемого вещества или молекулами, находящимися на поверхности фагоцитируемого объ­екта - Лигандами (от лат. ligare - связывать). В дальнейшем (после по­глощения вещества) комплекс рецеитор-лиганд расщепляется, и рецеп­торы могут вновь возвратиться в плазмолемму.

Примером рецепторно-опосредов энного взаимодействия может слу­жить фагоцитоз лейкоцитом бактерии (см. рис. 7-8). Поскольку на плаз-молемме лейкоцита имеются Рецепторы к иммуноглобулинам (антите­лам), скорость фагоцитоза резко возрастает, если поверхность бакте­рии покрыта антителами (опсонинами - От греч. opson - приправа).

Окаймленные пузырьки и ямки. Рецепторы макромолекул в плазмолемме, перемещаясь латерально по клеточной поверхности, могут, связывая свои лиганды, Накапливаться в Области формирующихся Эндо-цитозных ямок. Очень часто вокруг таких ямок и образующихся из них пузырьков со стороны цитоплазмы собирается сетевидная оболочка из белка Клатрина, Которая на срезах имеет вид щетинистой каемки (рис. 3-4), В покрытых клатриновой оболочкой (окаймленных) Ямках рецепторные белки мембраны вытесняют все остальные; таким образом ямки действуют как Приспособления для накопления и сортировки мо­лекул. Этим механизмом достигается и значительная экономия в ходе процесса эндоцитоза: для поглощения определенного количества моле­кул лиганда требуется значительно меньше пузырьков, чем было бы в случае диффузного распределения комплексов рецептор-лиганд.

Окаймленная ямка Достигает своего максимального размера (около 0.3 мкм) в течение 1 мин и превращается в Окаймленный пузырек. Его содержимое может подвергаться процессингу лишь после того, как че­рез несколько секунд он утратит клатриновую оболочку. Если она со­храняется, пузырек не способен сливаться с другими структурами (анаНарушение транспорта ЛНП Описанным механизмом при врож­денном наследственном заболевании - Семейной гиперхолестеринемии - Обусловлено отсутствием или наличием дефектных рецепторов ЛНП, неспособных связывать лиганд или накапливаться в окаймленных ям­ках. При этом поглощение клетками холестерина, поступающего с ЛНП, ослаблено, а его уровни в крови резко повышены, вызывая быс­трое развитие атеросклероза и смерть больных в молодом возрасте от ишемической болезни сердца.

Экзоцитоз (от греч. ехо - наружу и cytos - клетка) - процесс, об­ратный эндоцитозу, при котором мембранные Экзоцитозные пузырьки Приближаются к плазмолемме и сливаются с ней своей мембраной, ко­торая встраивается в плазмолемму. При этом содержимое пузырьков (продукты собственного синтеза клетки или транспортируемые ею мо­лекулы, непереваренные и вредные вещества и др.) выделяется во вне­клеточное пространство (см. рис. 3-5).

Судьба выделяемых экзоцитозом синтезированных клеткой молекул неодинакова: (1) прикрепляясь к клеточной поверхности, они могут ста­новиться Периферическими белками (например, антигенами); (2) они мо­гут войти в состав Межклеточного вещества (например, коллаген и гликозаминогликаны; (3) попадая во внеклеточную жидкость, они мо­гут выполнять роль Сигнальных молекул (гормоны, цитокины).

Трансцитоз (от лат. trans - сквозь, через и греч. cytos - клетка) процесс, характерный для некоторых типов клеток, Объединяющий при­знаки эндоцитоза и экзоцитоза. На одной поверхности клетки форми­руется Эндоцитозный пузырек, Который переносится к противополож­ной поверхности клетки и, становясь Экзоцитозным пузырьком, Выделя­ет свое содержимое во внеклеточное пространство. Процессы трансцитоза протекают очень активно в цитоплазме плоских клеток, выстилаю­щих сосуды (эндотелиоцитах), Особенно в капиллярах. В этих клетках пузырьки, сливаясь, могут образовывать временные Трансцеллюлярные каналы, Через которые транспортируются водорастворимые молекулы.

Ход образования эндоцитозных пузырьков опосредуется особыми (фузогенными - От лат. fusio - слияние) мембранными белками, которые концентрируются в участках инвагинации плазмолеммы. Эти же белки при экзоцитозе способствуют слиянию мембраны пузырька с плазмолем-мой (см. рис. 3-5). Важную роль в процессах эндоцитоза и экзоцитоза играют элементы цитоскелета, в частности, микрофиламенты и микро­трубочки (см. ниже).

Баланс процессов эндоцитоза и экзоцитоза. Эндоцитоз Вслед­ствие постоянной отпшуровки пузырьков с поверхности плазмолеммы должен приводить к уменьшению ее площади при одновременном увели­чении объема клетки. Так, например, в макрофагах за 1 ч за счет эндо­цитоза вносится до 25% объема цитоплазмы, а за 0.5 ч общая площадь поверхности эндоцитозных пузырьков составляет 100% площади плаз­молеммы. При Экзоцитозе, Напротив, постоянно происходит увеличение площади плазмолеммы вследствие встраивания в нее мембраны экзоци-тозных пузырьков. Так, в секреторной клетке ацинуса поджелудочной железы совокупная площадь мембраны секреторных гранул в 30 раз больше, чем поверхность плазмолеммы.

Вместе с тем, в действительности, активные процессы эндоцитоза и экзоцитоза не приводят к существенным изменениям площади поверх­ности плазмолеммы, так как они Уравновешиваются Формированием экзоцитозных и эндоцитозыых пузырьков, соответственно, компенсиру­ющим происходящую потерю мембраны или ее увеличение за счет про­тивоположно направленного процесса. Эти явления отражают постоян­но происходящий в клетке круговорот мембран, который получил наз­вание "мембранного конвейера".

ВВЕДЕНИЕ

Со времен Р. Вирхова известно, что живая клетка - это элементарная ячейка биологической организации, обеспечивающая все функции организма. Среди многообразных явлений, протекающих в клетке, важное место занимают активный и пассивный транспорт веществ, осмос, фильтрация и биоэлектрогенез. В настоящее время стало очевидно, что эти явления так или иначе определяются барьерными свойствами клеточных мембран. Клетка - открытая система, которая непрерывно обменивается с окружающей средой веществом и энергией. Во многих случаях биологического транспорта основой переноса веществ является их диффузия через клеточную или многоклеточную мембрану. Способы диффузионного переноса многообразны (рис. 1): диффузия жирорастворимых веществ через липидную часть мембраны, перенос гидрофильных веществ через поры, образуемые мембранными липидами и белками, облегченная диффузия с участием специальных молекул-переносчиков, избирательный транспорт ионов через ионные каналы. Однако в процессе эволюции живая клетка создала особый способ переноса, получивший название активного транспорта. В этом случае перенос вещества идет против перепада концентрации и поэтому сопряжен с использованием энергии, универсальным источником которой в клетке является молекула аденозинтрифосфорной кислоты.

ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ

Живые системы на всех уровнях организации - открытые системы. Элементарная ячейка жизни - клетка и клеточные органеллы тоже открытые системы. Поэтому транспорт веществ через биологические мембраны - необходимое условие жизни. С переносом веществ через мембраны связаны процессы метаболизма клетки, биоэнергетические процессы, образование биопотенциалов, генерация нервного импульса и др. Нарушение транспорта веществ через биомембраны приводит к различным патологиям. Лечение часто связано с проникновением лекарств через клеточные мембраны.

Пассивный и активный транспорт веществ

Транспорт веществ через биологические мембраны можно разделить на два основных типа: пассивный и активный. Определения пассивного и активного транспорта связаны с понятием электрохимического потенциала. Известно, что движущей силой любого переноса является перепад энергии. Свободная энергия (энергия Гиббса) определяется при постоянном давлении, температуре и количестве переносимых частиц. Последнее обстоятельство удобно для описания переноса частиц вещества через мембрану с одной поверхности на другую.

Электрохимический потенциал - величина, численно равная энергии Гиббса на один моль данного вещества, помещенного в электрическое поле. Для разведенных растворов

где R = 8,31 Дж/(К " моль) - универсальная газовая постоянная, F = 96 500 Кл/моль (число Фарадея), Z - заряд иона электролита (в элементарных единицах заряда), j - потенциал электрического поля.

Пассивный транспорт идет в направлении перепада электрохимического потенциала вещества, происходит самопроизвольно и не требует свободной энергии АТФ.

Активный транспорт - это такой процесс, при котором перенос происходит из места с меньшим значением электрохимического потенциала к месту с большим его значением. Этот процесс, сопровождающийся ростом энергии, не может идти самопроизвольно, а только в сопряжении с процессом гидролиза АТФ, то есть за счет затраты энергии Гиббса, запасенной в макроэргических связях АТФ.

Плотность потока вещества jм - количество вещества в единицу времени через единицу площади - при пассивном транспорте подчиняется уравнению Теорелла

где U - подвижность частиц, С - концентрация. Знак минус показывает, что перенос происходит в сторону убывания.

Подставив в (2) выражение для электрохимического потенциала (1), получим для разбавленных растворов уравнение Нернста-Планка:

Итак, могут быть две причины переноса вещества при пассивном транспорте: градиент концентрации dC / dx и градиент электростатического потенциала dj / dx. В отдельных случаях вследствие сопряжения этих двух причин может происходить пассивный перенос вещества от мест с меньшей концентрацией к местам с большей концентрацией за счет энергии электрического поля.

В случае неэлектролитов (Z = 0) или постоянства электрического поля (dj / dx = 0) уравнение Теорелла переходит в уравнение

Согласно соотношению Эйнштейна, URT = D, где D - коэффициент диффузии, и, подставляя, получаем закон Фика

Виды пассивного транспорта

На рис. 1 представлены основные разновидности диффузии веществ через мембрану. Диффузия - самопроизвольное перемещение вещества из мест с большей их концентрацией в места с меньшей концентрацией вещества вследствие хаотического теплового движения частиц. Диффузия вещества через липидный бислой вызывается градиентом концентрации в мембране. Плотность потока вещества по закону Фика

где - концентрация вещества в мембране около одной ее поверхности и - около другой, l - толщина мембраны.

Так как измерить концентрации и трудно, на практике пользуются формулой, связывающей плотность потока вещества через мембрану с концентрациями этого вещества не внутри мембраны, а снаружи в растворах около поверхностей мембраны - С1 и С2:

jм = P (C1 - C2),

где Р - коэффициент проницаемости.

K - коэффициент распределения - показывает, какую часть концентрации у поверхности вне мембраны составляет концентрация у поверхности мембраны, но внутри ее.

Из уравнений (6) и (8) видно, что коэффициент проницаемости

Этот коэффициент удобен, поскольку имеет размерность линейной скорости (в м/с) и может быть определен по результатам измерения мембранных потенциалов.

Коэффициент проницаемости, как видно из формулы, тем больше, чем больше коэффициент диффузии D, чем тоньше мембрана и чем лучше вещество растворяется в липидной фазе мембраны (чем больше К). Хорошо растворимы в липидной фазе мембраны неполярные вещества, например: органические и жирные кислоты, эфиры. Естественно, эти вещества сравнительно легко проходят через клеточные мембраны, обладая повышенным сродством к липидной фазе мембран. В то же время плохо проходят через липидный бислой мембраны полярные вещества: вода, неорганические соли, сахара, аминокислоты. Так, величины Р для воды и мочевины равны соответственно 10 мкм/с и 1 пм/с. На первый взгляд представляется труднообъяснимым сравнительно большое значение Р для воды, полярного вещества, нерастворимого в липидах. Очевидно, что в этом случае речь может идти о переносе воды через наполненные водой белковые и липидные поры. Однако в последнее время помимо гидрофильных пор проникновение через мембрану мелких полярных молекул связывают с образованием между жирнокислотными хвостами фосфолипидных молекул при их тепловом движении небольших свободных полостей - кинков (от англ. kink - петля). Вследствие теплового движения хвостов молекул фосфолипидов кинки могут перемещаться поперек мембраны и переносить попавшие в них мелкие молекулы, в первую очередь молекулы воды.

Через гидрофильные липидные и белковые поры сквозь мембрану проникают молекулы нерастворимых в липидах веществ и водорастворимые гидратированные ионы, окруженные молекулами воды. Для жиронерастворимых веществ и ионов мембрана выступает как молекулярное сито: чем больше размер частицы, тем меньше проницаемость мембраны для этого вещества. Избирательность переноса обеспечивается набором в мембране пор определенного радиуса, соответствующих размеру проникающей частицы. Это распределение зависит от мембранного потенциала. Так, избирательные для ионов калия поры в мембране эритроцитов имеют сравнительно низкий коэффициент проницаемости, равный 4 пм/с при мембранном потенциале 80 мВ, который уменьшается в четыре раза с понижением потенциала до 40 мВ. Проницаемость мембраны аксона кальмара для ионов калия при уровне потенциала возбуждения определяется калиевыми каналами, радиус которых численно оценивается как сумма кристаллического радиуса иона калия и толщины одной гидратной оболочки (0,133 нм + 0,272 нм = 0,405 нм). Следует подчеркнуть, что селективность ионных каналов неабсолютна, каналы доступны и для других ионов, но с меньшими значениями Р.

Максимальная величина Р соответствует ионам калия. Ионы с большими кристаллическими радиусами (рубидий, цезий) имеют меньшие Р, по-видимому, потому, что их размеры с одной гидратной оболочкой превышают размер канала. Менее очевидна причина сравнительно низкого Р для ионов лития и натрия, имеющих меньший сравнительно с калием радиус. Исходя из представления о мембране как молекулярном сите можно было бы думать, что они должны свободно проходить через калиевые каналы. Одно из возможных решений этого противоречия предложено Л. Муллинзом. Он предполагает, что в растворе вне поры каждый ион имеет гидратную оболочку, состоящую из трех сферических слоев молекул воды. При вхождении в пору гидратированный ион "раздевается", теряя воду послойно. Пора будет проницаема для иона, если ее диаметр точно соответствует диаметру любой из этих сферических оболочек. Как правило, в поре ион остается с одной гидратной оболочкой. Расчет, приведенный выше, показывает, что радиус калиевой поры составит в этом случае 0,405 нм. Гидратированные ионы натрия и лития, размеры которых не кратны размерам поры, будут испытывать затруднение при прохождении через нее. Отмечено своеобразное "квантование" гидратированных ионов по их размерам при прохождении через поры.

Облегченная диффузия происходит при участии молекул переносчиков. Известно, например, что антибиотик валиномицин - переносчик ионов калия. Валиномицин является пептидом с молекулярной массой 1111. В липидной фазе молекула валиномицина имеет форму манжетки, устланной внутри полярными группами, а снаружи неполярными гидрофобными остатками молекул валина.

Особенности химического строения валиномицина позволяют образовывать комплекс с ионами калия, попадающими внутрь молекулы-манжетки, и в то же время валиномицин растворим в липидной фазе мембраны, так как снаружи его молекула неполярна. Ионы калия удерживаются внутри молекулы за счет сил ион-дипольного взаимодействия. Молекулы валиномицина, оказавшиеся у поверхности мембраны, могут захватывать из окружающего раствора ионы калия. Диффундируя в мембране, молекулы переносят калий через мембрану и отдают ионы в раствор по другую сторону мембраны. Таким образом и происходит челночный перенос ионов калия через мембрану.

Отличия облегченной диффузии от простой:

1) перенос ионов с участием переносчика происходит значительно быстрее по сравнению со свободной диффузией;

2) облегченная диффузия обладает свойством насыщения - при увеличении концентрации с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;

3) при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда одним переносчиком переносятся разные вещества; при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других;

4) есть вещества, блокирующие облегченную диффузию, они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика, препятствуя дальнейшему переносу.

Разновидностью облегченной диффузии является транспорт с помощью неподвижных молекул переносчиков, фиксированных определенным образом поперек мембраны. При этом молекула переносимого вещества передается от одной молекулы переносчика к другой по типу эстафеты.

Осмос - преимущественное движение молекул воды через полупроницаемые мембраны (непроницаемые для растворенного вещества и проницаемые для воды) из мест с меньшей концентрацией растворенного вещества в места с большей концентрацией. Осмос, по сути, диффузия воды из мест с ее большей концентрацией в места с меньшей концентрацией. Осмос играет большую роль во многих биологических явлениях. Явление осмоса обусловливает гемолиз эритроцитов в гипотонических растворах и тургор в растениях.

Активный транспорт веществ через биологические мембраны. Опыт Усинга

Активный транспорт веществ через биологические мембраны имеет огромное значение. За счет активного транспорта в организме создаются разности концентраций, разности электрических потенциалов, давления, поддерживающие жизненные процессы, то есть с точки зрения термодинамики активный перенос удерживает организм в неравновесном состоянии, поддерживает жизнь, так как равновесие - это смерть организма. Существование активного транспорта веществ через биологические мембраны впервые было доказано в опытах Усинга (1949 год) на примере переноса ионов натрия через кожу лягушки. Опыт весьма поучителен и заслуживает подробного рассмотрения.

Экспериментальная камера Усинга, заполненная нормальным раствором Рингера, была разделена на две части свежеизолированной кожей лягушки. В опыте исследовали однонаправленные потоки ионов натрия через кожу лягушки в прямом и обратном направлениях.

Из уравнения, описывающего пассивный транспорт (2), следует уравнение Усинга-Теорелла для отношения этих потоков в случае пассивного транспорта

На изолированной коже лягушки, разделяющей раствор Рингера, возникает разность потенциалов jвн - jнар (внутренняя сторона кожи положительна по отношению к наружной). В установке имелось специальное устройство: электрическая батарея с потенциометром - делителем напряжения, с помощью которых компенсировалась разность потенциалов на коже лягушки: Dj = jвн - jнар = 0, что контролировалось вольтметром. Кроме того, концентрация ионов натрия с внешней и внутренней сторон поддерживалась одинаковой. При этих условиях, как видно из уравнения Усинга-Теорелла,

jм, вн = jм, нар.

Суммарный поток ионов через мембрану должен был бы отсутствовать. Его наличие свидетельствовало бы о переносе ионов против перепада концентрации, то есть об активном переносе. Для доказательства этого в левую часть экспериментальной камеры были добавлены радиоактивные изотопы 22Na, а в правую - 24Na. 22Na распадается с излучением жестких g-квантов, излучение 24Na фиксировалось по мягким b-лучам. Было показано, что поток 22Na больше потока 24Na. О наличии тока в цепи свидетельствовали и показания миллиамперметра.

Эти экспериментальные данные неопровержимо свидетельствовали о том, что перенос ионов натрия через кожу лягушки не подчиняется уравнению пассивного транспорта. Более того, оказалось, что суммарный поток ионов натрия исключительно чувствителен к факторам, влияющим на энергетический обмен в клетках кожи: наличию кислорода, действию разобщителей окислительного фосфорилирования, действию низких температур. Следовательно, речь должна идти об особом способе переноса ионов, названном впоследствии активным. Позднее было установлено, что активный перенос ионов натрия в коже лягушки обеспечивается ионными насосами, локализованными в клетках базального эпителия. Работа насоса блокировалась специфическим ингибитором оуабаином.

Дальнейшие исследования показали, что в биологических мембранах имеется несколько разновидностей ионных насосов, работающих за счет свободной энергии гидролиза АТФ, - специальные системы интегральных белков (транспортные АТФазы). В настоящее время известны три типа электрогенных ионных насосов. Перенос ионов транспортными АТФазами происходит вследствие сопряжения процессов переноса с химическими реакциями за счет энергии метаболизма клеток.

При работе K+-Na+-АТФазы за счет энергии макроэргических связей, освобождающейся при гидролизе каждой молекулы АТФ, в клетку переносятся два иона калия и одновременно из клетки выкачиваются три иона натрия. Таким образом, создаются повышенная по сравнению с межклеточной средой концентрация в клетке ионов калия и пониженная концентрация ионов натрия, что имеет огромное физиологическое значение. Са-АТФаза обеспечивает активный перенос двух ионов кальция, протонная помпа - двух протонов на одну молекулу АТФ.

Молекулярный механизм работы ионных АТФаз до конца не изучен. Тем не менее прослеживаются основные этапы этого сложного ферментативного процесса. В случае К-Na-АТФазы (обозначим ее для краткости Е) насчитываются семь этапов переноса ионов, сопряженных с гидролизом АТФ. Обозначения Е1 и Е2 соответствуют расположению активного центра фермента на внутренней и внешней поверхности мембраны соответственно (аденозиндифосфат - АДФ, неорганический фосфат - P, звездочкой обозначен активный комплекс):

1) E + АТФ E*АТФ,

2) E*АТФ + 3Na *Na3 ,

3) *Na3 [Е1 ~ P]*Na3 + АДФ,

4) [Е1 ~ P]*Na3 [Е2 ~ P]*Na3 ,

5) [Е2 ~ P]*Na3 + 2K [Е2 - P]*K2 + 3Na,

6) [Е2 - P]*K2 [Е1 - P]*K2 ,

7) [Е1 - P]* E + P + 2K.

На схеме видно, что ключевыми этапами работы фермента являются: 1) образование комплекса фермента с АТФ на внутренней поверхности мембраны (эта реакция активируется ионами магния); 2) связывание комплексом трех ионов натрия; 3) фосфорилирование фермента с образованием аденозиндифосфата; 4) переворот (флип-флоп) фермента внутри мембраны;5) реакция ионного обмена натрия на калий, происходящая на внешней поверхности мембраны; 6) обратный переворот ферментного комплекса с переносом ионов калия внутрь клетки и 7) возвращение фермента в исходное состояние с освобождением ионов калия и неорганического фосфата (Р). Таким образом, за полный цикл происходят выброс из клетки трех ионов натрия, обогащение цитоплазмы двумя ионами калия и гидролиз одной молекулы АТФ.

Вторичный активный транспорт ионов

Помимо ионных насосов, рассмотренных выше, известны сходные системы, в которых накопление веществ сопряжено не с гидролизом АТФ, а с работой окислительно-восстановительных ферментов или фотосинтезом. Транспорт веществ в этом случае является вторичным, опосредованным мембранным потенциалом и/или градиентом концентрации ионов при наличии в мембране специфических переносчиков. Такой механизм переноса получил название вторичного активного транспорта. Наиболее детально этот механизм рассмотрен Питером Митчелом (1966 год) в хемиосмотической теории окислительного фосфорилирования. В плазматических и субклеточных мембранах живых клеток возможно одновременное функционирование первичного и вторичного активного транспорта. Примером может служить внутренняя мембрана митохондрий. Ингибирование АТФазы в ней не лишает частицу способности накапливать вещества за счет вторичного активного транспорта. Такой способ накопления особенно важен для тех метаболитов, насосы для которых отсутствуют (сахара, аминокислоты).

В настоящее время достаточно глубоко исследованы три схемы вторичного активного транспорта. Для простоты рассмотрен транспорт одновалентных ионов с участием молекул-переносчиков. При этом подразумевается, что переносчик в нагруженном или ненагруженном состоянии одинаково хорошо пересекает мембрану. Источником энергии служит мембранный потенциал и/или градиент концентрации одного из ионов. Схемы показаны на рис. 5. Однонаправленный перенос иона в комплексе со специфическим переносчиком получил название унипорта. При этом через мембрану переносится заряд либо комплексом, если молекула переносчика электронейтральна, либо пустым переносчиком, если перенос обеспечивается заряженным переносчиком. Результатом переноса будет накопление ионов за счет снижения мембранного потенциала. Такой эффект наблюдается при накоплении ионов калия в присутствии валиномицина в энергизованных митохондриях.

Встречный перенос ионов с участием одноместной молекулы-переносчика получил название антипорта. Предполагается при этом, что молекула-переносчик образует прочный комплекс с каждым из переносимых ионов. Перенос осуществляется в два этапа: сначала один ион пересекает мембрану слева направо, затем второй ион - в обратном направлении. Мембранный потенциал при этом не меняется.Что же является движущей силой этого процесса? Очевидно, разность концентраций одного из переносимых ионов. Если исходно разность концентрации второго иона отсутствовала, то результатом переноса станет накопление второго иона за счет уменьшения разности концентраций первого. Классическим примером антипорта служит перенос через клеточную мембрану ионов калия и водорода с участием молекулы антибиотика нигерицина.

Совместный однонаправленный перенос ионов с участием двухместного переносчика называется симпортом. Предполагается, что в мембране могут находиться две электронейтральные частицы: переносчик в комплексе с катионом и анионом и пустой переносчик. Поскольку мембранный потенциал в такой схеме переноса не изменяется, то причиной переноса может быть разность концентраций одного из ионов. Считается, что по схеме симпорта осуществляется накопление клетками аминокислот. Калий-натриевый насос создает начальный градиент концентрации ионов натрия, которые затем по схеме симпорта способствуют накоплению аминокислот. Из схемы симпорта следует, что этот процесс должен сопровождаться значительным смещением осмотического равновесия, поскольку в одном цикле через мембрану переносятся две частицы в одном направлении.

В процессе жизнедеятельности границы клетки пересекают разнообразные вещества, потоки которых эффективно регулируются. С этой задачей справляется клеточная мембрана с встроенными в нее транспортными системами, включающими ионные насосы, систему молекул-переносчиков и высокоселективные ионные каналы.

Такое обилие систем переноса на первый взгляд кажется излишним, ведь работа только ионных насосов позволяет обеспечить характерные особенности биологического транспорта: высокую избирательность, перенос веществ против сил диффузии и электрического поля. Парадокс заключается, однако, в том, что количество потоков, подлежащих регулированию, бесконечно велико, в то время как насосов всего три. В этом случае особое значение приобретают механизмы ионного сопряжения, получившие название вторичного активного транспорта, в которых важную роль играют диффузионные процессы. Таким образом, сочетание активного транспорта веществ с явлениями диффузионного переноса в клеточной мембране - та основа, которая обеспечивает жизнедеятельность клетки.

И ПРОНИЦАЕМОСТЬ МЕМБРАН

С точки зрения проницаемости липидные поры принципиально отличаются от белковых каналов своим происхождением и исключительной динамичностью. В то время как белковые каналы имеют строго определенные размеры, сохраняющиеся в течение всей жизни клетки, размеры липидных пор в процессе затекания варьируют в широких пределах. Однако эта изменчивость имеет предел. Если радиус поры меньше критического, то пора в процессе затекания должна пройти все промежуточные радиусы и достигнуть минимального размера. Вопрос о возможности полного затекания липидных пор остается открытым. Предполагается, что полному затягиванию поры препятствуют мощные силы гидратации, проявляющиеся при сближении стенок гидрофильных пор.

Липидные поры в отличие от белковых ионных каналов не обладают выраженной избирательностью, что коррелирует с их сравнительно большими исходными размерами. Ясно, однако, что в процессе затекания липидные поры могут достигать сколь угодно малых размеров, в том числе сравнимых с размерами белковых ионных каналов, что может приводить к перераспределению ионных токов в мембране, например при возбуждении. Известно далее, что после выключения стрессового воздействия бислойная липидная мембрана может вернуться в состояние с низкой проводимостью, что подразумевает достижение порами размера, недостаточного для прохождения гидратированных ионов. Таким образом, гидрофильные липидные поры универсальны в том отношении, что могут быть использованы клеткой для транспорта высокомолекулярных веществ, ионов и молекул воды.

Исследования проницаемости липидных пор развиваются в настоящее время в двух направлениях: в первом исследуются максимально большие поры, во втором, наоборот, - липидные поры минимального радиуса. В первом случае речь идет об электротрансфекции - способе введения в живые клетки или липосомы молекул ДНК с целью переноса и внутриклеточного введения чужеродного генетического материала. Оказалось, что внешнее электрическое поле высокой напряженности способствует проникновению гигантской молекулы ДНК внутрь мембранной частицы. Как видно из, максимальный размер критической поры соответствует жидкокристаллическому состоянию бислоя липидов при отсутствии внешнего электрического поля и равен 9 нм. Наложение внешнего электрического поля напряженностью 100 кВ/м понижает критический радиус поры до 1 нм за время 0,2 с. Поскольку при этом мембраны сохраняются, то размер липидных пор в них не превышает, очевидно, этого нижнего предела. Парадокс состоит в том, что эффективный диаметр статистического клубка ДНК, которая должна попасть внутрь частицы, достигает 2000 нм. Поистине задача про верблюда, проникающего сквозь игольное ушко. Поэтому очевидно, что молекула ДНК должна проникать через мембрану в виде расплетенной одиночной нити. Известно, что конец нити имеет диаметр 2 нм и таким образом только-только может войти в пору. Однако свободная диффузия нити ДНК в поре при этом вряд ли возможна. К сожалению, механизм этого явления до конца неясен. Предполагается, в частности, что молекула ДНК способна расширить пору и таким образом проскользнуть через мембрану. Проникновению ДНК могут способствовать дополнительные силы электрофореза и электроосмоса с учетом суммарного отрицательного заряда молекулы ДНК. Не исключено, что поры с фиксированными в них концами молекулы ДНК играют роль якоря, удерживающего молекулу в определенном месте у поверхности мембраны везикулы, а сам процесс переноса является разновидностью пиноцитоза. Исследование этого интересного с точки зрения

Клетка - структурная единица всего живого на нашей планете и открытая система. Это значит, что для ее жизнедеятельности необходим постоянный обмен веществами и энергией с окружающей средой. Этот обмен осуществляется через мембрану - главную границу клетки, которая призвана сохранить ее целостность. Именно через мембрану осуществляется клеточный обмен и идет он либо по градиенту концентрации какого-либо вещества, либо против. Активный транспорт через цитоплазматическую мембрану - процесс сложный и энергозатратный.

Мембрана - барьер и шлюз

Цитоплазматическая мембрана входит в состав многих клеточных органелл, пластид и включений. Современная наука основана на жидкостно-мозаичной модели структуры мембран. Активный транспорт веществ через мембрану возможен благодаря ее специфическому строению. Основу мембран образует липидный бислой - в основном это фосфолипиды, расположенные в соответствии со своими Главные свойства липидного бислоя - это текучесть (способность встраивать и терять участки), самосборка и ассиметричность. Второй компонент мембран - белки. Их функции многообразны: активный транспорт, рецепция, ферментация, узнавание.

Располагаются белки как на поверхности мембран, так и внутри, а некоторые по несколько раз пронизывают ее. Свойство белков в мембране - способность к переходу с одной стороны мембраны на другую («флип-флоп» перескок). И последний компонент - сахаридные и полисахаридные цепочки углеводов на поверхности мембран. Функции их и сегодня спорны.

Виды активного транспорта веществ через мембрану

Активным будет такой перенос веществ через мембрану клетки, который является контролируемым, происходит с затратами энергии и идет против градиента концентрации (вещества переносятся из области с низкой концентрацией в область с высокой концентрацией). В зависимости от того, какой источник энергии используется, выделяют следующие виды транспорта:

• Первично активный (источник энергии - гидролиз до аденозиндифосфорной АДФ).
• Вторично активный (обеспечивается вторичной энергией, созданной в результате работы механизмов первично активного транспорта веществ).

Белки-помощники

И в первом, и во втором случае транспорт невозможен без белков-переносчиков. Эти транспортные белки очень специфичны и предназначаются для переноса определенных молекул, а иногда даже определенной разновидности молекул. Это было доказано экспериментально на мутировавших генах бактерий, что приводило к невозможности активного транспорта через мембрану определенного углевода. Трансмембранные белки-переносчики могут быть собственно переносчиками (они взаимодействуют с молекулами и непосредственно проносят ее через мембрану) или каналообразующими (формируют поры в мембранах, которые открыты для специфичных веществ).

Насос для натрия и калия

Наиболее изученным примером первичного активного транспорта веществ через мембрану является Na+ -, К+ -насос. Этот механизм обеспечивает разность концентраций ионов Na+ и К+ по обеим сторонам мембраны, что необходимо для поддержания осмотического давления в клетке и других обменных процессов. Трансмембранный белок-переносчик - натрий-калиевая АТФ-аза - состоит из трех частей:

• На наружной стороне мембраны у белка расположены два рецептора для ионов калия.
• На внутренней стороне мембраны - три рецептора для ионов натрия.
• Внутренней части белка свойственна АТФ активность.

Когда два иона калия и три иона натрия связываются с рецепторами белка по обе стороны мембраны, включается АТФ активность. Молекула АТФ гидролизируется до АДФ с выделением энергии, которая затрачивается на перенос ионов калия внутрь, а ионов натрия наружу цитоплазматической мембраны. Подсчитано, что коэффициент полезного действия такого насоса составляет более 90%, что само по себе довольно удивительно.

Для справки: КПД двигателя внутреннего сгорания - порядка 40%, электрического - до 80%. Интересно, что насос может работать и в обратном направлении и служить донором фосфатов для синтеза АТФ. Для некоторых клеток (например, нейронов) характерны траты до 70% всей энергии на вынос натрия из клетки и накачивание внутрь ионов калия. По такому же принципу активного транспорта работают насосы для кальция, хлора, водорода и некоторых других катионов (ионов с положительным зарядом). Для анионов (отрицательно заряженных ионов) таких насосов не обнаружено.

Котранспорт углеводов и аминокислот

Примером вторичного активного транспорта может служить перенос в клетки глюкозы, аминокислот, йода, железа и мочевой кислоты. В результате работы калий-натриевого насоса создается градиент концентраций натрия: снаружи концентрация высокая, а внутри - низкая (иногда в 10-20 раз). Натрий стремится диффундировать в клетку и энергия этой диффузии может быть использована для транспорта веществ наружу. Это механизм называют котранспортом или сопряженным активным транспортом. В этом случае у белка-переносчика имеется два рецепторных центра с наружной части: один для натрия, а другой - для транспортируемого элемента. Только после активации обоих рецепторов белок подвергается конформационным изменениям, и энергия диффузии натрия вводит в клетку транспортируемое вещество против градиента концентрации.

Значение активного транспорта для клетки

Если бы обычная диффузия веществ через мембрану протекала сколь угодно долго, концентрации их снаружи и внутри клетки выровнялись бы. А это для клеток гибель. Ведь все биохимические процессы должны протекать в среде электрической разности потенциалов. Без активного, против транспорта веществ нейроны не смогли бы передавать нервный импульс. А мышечные клетки утратили бы возможность сокращаться. Клетка бы не смогла поддерживать осмотическое давление и сплющилась бы. А продукты метаболизма не выводились бы наружу. Да и гормоны никогда не попали бы в кровяное русло. Ведь даже амеба тратит энергию и создает разность потенциалов на своей мембране при помощи все тех же ионных насосов.

И активный транспорт. Пассивный транспорт происходит без затрат энергии по электрохимическим градиентом. К пассивному относятся диффузия (простая и облегченная), осмос, фильтрация. Активный транспорт требует энергии и происходит вопреки концентрационном или электрическом градиента.
Активный транспорт
Это транспорт веществ вопреки концентрационном или электрическом градиента, что происходит с затратами энергии. Различают первичный активный транспорт, что требует энергии АТФ, и вторичный (создание за счет АТФ ионных концентрационных градиентов по обе стороны мембраны, а уже энергия этих градиентов используется для транспорта).
Первичный активный транспорт широко используется в организме. Он участвует в создании разности электрических потенциалов между внутренней и внешней сторонами мембраны клетки. С помощью активного транспорта создаются различные концентрации Na +, К +, Н +, СИ "" и других ионов в середине клетки и во внеклеточной жидкости.
Лучше исследованы транспорт Na+ и К+ - Na+,-K +-Hacoc. Этот транспорт происходит с участием глобулярного белка с молекулярной массой около 100 000. Белок имеет три участка для связывания Na + на внутренней поверхности и два участка для связывания К + на внешней поверхности. Наблюдается высокая активность АТФ-азы на внутренней поверхности белка. Энергия, образующаяся при гидролизе АТФ, приводит конформационные изменения белка и при этом выводится три ионы Na + из клетки и вводится в нее два иона К + С помощью такого насоса создаются высокая концентрация Na + во внеклеточной жидкости и высокая концентрация К + - в клеточной.
В последнее время интенсивно изучаются Са2 +-насосы, благодаря которым концентрация Са2 + в клетке в десятки тысяч раз ниже, чем вне ее. Различают Са2 +-насосы в клеточной мембране и в органеллах клетки (саркоплазматической сети, митохондрии). Са2 +-насосы тоже функционируют за счет белка-переносчика в мембранах. Этот белок имеет высокую АТФ-азную активность.
Вторичный активный транспорт. Благодаря первичном активном транспорта создается высокая концентрация Na + вне клетки, возникают условия для диффузии Na + в клетку, но вместе с Na + другие вещества могут войти в нее. Этот транспорт »направлен в одну сторону, называется симпорта. В противном случае вход Na + стимулирует выход другого вещества из клетки, это два потока, направленные в разные стороны, - антипорт.
Примером симпорта может быть транспорт глюкозы или аминокислот вместе с Na +. Белок-переносчик имеет два участка для связывания Na + и для связывания глюкозы или аминокислоты. Идентифицированы пять отдельных белков для связывания пяти типов аминокислот. Известны и другие виды симпорта - транспорт N + вместе с в клетку, К + и Сl-из клетки и др..
Почти во всех клетках существует механизм антипорта - Na + переходит в клетку, а Са2 + выходит из нее, или Na + - в клетку, а Н + - из нее.
Активно транспортируются через мембрану Mg2 +, Fe2 +, НСО3-и много других веществ.
Пиноцитоз - это один из видов активного транспорта. Он заключается в том, что некоторые макромолекулы (преимущественно белков, макромолекулы которых имеют диаметр 100-200 нм) присоединяются к рецепторам мембраны. Эти рецепторы специфичны для разных белков. Присоединение их сопровождается активизацией сократительных белков клетки - актина и миозина, которые образуют и закрывают полость с этим внеклеточным белком и небольшим количеством внеклеточной жидкости. При этом образуется пиноцитозных пузырек. У него выделяются ферменты гидролизуют этот белок. Продукты гидролиза усваиваются клетками. Пиноцитоз требует энергии АТФ и наличия Са2 + во внеклеточной среде.
Таким образом, есть много видов транспорта веществ через клеточные мембраны. На разных сторонах клетки (в апикальной, базальной, латеральной мембранах) могут происходить различные виды транспорта. Примером этого могут быть процессы, происходящие в