Механизмы мембранного транспорта

Липидные бислои в значительной степени непроницаемы для подавляющего большинства веществ, и поэтому перенос через липидную фазу требует значительных энергетических затрат.

Различают пассивный транспорт (диффузию), активный транспорт и везикулярный транспорт.

Пассивный транспорт – это перенос молекул по концентрационному или электрохимическому градиенту, т.е. он определяется только разностью концентраций переносимого вещества на противоположных сторонах мембраны или направлением электрического поля и осуществляется без затраты энергии АТФ. Возможны два типа диффузии: простая и облегченная.

1. Простая диффузия. Происходит без участия мембранного белка. Скорость простой диффузии хорошо описывается обычными законами диффузии для веществ, растворимых в липидном бислое. Скорость движения молекулы определяется концентрационным градиентом и растворимостью молекулы в липидах. Механизм диффузии водорастворимых веществ менее изучен. Перенос вещества через липидный бислой, например, таких соединений, как этанол, возможен через временные поры в мембране, образованные разрывами в липидном слое при движении мембранных липидов. В мембранах также существуют каналы, образованные белками, через которые могут двигаться молекулы. По механизму простой диффузии осуществляется трансмембранный перенос газов (например, О₂, СО₂, N₂, метан), некоторых простых органических ионов и ряда низкомолекулярных жирорастворимых соединений. Простая диффузия осуществляется не избирательно и отличается низкой скоростью. Транспорт воды через мембрану простой диффузией происходит очень медленно. В тканях, где необходим быстрый перенос воды (почки), вода диффундирует через специфические интегральные белки (аквапорины).

2. Облегченная диффузия – движение молекул по градиенту концентрации с использованием специфических мембранных белков-переносчиков. Следовательно, облегченная диффузия – это диффузионный процесс, сопряженный с химической реакцией взаимодействия транспортируемого вещества с белком-переносчиком. Этот процесс специфичен и протекает с более высокой скоростью, чем простая диффузия. Скорость переноса определяется концентрационным градиентом через мембрану и количеством молекул переносчика.

Известны два типа мембранных транспортных белков: белки-переносчики, называемые транслоказами или пермеазами, и каналообразующие белки.

Для объяснения механизма облегченной диффузии используют модель «пинг-понг». В этой модели, переносчик существует в 2-х конформационных состояниях. В состоянии «понг» белок открыт на стороне высокой концентрации переносимого вещества и связывает это вещество. Затем происходит изменение конформации («пинг») и белок со связанным веществом открывается на сторону с низкой концентрацией переносимого вещества.

Транспортные белки имеют ряд свойств: обладают высокой специфичностью и имеют участки связывания для транспортируемой молекулы; насыщаемы при высокой концентрации переносимого вещества; ингибируются конкурентными и неконкурентными ингибиторами.

Облегченная диффузия обычно характерна для водорастворимых веществ: углеводов, аминокислот, метаболически важных органических кислот, некоторых ионов. Путем облегченной диффузии осуществляется также транспорт стероидных гормонов, ряда жирорастворимых витаминов и других молекул этого класса. Практически направленные потоки веществ в клетку путем простой и облегченной диффузии никогда не прекращаются, поскольку вещества, поступившие в клетку, вовлекаются в метаболические превращения, а их убыль постоянно восполняется путем трансмембранного переноса по градиенту концентрации.

Активный транспорт - транспорт веществ против градиента концентрации (незаряженные частицы) или электрохимического градиента (для заряженных частиц), требующий затрат энергии.

Известны три основных типа первичного активного транспорта:

1) Натрий-калиевый насос – Na,K⁺-аденозинтрифосфатаза (Na,K⁺-АТФ-аза) переносит ионы натрия из клетки, а калия – в клетку.

2) Кальциевый насос – Ca²⁺-АТФ-аза, который транспортирует Са²⁺ из клетки или цитозоля в саркоплазматический ретикулум.

3) Н⁺-АТФ-аза – протонный насос, функционирующий в сопрягающих мембранах, в том числе в митохондриальной мембране.

При нарушении снабжения АТФ активный транспорт останавливается.

Выделяют два вида активного транспорта: 1) первичный активный транспорт использует энергию АТФ или окислительно-восстановительного потенциала; 2) при вторичном активном транспорте используют градиент ионов (Н⁺, К⁺, Na⁺, и др.), созданный на мембране за счет работы системы первичного активного транспорта.

Примером первичного активного транспорта является транспорт К⁺ и Nа⁺ при участии Nа⁺,К⁺-АТФ-азы. Клетка содержит низкую концентрацию Na⁺ (в 10 раз ниже) и высокую концентрацию К⁺ (в 30 раз выше), чем в окружающей среде. Поэтому считают, что Na⁺ это внеклеточный катион, а К⁺ - внутриклеточный катион. Nа⁺,К⁺-АТФ-азы обеспечивают выведение 3 ионов Na⁺ из клетки в обмен на введение в клетку двух ионов К⁺ против градиента концентрации с затратой 1 молекулы АТФ.

Na⁺,K⁺-АТФ-аза была открыта в 1957 г. Й.Скоу во фракции плазматических мембран нервов краба. Затем она была обнаружена во всех исследованных клетках животных, особенно велико ее содержание в органах, осуществляющих солевой обмен (почки) или выполняющих электрическую работу (мозг, нервы).

Строение Nа⁺,К⁺-АТФ-азы. Это тетрамер a₂b₂; м.м 270 кДа. Субъединица a (95 кДа) пронизывает мембрану насквозь и содержит на внутренней стороне участки связывания АТФ и Nа⁺, а на внешней стороне - для К⁺ и сердечных гликозидов. b-субъединицы (40 кДа) содержат углеводные группы, расположенные на наружной стороне плазматической мембраны. Она способствует правильной ориентации фермента в липидном бислое. Перенос ионов происходит за счет изменения конформации фермента при его фосфорилировании - дефосфорилировании за счет АТФ. В присутствии Na⁺ активируется гидролиз АТФ и происходит фосфорилирование фермента, дефосфорилирование происходит в присутствии К⁺.

Описание химизма по этапам:

1) присоединение 3 Na⁺ вызывает активацию АТФ-азы, т.е. происходит гидролиз АТФ;

2) фосфорилирование фермента;

3) изменение его конформации с открытием канала снаружи;

4) уменьшение сродства к Na⁺ и присоединение К⁺ приводит к дефосфорилированию фермента;

5) это изменяет конформацию фермента с открытием канала изнутри;

6) снижение сродства к К⁺ и выход его в цитозоль и вновь присоединение АТФ и 3 Na⁺ (сердечные гликозиды могут конкурировать с К⁺ за места связывания и ингибируют Na⁺,К⁺-АТФ-азы).

Неравнозначный перенос заряженных ионов (частиц) через мембрану вызывает ее поляризацию: появление "+" снаружи и "-" изнутри, поэтому Nа⁺, К⁺ насос называют элекрогенным.

Создаваемый градиент Nа⁺ используется для вторичного активного транспорта глюкозы в клетки. Например, рассмотрим всасывание глюкозы из просвета кишечника.

1. Переносчик глюкозы обеспечивает транспорт глюкозы в цитозоль энтероцита за счет входа в клетку ионов Na⁺ под действием электрохимического градиента (концентрация Na⁺ высокая в просвете кишечника и низкая в цитозоле клеток).

2. Глюкоза из клетки переходит во внеклеточную жидкость по механизму облегченной диффузии. Скорость переноса глюкозы зависит от величины градиента Na⁺: она увеличивается при повышении разности концентраций Na⁺ в просвете кишечника и цитозоле энтероцита.

3. Na⁺, К⁺-АТФаза поддерживает эту разность концентраций Na⁺ за счет его откачки в межклеточное пространство в обмен на К⁺ с затратой АТФ.

Транспорт макромолекул (везикулярный транспорт). Крупные макромолекулы (белки, полисахариды и полинуклеотиды) даже крупные частицы могут как поглощаться, так и секретироваться. При их переносе происходит последовательное образование и слияние окруженных мембраной пузырьков (везикул), т.е. перенос веществ вместе с частью плазматической мембраны.

Фагоцитоз (от греч. фагос – есть, цитос – клетка) наблюдается в специальных клетках (макрофагах и гранулоцитах). При фагоцитозе происходит захват крупных молекул (вирусы, бактерии, клетки). Пиноцитоз (от греч. пинос – пить) характерен для всех клеток. Происходит захват жидкости или растворенных компонентов. Пиноцитоз бывает неизбирательный и селективный рецепторно-опосредованный. При эндоцитозе поглощенное вещество окружается небольшим участком мембраны, который вначале впячивается, а затем отщепляется, образуя внутриклеточный пузырек, содержащий захваченный клеткой материал. Большинство частиц, поглощенных при эндоцитозе, попадает затем в лизосомы, где они подвергаются деградации.

Вещества, высвобождаемые путем экзоцитоза делят на 3 группы: 1) вещества, связывающиеся с клеточной поверхностью как периферические белки – антигены; 2) вещества, включающиеся во внеклеточный матрикс – коллаген, гликозаминогликаны; 3) вещества, входящие во внеклеточную среду, как сигнальные молекулы (инсулин, катехоламины, паратгормон) или ферменты (экзокринные железы, эктоферменты).

Функции метаболизма

1. Обеспечение организма энергией, полученной при расщеплении богатых энергией пищевых веществ или путем преобразования энергии солнца.

2. Превращение пищевых молекул в предшественники, которые используются в клетке для биосинтеза собственных макромолекул.

3. Сборка макромолекулярных (биополимеры) и надмолекулярных структур живого организма, т.е. пластическое и энергетическое поддержание его структуры.

4. Синтез и разрушение биомолекул, выполняющих специфические функции в организме (мембранные липиды, внутриклеточные посредники и пигменты).