Основні механізми перенесення через мембрану

Проникність мембрани для різних речовин залежить як від властивостей молекул цих речовин, так і від характеристики мембран. У залежності від того, чи потребує перенесення речовини через мембрану витрати енергії, ці процеси можуть бути поділені на пасивні (перенесення речовин по градієнту концентрації або електрохімічному градієнту без витрат енергії) і активні (проти концентраційного й електрохімічного градієнта з витратою енергії).

Пасивний транспорт. Наявність трансмембранного градієнта концентрації молекул різних речовин є рушійною силою пасивного транспорту. Розрізняють два типи пасивного транспорту: неопосередкований транспорт і опосередкований транспорт.

Неопосередковане пасивне перенесення речовин здійснюється шляхом: 1) простої фізичної дифузії молекул. Молекула, що дифундує, не модифікується хімічно і не з'єднується з іншими видами молекул (наприклад, дифузія малих молекул: води, сечовини, СО2); 2) дифузія через ліпідну фазу-розчинник для деяких малополярних речовин: простих і складних ефірів, вищих спиртів, жирних кислот. У клітині прискорення вільної дифузії досягається збільшенням площі поверхні перенесення, наприклад, епітелій тонкого кишечника складається з великої кількості складок, які утворюють на поверхні мембрани мікроворсинки.

Для деяких іонів існують специфічні канали проникності, що обумовлюють їхнє швидке селективне проникнення через мембрану: селективні канали для К+, №+. Таке перенесення залежить від розміру молекул, заряду іонів.

Для опосередкованих, чи полегшених, мембранних транспортних процесів характерні кінетика насичення (тобто транспортна система може насичуватися розчиненою речовиною, що транспортується) і специфічність до речовини, що транспортується. Опосередкований транс

порт обумовлюється білками, здатними зворотно зв'язувати специфічні субстрати. Ці транспортуючі білки мають назви: транспортні системи, переносники, носії або транслокази. Носії полегшують перенесення речовин у напрямку градієнта концентрації і не потребують витрат метаболічної енергії. Таким процесом є вхід глюкози в клітини печінки — гепатоцити, еритроцити і м'язові клітини по концентраційному градієнту. У тих випадках, коли переносник полегшує перенесення речовини в одному напрямку й одночасно іншого — в іншому без витрат енергії, цей процес називається обмінною дифузією.

Активний транспорт. Активним транспортом називаються процеси, у яких молекула повинна рухатися через мембрану незалежно від напрямку концентраційного градієнта. Енергія, необхідна для такого процесу, поставляється одним із двох способів. По-перше, транспорт даного метаболіту може бути поєднаний з одночасним рухом другої речовини, що рухається по своєму концентраційному градієнту. Друга молекула може рухатися в тому ж напрямку, що і перша (симпорт), або в протилежному напрямку (антипорт). По-друге, енергія може поставлятися сполученим гідролізом АТФ (АТФазна активність) чи будь-якої іншої високоенергетичної сполуки на поверхні білка, що служить носієм. Такий «пристрій» називається насосом.

У тканинах ссавців виявлено декілька основних систем активного транспорту таких, як натрієвий і кальцієвий насоси (№+-насос, Са2+-насос), системи транспорту глюкози та інших цукрів і системи транспорту амінокислот. Поряд з цим високоселективні транспортні системи, що включають специфічні білкові переносники, можуть функціонувати при перенесенні певних іонів з позаклітинного у внутрішньоклітинне середовище.

Процеси активного транспорту, у яких енергія АТФ безпосередньо використовується для перенесення речовини проти градієнта, називаються первинно-активним транспортом. Цей процес відрізняється від перенесення речовин проти градієнта за допомогою переносників, що використовують при цьому енергію уже існуючого градієнта іншої речовини, частіше іонів №+. Такий процес прийнято називати повторно-активним транспортом.

№+- насос. У більшості клітин тварин внутрішньоклітинна концентрація [К+] висока і постійно складає 120—160 ммоль/л, у той час як концентрація < 10 ммоль/л. Навпаки, позаклітинна рідина містить багато іонів №+ ([№+] 150 ммоль/л) і набагато менше іонів К+ ([К+]< < 4 ммоль/л). Тому на клітинних мембранах виникає концентраційний градієнт цих двох іонів. Сталість високої внутрішньоклітинної концентрації [К+] підтримується виходом із клітин №+, що відбувається з ви

тратою енергії, із заміною його на К+. Аналогія з механічним насосом виправдана у тому розумінні, що енергія використовується для руху іонів проти концентраційного градієнта, який перешкоджає рухові. Джерелом енергії для цієї роботи служить АТФ-субстрат для мембранної АТ-Фази. Так, у мембранах еритроцитів міститься АТФаза, для активації якої потрібно і №+, і К+. №+К+-АТФаза бере участь у транспорті №+і К+ через плазматичну мембрану клітин всіх еукаріот.

Амінокислоти і деякі цукри транспортуються активно, що може супроводжуватися метаболічними змінами молекул, що транспортуються. Цей сполучений обмінний перенос здійснюється за допомогою білків-переносників, що зв'язують одночасно субстрат і іони №+ і переносять речовину проти градієнта його концентрації за рахунок руху №+ по градієнту. Це сполучення транспорту №+ і транспорту глюкози дозволяє припустити існування білка-переносника з центрами зв'язування як для глюкози, так і для №+. Коли усередині клітини відбувається розрядка цих центрів, №+-насос повертає №+ назад у позаклітинне середовище. Тому що останній процес потребує АТФ, то гідроліз АТФ, що відбувається на одну стадію раніше, знову надає енергію для транспорту глюкози проти її концентраційного градієнта.

Цитоз—особливий механізм транспорту, призначений для поглинання клітиною або виведення з неї великих молекул за допомогою зміни форми мембрани.

Піноцитоз — процес поглинання клітиною різних субстратів, при якому інвагінація її мембрани завершується утворенням піноцитарно-го пухирця навколо поглиненого матеріалу. Явище поглинання субстратів істотно відрізняється від явища проникності. Поглинений матеріал знаходиться поза клітиною, так само, як їжа, що міститься в просвіті кишечника знаходиться поза тілом. Для того, щоб поглинений субстрат зміг включитися в обмінні процеси клітини, він повинний проникнути через мембрану пухирця. Тому що мембрана пухирця, що утворюється в процесі цитозу, власне являє собою фрагмент плазматичної мембрани, то можна припустити, що вона зберігає і її властивості. При піноцитозі утворюються піноцитарні пухирці діаметром (200— 700 нм). Субстрати, включені в клітину в процесі піноцитозу, здебільшого піддаються розпаду. Контакт лізосом із вмістом піноцитарних пухирців призводить до того, що останній розпадається до низькомолекулярних сполук. Разом з тим деякі поглинуті молекули зберігаються незміненими і можуть впливати на клітину.

Піноцитоз спостерігається в найрізноманітніших клітин. Він особливо розвинутий у клітин епітелію тих органів, де відбувається процес всмоктування.

Фагоцитоз. Під час фагоцитозу клітина обхвачує об'єкт мембраною, що розпластується навколо нього. Таке обволікання об'єкта відбувається звичайно за участю мікрофіламентів. Коли мембрана цілком обхватить фагоцитуючу частку, відбувається злиття її країв. Фагоцитозом поглинаються речовини або тверді частки діаметром понад 1 мкм. Фагоцитарну активність мають лейкоцити (мікрофаги—нейтрофіли, еозинофіли, базофіли; макрофаги—моноцити, великі лімфоцити); гістіоцити сполучної тканини; купферівські клітини печінки; альвеолярні макрофаги, макрофаги лімфовузлів, селезінки.

Облямовані пухирці діаметром 60—70 нм беруть участь у сортуванні білків на плазматичній мембрані. Участь цих структур у процесі селективного (тобто залежного від рецепторів) ендоцитозу було виявлено у 1976 році. Рецептори різних лігандів на клітинній поверхні збираються в структурах, називаних облямованими ямками. Ці ямки впинаються і відриваються, утворюючи облямовані пухирці, що доставляються в лізосоми. Більша частина білків плазматичної мембрани виключається з облямованих ямок. Такий ефект концентрування одних білків і виключення інших приводить до підвищення концентрації рецепторів у 103—104 разів у порівнянні з іншими білками мембрани. Таким чином, облямовані пухирці являють собою справжню машину для сортування.

Основний білок облямованих пухирців — клатрин. Облямовані пухирці з клатрину, безсумнівно, є найважливішими переносниками при мембранному транспорті (транспорт холестеролу в складі ліпопротеїнів низької щільності і т. д.).

Після ендоцитозу рецептори багато сотень разів повертаються на клітинну поверхню для повторного використання, і в той же час ліганди, зв'язані з ними, ефективно руйнуються. Рецепторам вдається уникнути протеолізу за рахунок ендосом — компартментів (відсіків), де рецептори і ліганди дисоціюють з комплексу. Рецептори потім повертаються в плазматичну мембрану, а ліганди доставляються в лізосоми.

Екзоцитоз характерний для всіх секреторних клітин: клітин, що продукують гормони, ферменти, нейромедіатори й інші продукти метаболізму. Це єдиний вид транспорту при виділенні медіаторів (ацетилхоліну, адреналіну й ін.) через пресинаптичну мембрану.