Транспорт веществ через плазматическую мембрану

Барьерно-транспортная функция поверхностного аппарата клетки обе­спечивается избирательным переносом ионов, молекул и надмолекулярных структур в клетку и из нее. Транспорт через мембраны обеспечивает доставку питательных веществ и удаление ко­нечных продуктов обмена из клетки, секрецию, создание ионных градиентов и трансмембранного потенциала, под­держание в клетке необходимых значе­ний pH и др.

Механизмы транспорта веществ в клетку и из нее зависят от химиче­ской природы переносимого вещества и его концентрации по обе стороны клеточной мембраны, а также от разме­ров транспортируемых частиц. Малые молекулы и ионы транспортируются через мембрану путем пассивного или активного транспорта. Пере­нос макромолекул и крупных частиц осуществляется посредством транспор­та в «мембранной упаковке», то есть за счет образования окруженных мембра­ной пузырьков.

Пассивным транспортом называет­ся перенос веществ через мембрану по градиенту их концентрации без затра­ты энергии. Такой транспорт осущест­вляется посредством двух основных механизмов: простой диффузии и об­легченной диффузии.

Путем простой диффузии транспор­тируются малые полярные и неполяр­ные молекулы, жирные кислоты и дру­гие низкомолекулярные гидрофобные органические вещества. Транспорт мо­лекул воды через мембрану, осущест­вляемый путем пассивной диффузии, получил название осмоса. Примером простой диффузии служит транспорт газов через плазматическую мембрану эндотелиальных клеток кровеносных капилляров в окружающую их ткане­вую жидкость и обратно.

Гидрофильные молекулы и ионы, не способные самостоятельно прохо­дить через мембрану, транспортируются с помощью специфических мембранных транспортных белков. Такой механизм транспорта получил назва­ние облегченной диффузии.

Существуют два основных клас­са мембранных транспортных белков: белки-переносчики и белки-каналы. Молекулы переносимого вещества, связы­ваясь с белком-переносчиком, вызыва­ют его конформационные изменения, результатом чего служит перенос ука­занных молекул через мембрану. Об­легченная диффузия отличается высо­кой избирательностью по отношению к транспортируемым веществам.

Белки-каналы формируют запол­ненные водой поры, пронизывающие липидный бислой. Когда эти поры от­крыты, неорганические ионы или мо­лекулы транспортируемых веществ проходят сквозь них и таким образом переносятся через мембрану. Ионные каналы обеспечивают перенос при­мерно 10⁶ ионов в секунду, что более чем в 100 раз превышает скорость транспорта, осуществляемого белками-переносчиками.

Большинство белков-каналов име­ет «ворота», которые открываются на короткое время, а затем закрываются. В зависимости от природы канала «во­рота» могут открываться в ответ на свя­зывание сигнальных молекул (лиганд-зависимые воротные каналы), измене­ние мембранного потенциала (потенциал-зависимые воротные каналы) или механическую стимуляцию.

Активным транспортом называ­ется перенос веществ через мембрану против их градиентов концентрации. Он осуществляется с помощью белков-переносчиков и требует затрат энергии, основным источником которой служит АТФ.

Примером активного транспорта, использующего энергию гидролиза АТФ для перекачки ионов Na⁺ и К⁺ че­рез мембрану клетки, служит работа натриево-калиевого насоса, обеспечи­вающего создание мембранного по­тенциала на плазматической мембране клеток.

Насос образован встроенными в биологические мембраны специфи­ческими белками-ферментами аденозинтрифосфатазами, катализирующи­ми отщепление остатков фосфорной кислоты от молекулы АТФ. В состав АТФаз входят: ферментный центр, ионный канал и структурные элемен­ты, препятствующие обратной утечке ионов в процессе работы насоса. На работу натриево-калиевого насоса рас­ходуется более 1/3 АТФ, потребляемой клеткой.

В зависимости от способности транспортных белков переносить один или несколько видов молекул и ионов пассивный и активный транспорт под­разделяются на унипорт и копорт, или сопряженный транспорт.

Унипорт — это транспорт, при кото­ром белок-переносчик функционирует только в отношении молекул или ионов одного вида. При копорте, или сопря­женном транспорте, белок-переносчик способен транспортировать одновре­менно два или более видов молекул или ионов. Такие белки-переносчики получили название копортеров, или сопряженных переносчиков. Различают два вида копорта: симпорт и антипорт. В случае симпорта молекулы или ионы транспортируются в одном направле­нии, а при антипорте — в противопо­ложных направлениях. По принципу ан­типорта работает, например, натриево­калиевый насос, активно перекачивая ионы Na⁺ из клеток, а ионы К⁺ внутрь клеток против их электрохимических градиентов. Примером симпорта слу­жит реабсорбция клетками почечных канальцев глюкозы и аминокислот из первичной мочи. В первичной моче концентрация Na⁺ всегда значитель­но выше, чем в цитоплазме клеток по­чечных канальцев, что обеспечивается работой натриево-калиевого насоса. Связывание глюкозы первичной мочи с сопряженным белком-переносчиком открывает Nа⁺-канал, что сопровожда­ется переносом ионов Na⁺ из первичной мочи внутрь клетки по градиенту их концентрации, то есть путем пассивного транспорта. Поток ионов Na⁺, в свою очередь, вызывает изменения конфор­мации белка-переносчика, результатом чего служит транспорт глюкозы в том же направлении, что и ионов Na⁺: из первичной мочи внутрь клетки. В данном случае для транспорта глюкозы, как можно убедиться, сопряженный переносчик использует энергию гра­диента ионов Na⁺, создаваемую рабо­той натриево-калиевого насоса. Таким образом, работа натриево-калиевого насоса и сопряженного переносчика, использующего для транспорта глюкозы градиент ионов Na⁺, позволяет реабсорбировать практически всю глюкозу из первичной мочи и включить ее в об­щий метаболизм организма.

Благодаря избирательному транс­порту заряженных ионов плазмалемма почти всех клеток несет на своей наруж­ной стороне положительный, а на вну­тренней цитоплазматической стороне — отрицательный заряды. В результате этого между обеими сторонами мембра­ны создается разность потенциалов.

Формирование трансмембранного потенциала достигается в основном за счет работы встроенных в плазмалемму транспортных систем: натриево­калиевого насоса и белков-каналов для ионов К⁺.

Как отмечалось выше, в процес­се работы натриево-калиевого насо­са на каждые два поглощенных клет­кой иона калия из нее выводится три иона натрия. В результате снаружи клеток создается избыток ионов Na⁺, а внутри — избыток ионов К⁺. Однако еще более значимый вклад в создание трансмембранного потенциала вносят калиевые каналы, которые в клетках, находящихся в состоянии покоя, всег­да открыты. Благодаря этому ионы К⁺ выходят по градиенту концентрации из клетки во внеклеточную среду. В ре­зультате этого между двумя сторонами мембраны возникает разность потен­циалов от 20 до 100 мВ. Плазмалемма возбудимых клеток (нервных, мы­шечных, секреторных) наряду с К⁺- каналами содержит многочисленные Nа⁺-каналы, которые открываются на короткое время при действии на клетку химических, электрических или других сигналов. Открытие Nа⁺-каналов вы­зывает изменение трансмембранного потенциала (деполяризацию мембра­ны) и специфический ответ клетки на действие сигнала.

Транспортные белки, которые ге­нерируют разность потенциалов на мембране, называются электрогенными насосами. Натриево-калиевый насос служит главной электрогенной помпой клеток.

Транспорт в мембранной упаковке характеризуется тем, что транспорти­руемые вещества на определенных ста­диях транспорта располагаются внутри мембранных пузырьков, то есть ока­зываются окруженными мембраной. В зависимости от того, в каком направ­лении переносятся вещества (в клетку или из нее), транспорт в мембранной упаковке подразделяется на эндоцитоз и экзоцитоз.

Эндоцитозом называется процесс поглощения клеткой макромолекул и более крупных частиц (вирусов, бак­терий, фрагментов клеток). Эндоцитоз осуществляется путем фагоцитоза и пиноцитоза.

Фагоцитоз — процесс активного за­хвата и поглощения клеткой твердых микрочастиц, размер которых состав­ляет более 1 мкм (бактерий, фрагмен­тов клеток и др.). В ходе фагоцитоза клетка с помощью специальных ре­цепторов распознает специфические молекулярные группировки фагоци­тируемой частицы.

Затем в месте кон­такта частицы с мембраной клетки образуются выросты плазмалеммы — псевдоподии, которые обволакивают микрочастицу со всех сторон. В резуль­тате слияния псевдоподий такая части­ца оказывается заключенной внутри пузырька, окруженного мембраной, который называется фагосомой. Обра­зование фагосом — энергозависимый процесс и протекает с участием актомиозиновой системы. Фагосома, погру­жаясь в цитоплазму, может сливаться с поздней эндосомой или лизосомой, в результате чего поглощенная клеткой органическая микрочастица, например бактериальная клетка, переваривает­ся. У человека к фагоци­тозу способны только немногие клетки: например, макрофаги соединительной ткани и лейкоциты крови. Эти клетки поглощают бактерии, а также разнооб­разные твердые частицы, попавшие в организм, и тем самым защищают его от болезнетворных микроорганизмов и посторонних частиц.

Пиноцитоз — поглощение клеткой жидкости в виде истинных и коллоид­ных растворов и суспензий. Этот про­цесс в общих чертах сходен с фагоцито­зом: капля жидкости погружается в об­разовавшееся углубление клеточной мембраны, окружается ею и оказывает­ся заключенной в пузырек диаметром 0,07—0,02 мкм, погруженный в гиало­плазму клетки.

Механизм пиноцитоза весьма сло­жен. Этот процесс осуществляется в специализированных областях по­верхностного аппарата клетки, назы­ваемых окаймленными ямками, ко­торые занимают около 2% клеточной поверхности. Окаймленные ямки пред­ставляют собой небольшие впячивания плазмалеммы, рядом с которыми в пе­риферической гиалоплазме находится большое количество белка клатрина. В области окаймленных ямок на по­верхности клеток располагаются также многочисленные рецепторы, способные специфически распознавать и связы­вать транспортируемые молекулы. При связывании рецепторами указанных молекул происходит полимеризация клатрина, и плазмалемма впячивается. В результате образуется окаймленный пузырек, несущий в себе транспортируе­мые молекулы. Свое название такие пу­зырьки получили благодаря тому, что клатрин на их поверхности под элек­тронным микроскопом выглядит как неровная каемка. После отделения от плазмалеммы окаймленные пузырьки теряют клатрин и приобретают способ­ность сливаться с другими пузырьками. Процессы полимеризации и деполи­меризации клатрина требуют затрат энергии и блокируются при недостатке АТФ.

Пиноцитоз, благодаря высокой кон­центрации рецепторов в окаймленных ямках, обеспечивает избирательность и эффективность транспорта специфи­ческих молекул. Например, концен­трация молекул транспортируемых ве­ществ в окаймленных ямках в 1000 раз превышает концентрацию их в окру­жающей среде. Пиноцитоз — основной способ транспорта в клетку белков, ли­пидов и гликопротеинов. Посредством пиноцитоза клетка поглощает за сутки количество жидкости, равное своему объему.

Экзоцитоз — процесс выведения веществ из клетки. Вещества, подлежа­щие выведению из клетки, сначала за­ключаются в транспортные пузырьки, наружная поверхность которых, как правило, покрыта белком клатрином, затем такие пузырьки направляются к клеточной мембране. Здесь мембрана пузырьков сливается с плазмалеммой, а содержимое их изливается за пределы клетки либо, сохраняя связь с плазма­леммой, включается в гликокаликс.

Существуют два типа экзоцитоза: кон­ститутивный (основной) и регулируемый.

Конститутивный экзоцитоз непре­рывно протекает во всех клетках орга­низма. Он служит основным механиз­мом выведения из клетки продуктов метаболизма и постоянного восстанов­ления клеточной мембраны.

Регулируемый экзоцитоз осущест­вляется лишь в специальных клетках, выполняющих секреторную функцию. Выделяемый секрет накапливается в секреторных пузырьках, а экзоцитоз происходит только после получения клеткой соответствующего химическо­го или электрического сигнала. Напри­мер, β-клетки островков Лангерганса пожелудочной железы выделяют свой секрет в кровь лишь при повышении в крови концентрации глюкозы.

В ходе экзоцитоза сформировавши­еся в цитоплазме секреторные пузырьки обычно направляются к специализиро­ванным участкам поверхностного аппарата, содержащим большое количество фузионных белков или белков слияния. При взаимодействии белков слияния плазмалеммы и секреторного пузырька образуется фузионная пора, соединяю­щая полость пузырька с внеклеточной средой. При этом активируется актомиозиновая система, в результате чего со­держимое пузырька изливается из него за пределы клетки. Таким образом, при индуцируемом экзоцитозе энергия тре­буется не только для транспорта секре­торных пузырьков к плазмалемме, но и для процесса секреции.

Трансцитоз, или рекреция, — это транспорт, при котором происходит пе­ренос отдельных молекул через клетку. Указанный вид транспорта достигается за счет сочетания эндо- и экзоцитоза. Примером трансцитоза служит транс­порт веществ через клетки сосудистых стенок капилляров человека, который может осуществляться как в одном, так и в другом направлениях.