Транпортные белки клеточной мембраны. Диффузия через клеточную мембрану
Обновлено: 06.05.2024
Клеточная мембрана - это неотъемлемый компонент любой клетки. Ее роль в первую очередь состоит в том, чтобы отграничить внутреннее пространство клетки от внешней среды, а у эукариот, кроме того, разделить внутреннюю часть клетки на функционально значимые отсеки: ядро и митохонодрии. Во внешней клеточной мембране (цитолеме) функционируют транспортные белки, рецепторы. Структурной основой всех мембран являются липиды, в частности фосфолипиды, представленные двумя соединениями фосфодиацилглициринами и сфингомиелинами.
Фосфотидилглицерин - наиболее распространенный представитель фосфолипидов он присутствует в мембранах всех живых организмов и является производным фосфатидной кислоты . В основном это кислоты с длиной углеродной цепи 12-24 атома, либо полностью насыщенные либо имеющие одну или несколько несопряженных двойных связей. В структуре фосфолипидов заложена важная функциональная особенность: содержание длинной гидрофобной цепи и гидрофильной "головки" из фосфатидной кислоты.
Сфингомиелины являются производными аминоспирта сфингозина . Они характерны только для мембран животных клеток.
Наряду с этими компонентами мембраны содержат белки и связанные с ними углеводы.
Мембраны представляют собой плоские образования толщиной в несколько молекул (60-100 Å). Основу составляет липидный бислой, где гидрофильные головки обращены к воде внутри и снаружи клетки, а гидрофобные хвосты из жирных кислот как бы выталкиваются из воды и сливаются между собой внутри мембраны (рис. 4.7.1.). Отдельные участки мембраны, липиды которых содержат больше насыщенных ЖК находятся в жестком состоянии, другие, где содержится больше ненасыщенных ЖК, в более расплавленном. Между ацилными цепями липидного бислоя содержится холестерол , он препятствует их кристаллизации, т.е. поддерживает состояние текучести.
Мембрана не статическое образование, а благодаря жидкокристаллической структуре она является двухслойным раствором, в котором липиды способны диффундировать как параллельно поверхности мембраны, так и из одного монослоя в другой.
В структуру мембран обязательно входят белки и их состав варьирует в зависимости от функции той или иной мембраны. В зависимости от прочности связи с мембраной различают периферические и интегральные белки. Интегральные белки располагаются между липидами монослоя или пронизывают весь бислой, часто возвышаясь над поверхностью мембраны. Периферические белки связаны с мембранами электростатическими и водородными связями и часто взаимодействуют таким образом с интегральными белками (рис. 4.7.1.).
Белки выполняют следующие функции :
1) транспорт (трансмембранный перенос веществ);
2) преобразование энергии (ферменты дыхательной цепи);
3) коммуникативную (рецепторные белки связывают клетку с окружающей средой);
4) и ряд специфических функций.
Трансмембранный транспорт веществ
Липидный бислой практически непроницаем для ионов и большинства полярных молекул. Исключение составляет вода. Перенос веществ через клеточную мембрану осуществляется одним из трех путей: простой диффузией, облегченным и активным транспортом.
Простая диффузия осуществляется за счет теплового движения молекул из зоны с большей концентрацией в зону с меньшей концентрацией. Разность концентраций по обе стороны мембраны называется градиентом концентраций. При переносе заряженных частиц важную роль играет разница потенциалов. Обычно внутри клетки накапливаются отрицательно заряженные частицы. Таким путем транспортируются: Н2О, СО2, О2. Перенос веществ простой диффузией прекращается когда концентрация вещества с одной и с другой стороны мембраны выравнивается.
Облегченная диффузия более распространенный способ транспорта веществ через мембрану. Здесь принимают участие специальные белки-переносчики. К ним относятся ферменты транслоказы и пермиазы. Они связывают своим активным центром вещество с одной стороны мембраны и переносят его сквозь гидрофобный слой мембраны на ее другую поверхность. Еще один вариант такой диффузии: после присоединения транспортируемого вещества меняется конформация белка-переносчика и в мембране открывается специальный гидрофильный канал, по которому и проникает вещество.
Активный транспорт - это транспорт против градиента концентраций и происходит при затрате энергии. Если источник энергии АТФ, то это первично-активный транспорт, если энергия получается за счет переноса в этот момент другого вещества по градиенту концентраций - это вторично-активный транспорт.
Типичный первично-активный транспорт это калий-нартиевый насос. Он локализован в плазматической мембране практически всех клеток и переносит ионы калия и натрия против градиента концентраций с использованием энергии АТФ (рис. 4.7.2.).
Собственно насос это фермент Na + - K + -АТФ-аза, интегральный белок пронизывающий липидный бислой мембраны насквозь. Внутри клетки к активному центру этого фермента присоединяется 3 иона N а + , при этом фермент активируется и расщепляет АТФ на АДФ и остаток фосфорной кислоты. Этот остаток присоединяется к самому ферменту и изменяет его пространственную конформацию. При этом с внутренней стороны мембраны закрывается ионный канал, но открывается на наружной поверхности. Ионы Na + отсоединяются от фермента, но в это же время к другому активному центру фермента присоединяются 2 иона К + . Это вновь изменяет его пространственную конформацию, отщепляется остаток фосфорной кислоты и открывается канал для проникновения К + внутрь клетки. Далее цикл повторяется. Т.о. при выносе из клетки 3 ионов Na + в нее проникает 2 иона К + . Это ведет к появлению электрического потенциала, который называется трансмембранным электрохимическим потенциалом. Если насос прекратит работу, то ионы Na + и К + начнут перемещаться в обратном направлении. По такому же механизму транспротируются ионы Са 2+ (фермент Са 2+ -АТФ-аза).
Перекисное окисление липидов мембран
Перекисное окисление липидов является свободнорадикальным процессом, инициация которого происходит под действием активных форм кислорода. К ним относятся супероксид-ион О2 - , пероксид-ион О2 2- (из Н2О2), гидроксильный радикал НО*, гидропероксидный радикал НО O * .Они образуются в результате процессов окисления протекающих в клетке при участии железо-содержащих ферментов (цитохромов).
Свободные радикалы это частицы с неспаренными электронами на внешних орбиталях
Механизм инициации ПОЛ
1) R - C H - … + OH * = R - C * - или ( R * ) свободный радикал высшей жирной кислоты (ВЖК);
2) R * + O 2 = R - O - O * пероксидный ион ВЖК;
3) R - O - O * + R -С H = R - O - OH (гидроперкеись ВЖК) + R *.
Реакции 2 и 3 теперь могут идти без активных форм кислорода они превращаются в цепные.
Продукты перекисного окисления липидов:
R * свободный радикал ВЖК,
R -О-О* пероксидион ВЖК,
R -О-О H гидроперекись ВЖК,
Активация процессов ПОЛ, независимо от факторов индукции, может вести к деструктивным изменениям в клетках, что связано с накоплением продуктов, способных инактивировать мембранные ферменты, нарушать белок-липидные взаимодействия в мембранах, образовывать межмолекулярные сшивки, изменять вязкость липидной фракции, что препятствует образованию фермент-субстратного комплекса.
Но, несмотря на вышеперечисленные патологические процессы, важно отметить, что ПОЛ это физиологический процесс и он имеет важное значение для организма. Уровень продукции ПОЛ в норме контролируется рядом антиоксидантных веществ и ферментов. К ним относятся витамины: Е , С , бета-каротин, убихинон ( коэнзим Q ) и антиоксидантные гем-содержащие ферменты супероксиддисмутаза (СОД), каталаза , глутатионпероксидаза, глутатионредуктаза. Высокая активность ПОЛ может привести к подавлению активности антиоксидантных ферментов. В этом случае в клетках развиваются вышеописанные процессы, которые с клеточных мембран переходят на цитоплазматические структуры. Это приводит к денатурации клеточных белков, снижению активности ряда ключевых метаболических ферментов и повреждению клеточного генома. Такое явления носит название окислительный стресс. Все это заканчивается гибелью клетки по пути некроза (разрушения клеточных структур) или апоптоза (запрограммированного суицида).
ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ IV .7.
1. Бышевский А. Ш., Терсенов О. А. Биохимия для врача // Екатеринбург: Уральский рабочий, 1994, 384 с.;
2. Кнорре Д. Г., Мызина С. Д. Биологическая химия. – М.: Высш. шк. 1998, 479 с.;
3. Ленинджер А. Биохимия. Молекулярные основы структуры и функций клетки // М.: Мир, 1974, 956 с.;
4. Пустовалова Л.М. Практикум по биохимии // Ростов-на Дону: Феникс, 1999, 540 с;
5. Gutteridge J.V.C., Halliwell B. The measurement and mechanism of lipid peroxidation in biological systems // Trends in Biochem. Sci., 1990, р. 129-135.
Транспорт веществ через клеточные мембраны
Диффузия и транспорт веществ через клеточные мембраны
Обмен клетки с внешней средой различными веществами и энергией является жизненно необходимым условием ее существования.
Для поддержания постоянства химического состава и свойств цитоплазмы в условиях, когда имеют место существенные различия химического состава и свойств внешней среды и цитоплазмы клетки, должны существовать специальные транспортные механизмы, избирательно перемещающие вещества через клеточные мембраны.
В частности, клетки должны располагать механизмами доставки кислорода и питательных веществ из среды существования и удаления в нее метаболитов. Градиенты концентраций различных веществ существуют не только между клеткой и внешней средой, но и между органеллами клетки и цитоплазмой, и транспортные потоки веществ наблюдаются между различными отсеками клетки.
Особое значение для восприятия и передачи информационных сигналов имеет поддержание трансмембранной разности концентраций минеральных ионов Na + , К + , Са 2+ . Клетка затрачивает на поддержание концентрационных градиентов этих ионов существенную часть своей метаболической энергии. Запасаемая в ионных градиентах энергия электрохимических потенциалов обеспечивает постоянную готовность плазматической мембраны клетки отвечать на воздействие раздражителей. Поступление кальция в цитоплазму из межклеточной среды или из клеточных органелл обеспечивает ответ многих клеток на гормональные сигналы, контролирует выделение нейромедиаторов в синапсах, запускает сокращение мышц.
Рис. Классификация типов транспорта
Для понимания механизмов перехода веществ через клеточные мембраны необходимо учитывать как свойства этих веществ, так и свойства мембран. Транспортируемые вещества различаются молекулярной массой, переносимым зарядом, растворимостью в воде, липидах и рядом других свойств. Плазматическая и другие мембраны представлены обширными участками липидов, через которые легко диффундируют жирорастворимые неполярные вещества и не проходят вода и водорастворимые вещества полярной природы. Для трансмембранного перемещения этих веществ необходимо наличие специальных каналов в клеточных мембранах. Транспорт молекул полярных веществ затрудняется при увеличении их размеров и заряда (в этом случае требуются дополнительные механизмы переноса). Перенос веществ против концентрационных и других градиентов также требует участия специальных переносчиков и затрат энергии (рис. 1).
Рис. 1. Простая, облегченная диффузия и активный транспорт веществ через мембраны клеток
Для трансмембранного перемещения высокомолекулярных соединений, надмолекулярных частиц и компонентов клеток, не способных проникать через мембранные каналы, используются особые механизмы — фагоцитоз, пиноцитоз, экзоцитоз, перенос через межклеточные пространства. Таким образом, трансмембранное перемещение различных веществ может осуществляться с использованием разных способов, которые принято подразделять по признакам участия в них специальных переносчиков и энергозатратам. Существуют пассивный и активный транспорт через мембраны клетки.
Пассивный транспорт — перенос веществ через биомембрану по градиенту (концентрационный, осмотический, гидродинамический и т.д.) и без расхода энергии.
Активный транспорт — перенос веществ через биомембрану против градиента и с расходом энергии. У человека 30- 40 % всей энергии, образующейся в ходе метаболических реакций, расходуется на этот вид транспорта. В почках 70-80 % потребляемого кислорода идет на активный транспорт.
Пассивный транспорт веществ
Под пассивным транспортом понимают перенос вещества через мембраны по различного рода градиентам (электрохимического потенциала, концентрации вещества, электрического поля, осмотического давления и др.), не требующий непосредственной затраты энергии на его осуществление. Пассивный транспорт веществ может происходить посредством простой и облегченной диффузии. Известно, что под диффузией понимают хаотические перемещения частиц вещества в различных средах, обусловленные энергией его тепловых колебаний.
Если молекула вещества электронейтральна, то направление диффузии этого вещества будет определяться лишь разностью (градиентом) концентраций вещества в средах, разделенных мембраной, например вне и внутри клетки или между ее отсеками. Если молекула, ионы вещества несут на себе электрический заряд, то на диффузию будут оказывать влияние как разность концентраций, величина заряда этого вещества, так и наличие и знак зарядов на обеих сторонах мембраны. Алгебраическая сумма сил концентрационного и электрического градиентов на мембране определяет величину электрохимического градиента.
Простая диффузия осуществляется за счет наличия градиентов концентрации определенного вещества, электрического заряда или осмотического давления между сторонами клеточной мембраны. Например, среднее содержание ионов Na+ в плазме крови составляет 140 мМ/л, а в эритроцитах — приблизительно в 12 раз меньше. Эта разность концентрации (градиент) создает движущую силу, которая обеспечивает переход натрия из плазмы в эритроциты. Однако скорость такого перехода малая, так как мембрана имеет очень низкую проницаемость для ионов Na + . Гораздо больше проницаемость этой мембраны для калия. На процессы простой диффузии не затрачивается энергия клеточного метаболизма.
Скорость простой диффузии описывается уравнением Фика:
dm/dt = -kSΔC/x,
где dm/dt - количество вещества, диффундирующее за единицу времени; к — коэффициент диффузии, характеризующий проницаемость мембраны для диффундирующего вещества; S - площадь поверхности диффузии; ΔС — разность концентраций вещества по обе стороны мембраны; х — расстояние между точками диффузии.
Из анализа уравнения диффузии ясно, что скорость простой диффузии прямо пропорциональна градиенту концентрации вещества между сторонами мембраны, проницаемости мембраны для данного вещества, площади поверхности диффузии.
Очевидно, что наиболее легко перемещаться через мембрану путем диффузии будут те вещества, диффузия которых осуществляется и по градиенту концентраций, и по градиенту электрического поля. Однако важным условием для диффузии веществ через мембраны являются физические свойства мембраны и, в частности, ее проницаемость для вещества. Например, ионы Na+, концентрация которого выше вне клетки, чем внутри ее, а внутренняя поверхность плазматической мембраны заряжена отрицательно, должны были бы легко диффундировать внутрь клетки. Однако скорость диффузии ионов Na+ через плазматическую мембрану клетки в покое ниже, чем ионов К+, который диффундирует по концентрационному градиенту из клетки, так как проницаемость мембраны в условиях покоя для ионов К+ выше, чем для ионов Na+.
Поскольку углеводородные радикалы фосфолипидов, формирующих бислой мембраны, обладают гидрофобными свойствами, то через мембрану могут легко диффундировать вещества гидрофобной природы, в частности легко растворимые в липидах (стероидные, тиреоидные гормоны, некоторые наркотические вещества и др.). Низкомолекулярные вещества гидрофильной природы, минеральные ионы диффундируют через пассивные ионные каналы мембран, формируемые каналообразующими белковыми молекулами, и, возможно, через дефекты упаковки в мембране фосфолииидных молекул, возникающие и исчезающие в мембране в результате тепловых флуктуаций.
Диффузия веществ в тканях может осуществляться не только через мембраны клеток, но и через другие морфологические структуры, например из слюны в дентинную ткань зуба через его эмаль. При этом условия для осуществления диффузии остаются теми же, что и через клеточные мембраны. Например, для диффузии кислорода, глюкозы, минеральных ионов из слюны в ткани зуба их концентрация в слюне должна превышать концентрацию в тканях зуба.
В нормальных условиях проходить в значительных количествах через фосфолипидный бислой путем простой диффузии могут неполярные и небольшие по размерам электронейтральные полярные молекулы. Транспорт существенных количеств других полярных молекул осуществляется белками-переносчиками. Если для трансмембранного перехода вещества необходимо участие переносчика, то вместо термина «диффузия» часто используют термин транспорт вещества через мембрану.
Облегченная диффузии, так же, как и простая «диффузия» вещества, осуществляется по градиенту его концентрации, но в отличие от простой диффузии в переносе вещества через мембрану участвует специфическая белковая молекула — переносчик (рис. 2).
Облегченная диффузия — это вид пассивного переноса ионов через биологические мембраны, который осуществляется по градиенту концентрации с помощью переносчика.
Перенос вещества с помощью белка-переносчика (транспортера) основан на способности этой белковой молекулы встраиваться в мембрану, пронизывая ее и формируя каналы, заполненные водой. Переносчик может обратимо связываться с переносимым веществом и при этом обратимо изменять свою конформацию.
Предполагается, что белок-переносчик способен находиться в двух конформационных состояниях. Например, в состоянии а этот белок обладает сродством с переносимым веществом, его участки для связывания вещества повернуты внутрь и он формирует пору, открытую к одной из сторон мембраны.
Рис. 2. Облегченная диффузия. Описание в тексте
Связавшись с веществом, белок-переносчик изменяет свою конформацию и переходит в состояние 6. При этом конформационном превращении переносчик теряет сродство с переносимым веществом, оно высвобождается из связи с переносчиком и оказывается перемещенным в пору на другой стороне мембраны. После этого белок снова совершает возврат в состояние а. Такой перенос вещества белком-транспортером через мембрану называют унипортом.
Посредством облегченной диффузии могут транспортироваться такие низкомолекулярные вещества, как глюкоза, из интерстициальных пространств в клетки, из крови в мозг, реабсорбироваться некоторые аминокислоты и глюкоза из первичной мочи в кровь в почечных канальцах, всасываться из кишечника аминокислоты, моносахариды. Скорость транспорта веществ путем облегченной диффузии может достигать до 10 8 частиц за секунду через канал.
В отличие от скорости переноса вещества простой диффузией, которая прямо пропорциональна разности его концентраций по обе стороны мембраны, скорость переноса вещества при облегченной диффузии возрастает пропорционально увеличению разности концентраций вещества до некоторого максимального значения, выше которого она не увеличивается, несмотря на повышение разности концентраций вещества по обе стороны мембраны. Достижение максимальной скорости (насыщение) переноса в процессе облегченной диффузии объясняется тем, что при максимальной скорости в перенос оказываются вовлеченными все молекулы белков-переносчиков.
Обменная диффузия — при этом виде транспорта веществ может происходить обмен молекулами одного и того же вещества, находящимися по разные стороны мембраны. Концентрация вещества с каждой стороны мембраны остается при этом неизменной.
Разновидностью обменной диффузии является обмен молекулы одного вещества на одну или более молекул другого вещества. Например, в гладкомышечных клетках сосудов и бронхов, в сократительных миоцитах сердца одним из путей удаления ионов Са 2+ из клеток является обмен их на внеклеточные ионы Na+. На три иона входящего Na+ из клетки удаляется один ион Са 2+ . Создается взаимообусловленное (сопряженное) движение Na+ и Са 2+ через мембрану в противоположных направлениях (этот вид транспорта называют антипортом). Таким образом клетка освобождается от избыточного количества ионов Са 2+ , что является необходимым условием для расслабления гладких миоцитов или кардиомиоцитов.
Активный транспорт веществ
Активный транспорт веществ через клеточные мембраны — это перенос веществ против их градиентов, осуществляющийся с затратой метаболической энергии. Этот вид транспорта отличается от пассивного тем, что перенос осуществляется не по градиенту, а против градиентов концентрации вещества и на него используется энергия АТФ или другие виды энергии, на создание которых АТФ затрачивалась ранее. Если непосредственным источником этой энергии является АТФ, то такой перенос называют первично-активным. Если на перенос используется энергия (концентрационных, химических, электрохимических градиентов), ранее запасенная за счет работы ионных насосов, затративших АТФ, то такой транспорт называют вторично-активным, а также сопряженным. Примером сопряженного, вторично-активного транспорта являются абсорбция глюкозы в кишечнике и ее реабсорбция в почках с участием ионов Na и переносчиков GLUT1.
Благодаря активному транспорту могут преодолеваться силы не только концентрационного, но и электрического, электрохимического и других градиентов вещества. В качестве примера работы первично-активного транспорта можно рассмотреть работу Na+ -, К+ -насоса.
Активный перенос ионов Na + и К+ обеспечивается белком- ферментом — Na+ -, К+ -АТФ-азой, способной расщеплять АТФ.
Белок Na К -АТФ-аза содержится в цитоплазматической мембране практически всех клеток организма, составляя 10% и более от общего содержания белка в клетке. На работу этого насоса тратится более 30% всей метаболической энергии клетки. Na + -, К+ -АТФ-аза может находиться в двух конформационных состояниях — S1 и S2. В состоянии S1 белок обладает сродством с ионом Na и 3 иона Na присоединяются к трем высокоаффинным местам его связывания, повернутым внутрь клетки. Присоединение иона Na" стимулирует АТФ-азную активность, и в результате гидролиза АТФ Na+ -, К+ -АТФ-аза фосфорилируется за счет переноса на нее фосфатной группы и осуществляет конформационный переход из состояния S1 в состояние S2 (рис. 3).
В результате изменения пространственной структуры белка места связывания ионов Na поворачиваются на внешнюю поверхность мембраны. Аффинность мест связывания к ионам Na+ резко уменьшается, и он, высвободившись из связи с белком, оказывается перенесенным во внеклеточное пространство. В конформационном состоянии S2 повышается аффинность центров Na+ -, К-АТФ-азы к ионам К и они присоединяют два иона К из внеклеточной среды. Присоединение ионов К вызывает дефосфорилирование белка и его обратный конформационный переход из состояния S2 в состояние S1. Вместе с поворотом центров связывания на внутреннюю поверхность мембраны два иона К высвобождаются из связи с переносчиком и оказываются перенесенными внутрь. Подобные циклы переноса повторяются со скоростью, достаточной для поддержания в покоящейся клетке неодинакового распределения ионов Na+ и К+ в клетке и межклеточной среде и, как следствие, поддержания относительно постоянной разности потенциалов на мембране возбудимых клеток.
Рис. 3. Схематическое представление работы Na+ -, К + -насоса
Вещество строфантин (оуабаин), выделяемое из растения наперстянка, обладает специфической способностью блокировать работу Na + -, К+ — насоса. После его введения в организм в результате блокады выкачивания иона Na+ из клетки наблюдаются снижение эффективности работы Na+ -, Са 2 -обменного механизма и накопление в сократительных кардиомиоцитах ионов Са 2+ . Это ведет к усилению сокращения миокарда. Препарат применяется для лечения недостаточности насосной функции сердца.
Кроме Na'-, К + -АТФ-азы имеются еще несколько типов транспортных АТФ-аз, или ионных насосов. Среди них насос, осуществляющий транспорт прогонов водорода (митохондрии клеток, эпителий почечных канальцев, париетальные клетки желудка); кальциевые насосы (пейсмекерные и сократительные клетки сердца, мышечные клетки поперечно-полосатой и гладкой мускулатуры). Например, в клетках скелетных мышц и миокарда белок Са 2+ -АТФ-аза встроен в мембраны саркоплазматического ретикулума и благодаря его работе обеспечивается поддержание высокой концентрации ионов Са 2+ в его внутриклеточных хранилищах (цистерны, продольные трубочки саркоплазматического ретикулума).
В некоторых клетках силы трансмембранной разности электрических потенциалов и градиента концентрации натрия, возникающие в результате работы Na+-, Са 2+ -насоса, используются для осуществления вторично-активных видов переноса веществ через клеточную мембрану.
Вторично-активный транспорт характеризуется тем, что перенос вещества через мембрану осуществляется за счет градиента концентрации другого вещества, который был создан механизмом активного транспорта с затратой энергии АТФ. Различают две разновидности вторично активного транспорта: симпорт и антипорт.
Симпортом называют перенос вещества, который сопряжен с одновременным переносом другого вещества в том же направлении. Симпортным механизмом переносятся йод из внеклеточного пространства в тиреоциты щитовидной железы, глюкоза и аминокислоты при их всасывании из тонкой кишки в энтероциты.
Антипортом называют перенос вещества, который сопряжен с одновременным переносом другого вещества, но в обратном направлении. Примером антипортного механизма переноса является работа упоминавшегося ранее Na + -, Са 2+ — обменника в кардиомиоцитах, К+ -, Н+ -обменного механизма в эпителии почечных канальцев.
Из приведенных примеров видно, что вторично-активный транспорт осуществляется за счет использования сил градиента ионов Na+ или ионов К+. Ион Na+ или ион К перемещается через мембрану в сторону его меньшей концентрации и тянет за собой другое вещество. При этом обычно используется встроенный в мембрану специфический белок-переносчик. Например, транспорт аминокислот и глюкозы при их всасывании из тонкого кишечника в кровь происходит благодаря тому, что белок-переносчик мембраны эпителия кишечной стенки связывается с аминокислотой (глюкозой) и ионом Na+ и только тогда изменяет свое положение в мембране таким образом, что переносит аминокислоту (глюкозу) и ион Na+ в цитоплазму. Для осуществления такого транспорта необходимо, чтобы снаружи клетки концентрация иона Na+ была гораздо больше, чем внутри, что обеспечивается постоянной работой Na+, К+ — АТФ-азы и затратой метаболической энергии.
Транпортные белки клеточной мембраны. Диффузия через клеточную мембрану
Организация клетки. Биомембраны
Биомембраны: структура и функции
А. Структура плазматической мембраны
Все биомембраны построены одинаково; они состоят из двух слоев липидных молекул толщиной около 6 нм, в которые встроены белки . Некоторые мембраны содержат, кроме того, углеводы , связанные с липидами и белками. Соотношение липиды : белки : углеводы является характерным для клетки или мембраны и существенно варьирует в зависимости от типа клеток или мембран (см. с. 218).
Компоненты мембран удерживаются нековалентными связями (см. с. 12), вследствие чего они обладают лишь относительной подвижностью, т. е. могут диффундировать в пределах липидного бислоя. Текучесть мембран зависит от липидного состава и температуры окружающей среды. С увеличением содержания ненасыщенных жирных кислот текучесть возрастает, так как наличие двойных связей способствует нарушению полукристаллической мембранной структуры. Подвижными являются и мембранные белки. Если белки не закреплены в мембране, они «плавают» в липидном бислое как в жидкости. Поэтому говорят, что биомембраны имеют жидкостно-мозаичную структуру.
В то время как «дрейф» в плоскости мембраны происходит достаточно легко, переход белков с внешней стороны мембраны на внутреннюю («флип-флоп») невозможен, а переход липидов происходит крайне редко. Для «перескока» липидов необходимы специальные белки транслокаторы. Исключение составляет холестерин, который может легко переходить с одной стороны мембраны на другую.
Б. Мембранные липиды
На рисунке схематически изображена биомембрана. В мембранах содержатся липиды трех классов: фосфолипиды, холестерин и гликолипиды. Наиболее важная группа, фосфолипиды, включает фосфатидилхолин (лецитин), фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, фосфатидилинозит и сфингомиелин (см. с. 56). Холестерин присутствует во внутриклеточных мембранах животных клеток (за исключением внутренней мембраны митохондрий). Гликолипиды входят в состав многих мембран (например, во внешний слой плазматических мембран). В состав гликолипидов входят углеводные функциональные группы (см. с. 92), которые ориентируются в водную фазу.
Липиды мембран представляют собой амфифильные молекулы с полярной гидрофильной головкой (голубого цвета) и неполярным липофильным хвостом (желтого цвета). В водной среде они агрегируют за счет гидрофобных взаимодействий и вандерваальсовых сил (см. сс. 12, 34).
В. Мембранные белки
Протеины могут связываться с мембраной различным путем.
Интегральные мембранные белки имеют трансмембранные спирализованные участки (домены), которые однократно или многократно пересекают липидный бислой. Такие белки прочно связаны с липидным окружением.
Периферические мембранные белки удерживаются на мембране с помощью липидного «якоря» (см. с. 230) и связаны с другими компонентами мембраны; например, они часто бывают ассоциированы с интегральными мембранными белками.
У интегральных мембранных белков фрагмент пептидной цепи, пересекающий липидный бислой, обычно состоит из 21-25 преимущественно гидрофобных аминокислот, которые образуют правую α-спираль с 6 или 7 витками (трансмембранная спираль).
Белки клеточной поверхности и некоторые липидные молекулы несут ковалентно связанные углеводные компоненты, экспонированные на наружной стороне мембраны. Эти гликопротеины и гликолипиды вместе с дополнительными несвязанными гликопротеинами и полисахаридами образуют клеточную оболочку (гликокаликс) (см. с. 50).
Транспорт веществ через клеточную мембрану
Одним из великих чудес клеточной мембраны является ее способность регулировать концентрацию веществ внутри клетки. Эти вещества включают ионы, такие как Ca ++ , Na + , K + и Cl - ; питательные вещества, включая сахара, жирные кислоты и аминокислоты; и отходы, особенно углекислый газ (СО 2 ), который должен покинуть клетку.
Структура липидного бислоя мембраны обеспечивает первый уровень контроля. Фосфолипиды плотно упакованы вместе, а мембрана имеет гидрофобную внутреннюю часть. Эта структура делает мембрану избирательно проницаемой. Мембрана с селективной проницаемостьюпозволяет только веществам, отвечающим определенным критериям, проходить через него без посторонней помощи. В случае клеточной мембраны только относительно небольшие неполярные материалы могут проходить через липидный бислой (помните, что липидные хвосты мембраны неполярные). Некоторыми примерами этого являются другие липиды, газы кислорода и углекислого газа и спирт. Однако водорастворимые материалы, такие как глюкоза, аминокислоты и электролиты, нуждаются в некоторой помощи для прохождения через мембрану, поскольку они отталкиваются гидрофобными хвостами фосфолипидного бислоя. Все вещества, которые проходят через мембрану, делают это одним из двух общих методов, которые классифицируются в зависимости от того, требуется ли энергия. Пассивный транспорт - это движение веществ через мембрану без затрат клеточной энергии. По сравнению,Активный транспорт - это движение веществ через мембрану с использованием энергии аденозинтрифосфата (АТФ).
Пассивный транспорт веществ через клеточную мембрану
Чтобы понять, как вещества перемещаются пассивно через клеточную мембрану , необходимо понять градиенты концентрации и диффузии. Градиент концентрации является различие в концентрации вещества через пробел. Молекулы (или ионы) будут распространяться / распространяться от того места, где они более сконцентрированы, до места, где они менее концентрированы, до тех пор, пока они не будут равномерно распределены в этом пространстве. (Когда молекулы движутся таким образом, говорят, что они понижают градиент концентрации).
Диффузия - это движение частиц из области более высокой концентрации в область более низкой концентрации. Несколько общих примеров помогут проиллюстрировать эту концепцию. Представьте, что вы находитесь в закрытой ванной комнате. Если распылять флакон духов, молекулы аромата естественным образом диффундируют из места, где они оставляли флакон, во все углы ванной комнаты, и эта диффузия будет продолжаться до тех пор, пока не останется больше градиента концентрации. Другой пример - ложка сахара, помещенная в чашку чая. В конечном итоге сахар будет распространяться по всему чаю, пока не останется градиент концентрации. В обоих случаях, если в комнате теплее или чай теплее, диффузия происходит даже быстрее, поскольку молекулы сталкиваются друг с другом и распространяются быстрее, чем при более низких температурах. Имея внутреннюю температуру тела около 98,6 °Таким образом, F также способствует диффузии частиц внутри тела.
Всякий раз, когда вещество существует в большей концентрации на одной стороне полупроницаемой мембраны, такой как клеточные мембраны, это будет делать любое вещество, которое может перемещаться по градиенту концентрации через мембрану. Рассмотрим вещества, которые могут легко диффундировать через липидный бислой клеточной мембраны, такие как газы кислород (O 2 ) и CO 2. O 2 обычно диффундирует в клетки, потому что он более концентрирован вне их, а CO 2 обычно диффундирует из клеток, потому что он более концентрирован внутри них. Ни один из этих примеров не требует никакой энергии со стороны клетки, и поэтому они используют пассивный транспорт для перемещения через мембрану.
Прежде чем двигаться дальше, вам необходимо рассмотреть газы, которые могут диффундировать через клеточную мембрану. Поскольку клетки быстро расходуют кислород во время обмена веществ, обычно внутри клетки концентрация O 2 ниже, чем снаружи. В результате кислород будет диффундировать из межклеточной жидкости непосредственно через липидный бислой мембраны и в цитоплазму внутри клетки. С другой стороны, поскольку клетки продуцируют CO 2 как побочный продукт метаболизма, концентрации CO 2 возрастают в цитоплазме; следовательно, CO 2 будет двигаться из клетки через липидный бислой в межклеточную жидкость, где его концентрация ниже. Этот механизм перемещения молекул через клеточную мембрану со стороны, где они более сконцентрированы, в сторону, где они менее сконцентрированы, является формой пассивного транспорта, называемой простой диффузией .
Простая диффузия через клеточную (плазменную) мембрану. Структура липидного бислоя позволяет небольшим незаряженным веществам, таким как кислород и углекислый газ, и гидрофобным молекулам, таким как липиды, проходить через клеточную мембрану вниз по градиенту их концентрации посредством простой диффузии.
Большие полярные или ионные молекулы, которые являются гидрофильными, не могут легко пересекать фосфолипидный бислой. Очень маленькие полярные молекулы, такие как вода, могут пересекаться посредством простой диффузии из-за их небольшого размера. Заряженные атомы или молекулы любого размера не могут пересечь клеточную мембрану посредством простой диффузии, так как заряды отталкиваются гидрофобными хвостами внутри фосфолипидного бислоя. Растворенные вещества, растворенные в воде с обеих сторон клеточной мембраны, будут стремиться диффундировать вниз по своим градиентам концентрации, но поскольку большинство веществ не могут свободно проходить через липидный бислой клеточной мембраны, их движение ограничено белковыми каналами и специализированными транспортными механизмами в мембране. , Облегченная диффузияэто процесс диффузии, используемый для тех веществ, которые не могут пересекать липидный бислой из-за их размера, заряда и / или полярности.
Облегченная диффузия. Облегченная диффузия веществ, пересекающих клеточную (плазменную) мембрану, происходит с помощью белков, таких как канальные белки и белки-носители. Канальные белки менее избирательны, чем белки-носители, и обычно мягко различают их груз по размеру и заряду. (б) Белки-носители являются более селективными, часто позволяя скрещивать только один конкретный тип молекулы.
Типичным примером облегченной диффузии является движение глюкозы в клетку, где она используется для производства АТФ. Хотя глюкоза может быть более концентрированной вне клетки, она не может пересечь липидный бислой посредством простой диффузии, потому что она и большая, и полярная. Чтобы решить эту проблему, специализированный белок-носитель, называемый транспортером глюкозы, будет переносить молекулы глюкозы в клетку для облегчения ее внутренней диффузии.
Например, несмотря на то, что ионы натрия (Na + ) высоко концентрированы вне клеток, эти электролиты заряжены и не могут проходить через неполярный липидный бислой мембраны. Их диффузия облегчается мембранными белками, которые образуют натриевые каналы (или «поры»), так что ионы Na + могут перемещаться по градиенту концентрации снаружи от клеток внутрь клеток. Существует много других растворенных веществ, которые должны пройти ускоренную диффузию, чтобы проникнуть в клетку, например, в аминокислоты, или выйти из клетки, например, в отходы. Поскольку облегченная диффузия является пассивным процессом, он не требует затрат энергии клеткой.
Вода также может свободно перемещаться по клеточной мембране всех клеток либо через белковые каналы, либо проскальзывая между липидными хвостами самой мембраны. Осмос - это диффузия воды через полупроницаемую мембрану.
Движение молекул воды само по себе не регулируется клетками, поэтому важно, чтобы клетки подвергались воздействию среды, в которой концентрация растворенных веществ вне клеток (во внеклеточной жидкости) равна концентрации растворенных веществ внутри клеток ( в цитоплазме). Два раствора, которые имеют одинаковую концентрацию растворенных веществ, называются изотоническими (одинаковое напряжение). Когда клетки и их внеклеточные среды являются изотоническими, концентрация молекул воды одинакова снаружи и внутри клеток, и клетки сохраняют свою нормальную форму (и функцию).
Осмос возникает, когда существует дисбаланс растворенных веществ вне клетки и внутри клетки. Говорят, что раствор с более высокой концентрацией растворенных веществ, чем другой раствор, является гипертоническим , и молекулы воды имеют тенденцию диффундировать в гипертонический раствор.
Клетки в гипертоническом растворе будут высыхать, когда вода покидает клетку посредством осмоса. Напротив, раствор, который имеет более низкую концентрацию растворенных веществ, чем другой раствор, называется гипотоническими молекулы воды имеют тенденцию диффундировать из гипотонического раствора. Клетки в гипотоническом растворе будут поглощать слишком много воды и разбухать, что может привести к взрыву. Критическим аспектом гомеостаза в живых организмах является создание внутренней среды, в которой все клетки организма находятся в изотоническом растворе. Различные системы органов, особенно почки, работают для поддержания этого гомеостаза.
Другим механизмом, помимо диффузии для пассивного перемещения материалов между отсеками, является фильтрация . В отличие от диффузии вещества, из которого оно более концентрировано, в менее концентрированное, фильтрация использует градиент гидростатического давления, который выталкивает жидкость - и растворенные в ней вещества - из области более высокого давления в область более низкого давления. Фильтрация является чрезвычайно важным процессом в организме. Например, система кровообращения использует фильтрацию для перемещения плазмы и веществ через эндотелиальную оболочку капилляров и в окружающие ткани, снабжая клетки питательными веществами. Давление фильтрации в почках обеспечивает механизм для удаления отходов из кровотока.
Активный транспорт веществ через мембрану клеток
Для всех способов транспортировки, описанных выше, клетка не расходует энергию. Мембранные белки, которые помогают в пассивном транспорте веществ, делают это без использования АТФ. Во время активного транспорта АТФ требуется для перемещения вещества через мембрану, часто с помощью белковых носителей, и обычно против градиента концентрации.
Один из наиболее распространенных видов активного транспорта включает белки, которые служат насосами. Слово «насос», вероятно, вызывает мысли об использовании энергии для накачки шины велосипеда или баскетбола. Точно так же энергия от АТФ требуется для того, чтобы эти мембранные белки транспортировали вещества - молекулы или ионы - через мембрану, обычно против их градиентов концентрации (от области низкой концентрации до области высокой концентрации).
Натрий-калиевый насос, который также называют Na + / K + АТФазы, транспортирует натрий из клетки , в то время как перемещение калия в клетку. Насос Na + / K + является важным ионным насосом, обнаруженным в мембранах многих типов клеток. Эти насосы особенно распространены в нервных клетках, которые постоянно откачивают ионы натрия и вытягивают ионы калия для поддержания электрического градиента через их клеточные мембраны. Электрический градиентразница в электрическом заряде в пространстве Например, в случае нервных клеток электрический градиент существует между внутренней и внешней частью клетки, причем внутренняя часть заряжена отрицательно (около -70 мВ) относительно внешней стороны. Отрицательный электрический градиент поддерживается, потому что каждый насос Na + / K + выводит три иона Na + из клетки и два иона K + в клетку для каждой используемой молекулы АТФ.
Натриево-калиевый насос. Натриево-калиевая помпа обнаружена во многих клеточных (плазменных) мембранах. Приведенный в действие ATP, насос перемещает ионы натрия и калия в противоположных направлениях, каждый против его градиента концентрации. За один цикл работы насоса три иона натрия выдавливаются, а два иона калия импортируются в клетку.
Этот процесс настолько важен для нервных клеток, что на него приходится большая часть их использования АТФ. Активные транспортные насосы могут также работать вместе с другими активными или пассивными транспортными системами для перемещения веществ через мембрану. Например, натриево-калиевый насос поддерживает высокую концентрацию ионов натрия вне клетки. Поэтому, если клетке нужны ионы натрия, все, что нужно сделать, это открыть пассивный натриевый канал, поскольку градиент концентрации ионов натрия заставит их диффундировать в клетку. Таким образом, действие активного транспортного насоса (натриево-калиевого насоса) обеспечивает пассивный транспорт ионов натрия путем создания градиента концентрации. Когда активный транспорт обеспечивает транспорт другого вещества таким образом, это называется вторичным активным транспортом.
Симпортеры - вторичные активные транспортеры, которые перемещают два вещества в одном направлении. Например, натрий-глюкозный симпортер использует ионы натрия, чтобы «втянуть» молекулы глюкозы в клетку. Поскольку клетки накапливают глюкозу для получения энергии, концентрация глюкозы в клетке обычно выше, чем снаружи. Однако благодаря действию натриево-калиевого насоса ионы натрия легко диффундируют в клетку, когда симпортер открыт. Поток ионов натрия через симпортер обеспечивает энергию, которая позволяет глюкозе проходить через симпортер в клетку, против ее градиента концентрации.
И наоборот, антипортеры - это вторичные активные транспортные системы, которые транспортируют вещества в противоположных направлениях. Например, антипортер ионов натрия-водорода использует энергию внутреннего потока ионов натрия для перемещения ионов водорода (H +) из клетки. Натриево-водородный антипортер используется для поддержания рН внутри клетки.
Другие формы активного транспорта не включают мембранные носители.
Эндоцитоз (введение «в клетку») - это процесс поглощения клеткой материала, заключая его в часть клеточной мембраны и затем отщипывая эту часть мембраны.
Три формы эндоцитоза - особого транспорта веществ через клеточную стенку
Эндоцитоз является формой активного транспорта, при котором клетка обволакивает внеклеточные материалы, используя свою клеточную мембрану. При фагоцитозе, который является относительно неселективным, клетка принимает большую частицу. При пиноцитозе клетка поглощает мелкие частицы в жидкости.
Напротив, рецептор-опосредованный эндоцитоз довольно избирателен. Когда внешние рецепторы связывают определенный лиганд, клетка реагирует путем эндоцитоза лиганда.
После защемления часть мембраны и ее содержимое становятся независимым внутриклеточным пузырьком. Пузырек является перепончатая мешка-сферическая и полые органеллы , ограниченную липидной двухслойной мембраной. Эндоцитоз часто приносит материалы в клетку, которые должны быть расщеплены или переварены. Фагоцитоз(«Поедание клеток») - это эндоцитоз крупных частиц. Многие иммунные клетки участвуют в фагоцитозе вторгающихся патогенов.
Как и маленькие Pac-клетки, их работа заключается в патрулировании тканей организма на предмет нежелательных веществ, таких как проникновение в бактериальные клетки, их фагоцитирование и переваривание. В отличие от фагоцитоза, пиноцитоз («питье клеток») переносит жидкость, содержащую растворенные вещества, в клетку через мембранные везикулы. Фагоцитоз и пиноцитоз поглощают большие порции внеклеточного материала, и они, как правило, не являются высокоселективными в отношении веществ, которые они вносят. Клетки регулируют эндоцитоз конкретных веществ посредством рецептор-опосредованного эндоцитоза. Рецептор-опосредованного эндоцитозаявляется эндоцитоз частью клеточной мембраны, которая содержит множество рецепторов, которые являются специфическими для определенного вещества. Как только поверхностные рецепторы связали достаточное количество определенного вещества (лиганда рецептора), клетка будет эндоцитозировать часть клеточной мембраны, содержащую комплексы рецептор-лиганд. Железо, необходимый компонент гемоглобина, таким образом подвергается эндоцитозу эритроцитами. Железо связано с белком трансферрин в крови. Специфические рецепторы трансферрина на поверхности эритроцитов связывают молекулы железа-трансферрина, и клетки эндоцитозируют комплексы рецептор-лиганд.
В отличие от эндоцитоза, экзоцитоз (выведение «из клетки») - это процесс экспорта материала клетками с использованием везикулярного транспорта.
Экзоцитоз. Экзоцитоз очень похож на эндоцитоз наоборот. Материал, предназначенный для экспорта, упакован в пузырек внутри клетки. Мембрана везикулы сливается с клеточной мембраной, и содержимое высвобождается во внеклеточное пространство.
Многие клетки производят вещества, которые должны секретироваться, например, фабрика, производящая продукцию для экспорта. Эти вещества, как правило, упакованы в мембранные пузырьки внутри клетки. Когда везикулярная мембрана сливается с клеточной мембраной, везикула высвобождает свое содержимое в интерстициальную жидкость. Везикулярная мембрана становится частью клеточной мембраны. Клетки желудка и поджелудочной железы производят и выделяют пищеварительные ферменты посредством экзоцитоза.
Ферментные продукты панкреатических клеток. Ацинарные клетки поджелудочной железы производят и выделяют много ферментов, которые переваривают пищу. Крошечные черные гранулы на этой электронной микрофотографии представляют собой секреторные пузырьки, заполненные ферментами, которые будут экспортироваться из клеток посредством экзоцитоза.
Эндокринные клетки производят и выделяют гормоны, которые передаются по всему организму, а определенные иммунные клетки вырабатывают и выделяют большое количество гистамина, химического вещества, важного для иммунных реакций.
Полезно знать
© VetConsult+, 2016. Все права защищены. Использование любых материалов, размещённых на сайте, разрешается при условии ссылки на ресурс. При копировании либо частичном использовании материалов со страниц сайта обязательно размещать прямую открытую для поисковых систем гиперссылку, расположенную в подзаголовке или в первом абзаце статьи.
Транспорт в клетке
Мембранный транспорт — перенос веществ сквозь клеточную мембрану в клетку или из клетки, осуществляемый с помощью различных механизмов.
Пассивный транспорт
При пассивном транспорте не происходит затрат энергии. Он имеет следующие разновидности:
Простая диффузия используется для газов и жирорастворимых веществ (напр., стероидные гормоны).
При простой диффузии происходит перемещение из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией без участия белка-переносчика. В результате простой диффузии достигается одинаковая концентрация незаряженных молекул по обе стороны от мембраны, через которую осуществляется транспорт.
Облегчённая диффузия (с помощью белков-переносчиков) необходима, чтобы транспортируемая молекула связывалась со специфическим носителем или транспортным белком в мембране. Энергия не требуется, и в результате также происходит выравнивание концентрации с обеих сторон мембраны.
Транспорт через каналы (трансмембранные белки), которые образуют поры для ионов. Каналы могут открываются или закрываются в ответ на стимуляцию.
Каналы могут иметь следующие механизмы управления:
1) Управляемые напряжением каналы реагируют на изменение электрического потенциала мембраны;
2) Лиганд-управляемые каналы реагируют на связывание лиганда с белком;
3) Каналы, управляемые фосфорилированием, реагируют на ковалентное изменение (фосфорилирование) белка.
Белок трансмембранного регулятора проводимости при муковисцидозе (Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator — CFTR) представляет собой хлоридный канал, который является примером канала, регулируемого посредством фосфорилирования. Этот белок экспрессируется в эпителиальных клетках дыхательных путей, слюнных и потовых железах, поджелудочной железе, кишечнике.
Патология CFTR приводит к неспособности клеток выделять хлорид-ионы и воду из клетки. В результате, образуется густая слизь, которая уплотняется и блокирует протоки, главным образом, в железах воздухоносных путей и в поджелудочной железе. Это приводит к отеку слизистой оболочки дыхательного тракта и недостаточности поджелудочной железы, поскольку её секрет не может достичь просвета тонкой кишки.
Активный транспорт
Активный транспорт требует использования энергии и транспортных белков
1) Первично-активный транспорт использует энергию АТФ или окислительно-восстановительного потенциала и осуществляется с помощью транспортных АТФ-аз. Наиболее распространены в плазматической мембране клеток человека Na+,K+- АТФ-аза, Са2+-АТФ-аза, Н+-АТФ-аза.
2) При вторично-активном транспорте используется градиент ионов, созданный на мембране за счет работы системы первично-активного транспорта (всасывание глюкозы энтероцитами и реабсорбция из первичной мочи глюкозы и аминокислот клетками почек, осуществляемые при движении ионов Na+ по градиенту концентрации).
Везикулярный транспорт через плазматическую мембрану служит для переноса макромолекул и может осуществляться следующими способами:
1) Эндоцитоз — это перенос вещества из среды в клетку вместе с частью плазматической мембраны. Эндоцитоз подразделяется на пиноцитоз, фагоцитоз, рецептор-опосредованный эндоцитоз (образование везикул, покрытых клатрином, которые опосредуют интернализацию мембраносвязанных рецепторов в везикулах, находящихся внутри клетки с субъединицами белка клатрина; пример — холестерин проникает в клетки посредством рецептор-опосредованного эндоцитоза) и потоцитоз (эндоцитоз, происходящий через кавеолы — специфические участки плазматической мембраны).
2) Экзоцитоз (везикулярный транспорт из клетки).
Пример - выделение инсулина из β-клеток поджелудочной железы. Везикулы, содержащие предварительно образованный инсулин, сливаются с плазматической мембраной, выделяя везикулярное содержимое во внеклеточную среду.
Читайте также: