Активный и пассивный транспорт через биологическую мембрану. Активный транспорт ионов и молекул через мембрану. Разновидность обменной диффузии

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 .

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 , запускает .

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,

гдеdm / 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 — 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.

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

Первично активный транспорт - это перенос отдельных ионов во­преки концентрационному и электрическому градиентам с помощью специальных ионных насосов, а также с помощью эндоцитоза, экзоцитоза и трансцитоза. В обоих случаях энергия расхо­дуется непосредственно на перенос частиц.

Насосы (помпы) представляют собой белковые молекулы, обладающие свойствами переносчика и АТФазной активностью. Не­посредственным источником энергии явля­ется АТФ. Достаточно хорошо изучены Na/К-, Са 2+ - и Н + -насосы. Есть основания предполагать наличие Сl - -насоса, о чем сви­детельствует участие ионов Сl - в процессах торможения ЦНС, а также в возникновении возбуждения в клетках проводящей системы сердца и в клетках рабочего миокарда. Отсут­ствие хлорной помпы привело бы к исчезно­вению концентрационного градиента ионов Сl - в перечисленных клетках и нарушению процессов возбуждения и торможения в них, чего в реальной действительности не наблю­дается. Насосы локализуются на клеточных мембранах или на мембранах клеточных органелл.

Основными характеристи­ками мембранных насосов являются:

Специфичность (селективность);

Постоянная работа;

Специфичность насосов (селективность) заключается в том, что они обычно переносят какой-то оп­ределенный ион или два иона. Например, Na/К-насос (объединенный насос для Nа + и К +) не способен переносить ион лития, хотя по своим свойствам последний очень близок к натрию.

Натрий-калиевый насос (Nа/К-АТФаза ) - это интегральный белок клеточной мембра­ны, обладающий, как и все другие насосы, свойствами фермента, т.е. сам переносчик обеспечивает расщепление АТФ и освобож­дение энергии, которую он же сам и исполь­зует. Этот насос изучен наиболее хорошо, он имеется в мембранах всех клеток и создает характерный признак живого - градиент концентрации Nа+ и К+ внутри и вне клетки, что обеспечивает формирование мембранно­го потенциала и вторичный транспорт ве­ществ. Главными активаторами насоса явля­ются гормоны (альдостерон, тироксин), не­достаток энергии (кислородное голодание) ингибирует насос. Его специфическими блокаторами являются строфантины, особенно уабаин. Работа натриевого насоса после уда­ления К+ из среды сильно нарушается.

Кальциевый насос (Са 2+ -АТФаза) локализу­ется в саркоплазматическом ретикулуме мы­шечной ткани, в эндоплазматическом рети­кулуме других клеток, клеточной мембране. Насос обеспечивает транспорт Сa2+ и строго контролирует содержание Са2+ в клетке, по­скольку изменение содержания Са2+ в ней нарушает функцию. Насос переносит Са2+ либо во внеклеточную среду, например, в клетках сердечной и скелетных мышц, либо в цистерны ретикулума и митохондрии (внут­риклеточное депо Са2+).

Протонный насос (Н + -АТФаза) имеется в мембране обкладочных клеток в желудке, где играет важную роль в выработке соляной кислоты; в почке он участвует в регуля­ции рН внутренней среды организма; этот насос постоянно работает во всех митохонд­риях.

Постоянная работа насосов необходима для поддержания концентрационных гради­ентов ионов, связанного с ними электричес­кого заряда клетки и движения воды и неза­ряженных частиц в клетку и из клетки вто­рично активно, в частности согласно законам диффузии и осмоса. Совокупность этих про­цессов обеспечивает жизнедеятельность клетки. В результате разной проницаемости. клеточной мембраны для разных ионов и по­стоянной работы ионных помп концентра­ция различных ионов внутри и снаружи клет­ки неодинакова. Поскольку ионы являются заряженными частицами, то существует электрический заряд клетки. Почти во всех изученных клетках внутреннее содержимое их заряжено отрицательно по отношению к внешней среде, т.е. внутри клетки преоблада­ют отрицательные ионы, а снаружи - поло­жительные.

Преобладающими ионами в организме человека являются Na + , К + , Сl - , причем К + находится преимущественно в клетке, а Na + и Сl - - во внеклеточной жидкости. Внутри клетки находятся также крупномолекуляр­ные (в основном белкового происхождения) анионы. Роль первичного транспорта в поддержании различной концентрации разных ионов легко доказать, например, в опыте с эритроцитами. Если с помощью цианида подавить дыхание эритроцитов, то их ион­ный состав начинает постепенно меняться: Nа + и Сl - диффундируют через клеточную мембрану в эритроцит, К + - из эритроцита. Но в норме за счет энергии, поставляемой процессом дыхания, идет их первичный транспорт в обратном направлении, благо­даря чему и поддерживаются концентраци­онные градиенты.

Более трети энергии АТФ, потребляемой клеткой в состоянии покоя, расходуется на перенос только Na + и К + , т.е. на работу Na + /К. + -насоса. Это обеспечивает сохранение клеточного объема (осморегуляция), поддер­жание электрической активности в нервных и мышечных клетках, транспорт других ве­ществ в различных клетках организма.

Механизм работы ионных насосов.Nа + /К + -насос - молекула интегрального белка, пронизывающая всю толщу клеточной мембраны. Молекула имеет участок, который связывает либо Na + , либо К + , - это активный участок. При конформации Е 1 белковая молекула активной своей частью обращена внутрь клетки и об­ладает сродством к Nа + , который присоеди­няется к белку, в результате чего активирует­ся АТФаза, обеспечивающая гидролиз АТФ и освобождение энергии. Последняя обеспечи­вает конформацию молекулы белка: она пре­вращается в форму Е 2 , в результате чего ак­тивный ее участок уже обращен наружу кле­точной мембраны. Теперь белок теряет сродство к Na + , последний отщепляется от него, а белок-помпа приобретает сродство к иону К + и соединяется с ним. Это ведет снова к изме­нению конформации переносчика: форма Е 2 переходит в форму Е 1 , когда активный учас­ток белка снова обращен внутрь клетки. При этом он теряет сродство к иону К + , и тот от­щепляется, а белок приобретает снова срод­ство к иону Na + - это один цикл работы помпы. Затем цикл повторяется. Насос явля­ется электрогенным, поскольку за один цикл выводится из клетки 3 иона Nа + , а возвраща­ется в клетку 2 иона К + . На один цикл рабо­ты Na/К-насоса расходуется одна молекула АТФ, причем энергия расходуется только на перенос Na + .

Подобным образом работают и Са-АТФазы сарко- и эндоплазматической сетей, а также клеточной мембраны, с тем лишь раз­личием, что переносятся только ионы Ca 2+ и в одном направлении - из гиалоплазмы в сарко- или эндоплазматический ретикулум, а также - наружу клетки. Кальциевый насос (Са-АТФаза) - молекула интегрального белка, также имеет активный участок, связы­вающий два иона Са 2+ , и может быть в двух конформациях - Е 1 и Е 2 . В конформации Е 1 активный участок молекулы белка обращен в гиалоплазму, обладает сродством к Са 2+ и со­единяется с ним. В результате насос перехо­дит в конформацию Е 1 , когда активный учас­ток молекулы белка обращен внутрь саркоплазматического ретикулума или наружу клетки. При этом уменьшается сродство белка к Са 2+ , последний отщепляется от него. В присутствии иона магния освобождается энергия АТФ, за счет которой молекула белка Са-АТФазы вновь переходит в конфор­мацию Е 1 ; цикл повторяется. Одна молекула АТФ переносит два иона Са 2+ .

Эндоцитоз, экзоцитоз и трансцитоз (микровезикулярный транспорт) - это еще три вида первично-активного транспорта, близких по механизму друг к другу, посредст­вом которых различные материалы перено­сятся через мембрану либо в клетку (эндоцитоз), либо из клетки (экзоцитоз), либо через клетку (трансцитоз). С помощью этих меха­низмов транспортируются крупномолекуляр­ные вещества (белки, полисахариды, нуклеи­новые кислоты), которые не могут транспор­тироваться по каналам или с помощью насо­сов.

При эндоцитозе клеточная мембрана об­разует впячивания или выросты внутрь клет­ки, которые, отшнуровываясь, превращаются в пузырьки. Последние затем обычно слива­ются с первичными лизосомами, образуя вторичные лизосомы, в которых содержимое подвергается гидролизу - внутриклеточному перевариванию. Продукты гидролиза исполь­зуются клеткой. Различают два типа эндоцитоза - фагоцитоз (поглощение твердых час­тиц) и пиноцитоз - поглощение жидкого ма­териала (раствор, коллоидный раствор, в том числе и белков, суспензия). Пиноцитоз ха­рактерен для амебоидных простейших и для многих других клеток, таких как лейкоциты, клетки зародыша, клетки печени и некото­рые клетки почек, участвующие в водно-со­левом обмене, в обмене белков: они обеспе­чивают пиноцитоз белков из первичной мочи в клетки проксимальных канальцев и их лизис. С помощью пиноцитоза новорожден­ные получают с молоком матери иммуногло­булины, которые через энтероциты попадают в кровь ребенка и выполняют свои защитные функции. Процесс эндоцитоза имеет место при всасывании веществ в желудочно-ки­шечном тракте.

Экзоцитоз - процесс, обратный эндоцитозу; это наиболее распространенный ме­ханизм секреции. Таким способом различные материалы выводятся из клеток: из пресинаптических окончаний - медиатор, из пи­щеварительных вакуолей удаляются остав­шиеся непереваренными частицы, а из сек­реторных клеток путем экзоцитоза выводится их жидкий секрет (слизь, гормоны, фермен­ты), из гепатоцитов - альбумины.

Экзоцитозные пузырьки образуются в аппарате Гольджи. В пузырьки упаковываются белки, обра­зовавшиеся в рибосомах эндоплазматического ре­тикулума. Низкомолекулярные вещества (медиа­торы, некоторые гормоны) попадают в везикулы преимущественно с помощью вторичного транс­порта. Пузырьки транспортируются сократитель­ным аппаратом клетки, состоящим из нитей акти­на, миозина и микротрубочек, к клеточной мем­бране, сливаются с ней, и содержимое клеток вы­деляется во внеклеточную среду. Энергия АТФ расходуется на деятельность сократительного ап­парата клетки. Процесс слияния везикул с клеточ­ной мембраной активируется фосфолипидом лизолецитином и внутриклеточным Са 2+ . Например, поступление Са 2+ в нервное окончание обеспечи­вает выделение медиатора через пресинаптическую мембрану в синаптическую щель. В процессе взаимодействия эндо- и экзоцитоза происходит самообновление клеточной мембраны (кругообо­рот, рециркуляция): в течение каждого часа в про­цессе эндоцитоза в разных клетках используется от 3 до 100 % клеточной оболочки, но с такой же скоростью происходит ее восстановление в ре­зультате экзоцитоза.

Трансцитоз сочетает в себе элементы эндо- и экзоцитоза: это перенос частиц через клетку, например, молекул белка в виде вези­кул - через эндотелиальную клетку капилля­ров на другую ее сторону. В этом случае эндоцитозные пузырьки не взаимодействуют с лизосомами. При этом пузырьки могут сли­ваться друг с другом, образуя каналы, пересе­кающие всю клетку.

Вторично активный транспорт

Вторичный транспорт - переход различных частиц и молекул воды за счет ранее запасен­ной (потенциальной) энергии. Потенциаль­ная энергия создается в виде электрического, концентрационного и гидростатического гра­диентов (это обеспечивает диффузию, осмос, следование за растворителем) и градиента гидростатического давления жидкости, обес­печивающего фильтрацию, что создается дея­тельностью сердца, скелетных и гладких мышц. К вторичному транспорту относятся следующие виды транспорта.

Диффузия . Согласно законам диффу­зии, частицы перемещаются из области с вы­сокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Частицы с одноименными электрическими зарядами отталкиваются, с разноименными зарядами - притягиваются друг к другу. Направление диффузии опреде­ляется взаимодействием электрического и концентрационного (химического) градиен­тов. Если частицы не заряжены, то направле­ние их диффузии определяется только гради­ентом концентрации. Скорость диффузии определяется проницаемостью мембраны, а также градиентом концентрации для незаря­женных частиц; электрическим и концентра­ционным градиентами - для заряженных частиц. Направления действия электрическо­го и концентрационного градиентов могут не совпадать. Например, Na+ в процессе воз­никновения возбуждения продолжает посту­пать в клетку, когда она внутри уже заряжена положительно. Этот переход ионов обеспечи­вается концентрационным градиентом во­преки электрическому градиенту. Совокуп­ность химического (концентрационного) и электрического градиентов называют элект­рохимическим градиентом. Различают прос­тую и облегченную диффузию и осмос как частный случай диффузии.

Простая диффузия осуществляется либо непосредственно через липидный бислой, либо через каналы. При этом заряженные частицы движутся согласно электрохимичес­кому градиенту, а незаряженные - согласно только химическому градиенту. Через липид­ный бислой проходят жирорастворимые час­тицы. Если они находятся в воде по одну сто­рону мембраны, то могут внедряться в липидную оболочку благодаря тепловому дви­жению (при этом необходимо освободиться от гидратной оболочки). Частицы-неэлектро­литы обычно легко освобождаются от гидрат­ной оболочки (разрыв водородных связей). Естественно, с уменьшением молекулярной массы способность перехода частиц через мембрану возрастает. Примером простой диффузии через липидный слой может слу­жить диффузия малых незаряженных поляр­ных молекул этанола, кислорода, углекисло­го газа, стероидных гормонов и других липидов, тироксина, мочевины, а также чуждых клетке веществ, в частности ядов и лекарств. Этот процесс происходит слишком медленно и плохо контролируется. В ходе эволюции сформировались специальные каналы, по ко­торым могут проходить различные частицы, причем ионы - очень быстро - за 0,5-1 мс. Каналы заполнены водой и, кроме ионов, через них могут проходить малые молекулы неэлектролитов (этанол, мочевина), заряжен­ные молекулы. Диаметр этих каналов 0,3- 0,8 нм. Скорость диффузии определяется электрохимическим градиентом и проницае­мостью клеточной мембраны для данного ве­щества. С течением времени скорость про­стой диффузии изменяется мало, пока суще­ствует движущая сила (электрический или концентрационный градиенты), так как по одному и тому же каналу или через липид­ный бислой после прохождения одной части­цы сразу же может следовать другая.

Облегченная диффузия осуществляется также согласно концентрационному градиен­ту и обеспечивает перенос веществ, способ­ных образовывать комплексы с другими мо­лекулами-переносчиками. Переносчик - специфический мембранный белок должен свободно переходить с одной стороны мем­браны на другую. Этот транспорт осущест­вляется очень быстро. С помощью простой диффузии не могут проходить через мембра­ну даже небольшие полярные молекулы - моносахариды, аминокислоты. Облегченная диффузия имеет ряд особенностей по сравне­нию с простой диффузией. 1. Имеются спе­цифические переносчики для отдельных или нескольких веществ, близких по строению. Вещества, имеющие сходные по строению молекулы, могут переноситься одним и тем же переносчиком и конкурировать за пере­носчик. 2. У молекулы-переносчика может быть особый канал, пропускающий вещество только одного определенного типа. 3. С уве­личением концентрации вещества с одной стороны мембраны скорость облегченной диффузии возрастает только до определенно­го предела в отличие от простой диффузии. Прекращение нарастания облегченной диф­фузии при увеличении концентрации веще­ства свидетельствует о том, что все перенос­чики уже заняты - явление насыщения. Пере­носчиками являются белковые молекулы мембран, которые совершают челночные движения с одной стороны мембраны на дру­гую и обратно либо встраиваются в мембра­ну. В последнем случае образуется канал, по которому проходят транспортируемые веще­ства, в основном сахара, аминокислоты. Од­нако неясно, каким образом транспортиру­ются сами переносчики.

В случае предполагаемых челночных движений белковых молекул-переносчиков возникает во­прос: какая сила обеспечивает транспорт самих переносчиков? Если это одностороннее движе­ние, то оно быстро прекратится после уравнива­ния концентрации самих переносчиков по обе стороны клеточной мембраны. На этот вопрос от­вета пока нет. Возможны два механизма. Во-пер­вых, за счет создания градиента концентрации самого переносчика, с помощью концентрацион­ного градиента транспортируемого вещества. Если, например, концентрация глюкозы больше вне клетки, нежели в клетке, то она может пере­ходить в клетку согласно своему градиенту кон­центрации. Образование комплекса молекул глю­коза - переносчик лишь улучшает прохождение глюкозы через мембрану согласно концентраци­онному градиенту глюкозы. Движущей силой яв­ляется концентрационный градиент глюкозы. На внутренней стороне мембраны клетки комплекс распадается, поэтому концентрация молекул-переносчиков возрастает и они, согласно своему концентрационному градиенту, переходят на внешнюю сторону клеточной мембраны, снова соединяются с глюкозой и ускоряют ее переход в клетку. Такой транспорт возможен только при на­личии концентрационного градиента транспорти­руемого вещества, например при более высокой концентрации глюкозы и аминокислот в кишеч­нике вследствие приема пищи и гидролиза пище­вых веществ. Далее глюкоза и аминокислоты могут переходить из клетки в кровь согласно их концентрационным градиентам - если в энтероцитах их концентрация больше, чем в плазме крови. Из плазмы крови аминокислоты и глюкоза поступают в клетки различных органов и тканей организма согласно концентрационным их гради­ентам, так как клетка расходует эти вещества. По всей этой цепочке: полость кишки - энтероциты - кровь - интерстиций - клетки организма транспорт глюкозы и аминокислот осуществляет­ся без затрат энергии - это исключение из обще­го правила. В кишечнике же глюкоза и аминокис­лоты накапливаются вследствие пищеварения, на что также затрачивается энергия - механическая обработка пищи, продвижение ее химуса по желу­дочно-кишечному тракту, выработка пищевари­тельных соков. Во-вторых, челночные движения переносчика могут осуществляться или допол­няться с помощью ионов К + Известно, что К + постоянно диффундирует из клетки согласно кон­центрационному градиенту. При этом на внутрен­ней стороне мембраны клетки может образоваться комплекс ион К + - молекула переносчика, кото­рый и перейдет на внешнюю сторону клеточной мембраны. В этом случае движущей силой являет­ся концентрационный градиент К + , который затем переносится в клетку Na/К-помпой с непо­средственной затратой энергии, т.е. первично ак­тивно. Напомним, что энергия здесь затрачивает­ся только на транспорт Nа + - транспорт веществ экономичен. Переносчик же транспортируется вторично активно: если не будет работать Na/K-помпа, челночные движения переносчика, соглас­но такому представлению, прекратятся, при этом сохраняется простая диффузия в случае наличия градиента концентрации вещества.

Осмос - это частный случай диффузии: движение воды (растворителя) через полу­проницаемую мембрану в область с большей концентрацией частиц, т.е. с большим ос­мотическим давлением. Осмотическое давле­ние - это диффузионное давление, обеспе­чивающее движение растворителя через полупроницаемую мембрану. Измеряется оно минимальным механическим давлением на раствор (например, с помощью поршня), препятствующим движению растворителя через полупроницаемую мембрану. Осмоти­ческое давление одномолярного раствора чрезвычайно велико: 22,4 атм, в плазме крови оно существенно ниже - 7,6 атм, не­сколько больше оно внутри клетки, что обес­печивает ее упругость вследствие поступле­ния воды в клетку и растяжения ее мембра­ны. Вода поступает в клетку через водные ка­налы и временные поры, образующиеся между молекулами липидов и при смещении белков. Через водные каналы (аквапорионы) могут проходить также малые незаряженные молекулы: кислород, углекислый газ, этанол, мочевина.

Фильтрация - переход раствора через полупроницаемую мембрану (стенку сосуда) под действием градиента гидростатического давления между жидкостями по обе стороны этой мембраны. Градиент гидростатического давления создается либо деятельностью серд­ца (фильтрация в артериальном конце капил­ляра всех органов и тканей организма, а также образование первичной мочи в почке), либо гладкой мускулатурой желудочно-ки­шечного тракта и мышечного пресса, обеспе­чивающих повышение гидростатического давления в полости желудка и кишечника, что способствует всасыванию веществ в кровь.

В процессе фильтрации поток воды через мембрану увлекает за собой растворен­ные вещества, свободно проходящие через полупроницаемую мембрану, при этом час­тицы переходят через мембрану в неизменен­ной концентрации. Это наблюдается, напри­мер, в артериальном конце капилляров всех органов и тканей организма, в собиратель­ных трубках почки при переходе воды в моз­говой слой почки. Растворенные частицы, например мочевина, переходят с жидкостью в интерстиций почки, аминокислоты и глю­коза - в интерстиций всех органов и тканей организма.

Натрийзависимый транспорт. В этом случае энергия затрачивается на создание градиента натрия. Имеется два варианта дан­ного механизма транспорта.

Первый вариант, когда направление дви­жения транспортируемого вещества совпадает с направлением движения натрия согласно его электрохимическому градиенту (симпорт), например перенос глюкозы в прокси­мальных канальцах нефрона в клетку каналь­ца из первичной мочи. Глюкоза соединяется с белком-переносчиком, последний соединя­ется с Nа + , а Nа + , согласно концентрацион­ному и электрическому градиентам, диффун­дирует в клетку канальца и несет с собой глюкозу. На внутренней стороне клеточной мембраны комплекс распадается, Na + выво­дится помпой с непосредственной затратой энергии из клетки в интерстиций вопреки электрохимическому градиенту - первично активно. Глюкоза обратно пройти не может и по механизму простой или облегченной диф­фузии (с переносчиком) выходит из клетки уже с другой стороны - в интерстиций, а затем в кровь согласно концентрационному градиенту. С помощью натрийзависимого транспорта всасываются аминокислоты и моносахара в кишечнике, если всасывание идет вопреки концентрационному градиенту; про­исходит обратный захват медиатора в пресинаптическую терминаль из синаптической щели в синапсах ЦНС. Транспорт веществ с помощью Nа + осуществляется согласно зако­нам диффузии для Na + . Транспортируемое вещество при этом может поступать в клетку вопреки собственному концентрационному градиенту. Движущей силой является электрохимический градиент Nа + . Глюкоза вместе с Nа + идет в клетку даже в том случае, если ее концентрация в клетке больше, неже­ли в среде, если, конечно, электрохимичес­кий градиент Nа + превосходит концентраци­онный градиент глюкозы.

Второй вариант натрийзависимого транс­порта, когда перемещение транспортируемых частиц направлено в противоположную по от­ношению к движению Nа + сторону, - это антипорт (противотранспорт). Этим обмен­ным механизмом регулируется, например, со­держание Са 2+ в клетке, рН внутри клетки за счет выведения Н + -иона в обмен на внекле­точный Nа + . В большинстве клеток (а воз­можно, и во всех) внутриклеточная концент­рация Са 2+ на несколько порядков ниже вне­клеточной. Концентрационный градиент Nа + участвует в выведении Са 2+ из клетки (в соот­ношении ЗNа + : 1Са 2+). В некоторых клетках (кардиомиоциты, гладкомышечные клетки) он играет главную роль. Об этом свидетельст­вует, в частности, следующий факт. Выведе­ние Са 2+ из клеток снижается, если удалить из внеклеточной среды Nа + . Это позволяет пред­положить, что Са 2+ выводится из клетки в обмен на поступающий в нее Nа + и противоположно направленные потоки этих ионов сопряжены друг с другом; обеспечивается он переносчиком-обменником. Исходным ис­точником энергии этого процесса опять явля­ется градиент Nа + , который в конечном счете формируется за счет АТФ-зависимого актив­ного транспорта Nа + . Поэтому при ингибировании Nа/К-АТФазы сердечными гликозидами, при уменьшении внеклеточной концент­рации Nа + и в бескалиевой среде.(когда Nа + выводится из клетки недостаточно) Nа/Са-обменник блокируется, в результате чего уве­личивается внутриклеточная концентрация Са 2+ , что ведет к увеличению силы сокраще­ния сердца. Это свойство сердечных гликозидов используется в клинической практике.

Вторичный транспорт веществ играет важ­ную роль в деятельности почки, например работа Nа/Н-обменника в канальцах почек. В этом случае выведение Н + из клеток, вы­стилающих почечный каналец, в просвет ка­нальца сопряжено с поглощением клетками Nа + в отношении 1:1, что весьма важно: не приходится затрачивать энергию на выполне­ние электрической работы в процессе регуля­ции рН среды, поскольку происходит обмен двух одинаковых положительных зарядов.

Конкретный механизм работы переносчика-обменника неясен. Переносчик может транспортировать Са 2+ и Н + вопреки их электрическим и концентраци­онным градиентам только в том случае, если сам пере­носчик имеет собственный градиент, - его концентра­ция в клетке больше, чем вне клетки, причем этот гра­диент должен постоянно поддерживаться, иначе перенос Са 2+ и Н + прекратится. Полагаем, что выведение Са 2+ и Н + из клетки в результате диффузии Nа + в клетку (противотранспорт) осуществляется следую­щим образом. На постоянно поступает в клетку, со­гласно своему электрохимическому градиенту, и транспортирует с собой (в комплексе) молекулы-пере­носчики с внешней стороны клеточной мембраны на внутреннюю, что и ведет к созданию их концентраци­онных градиентов, направленных из клетки. Са 2+ и Н + соединяются со своими переносчиками на внутренней стороне клеточной мембраны и транспортируются из клетки в виде комплексов согласно градиентам своих переносчиков. Именно поэтому, например, блокада Nа/К насоса ведет к накоплению Са 2+ в кардиомиоцитах (транспорт Са 2+ из клетки уменьшается). Это примеры вторичного транспорта вещества за счет пер­вичного транспорта Nа + , который с помощью помпы выводится из клетки. Переносчики совершают челноч­ные движения за счет работы Nа/К-насоса - вторич­но активно и транспортируют с собой Са 2+ и Н + .

Таким образом, механизмы вторичного транспорта веществ весьма разнообразны. Что касается вторичного транспорта ионов, то он осуществляется, как правило, с помо­щью простой диффузии через специальные ионные каналы.

Ионные каналы

Ионные каналы образованы белками, они весьма разнообразны по устройству и меха­низму их действия. Известно более 50 видов каналов, каждая нервная клетка имеет более 5 видов каналов. Состояние активации управ­ляемого ионного канала обычно длится око­ло 1 мс, иногда до 3 мс и значительно боль­ше, при этом через один канал может пройти 12-20 млн ионов.

Классификация ионных каналов прово­дится по нескольким признакам.

По возможности управления их функцией различают управляемые и неуправляе­мые каналы (каналы утечки ионов). Через неуправляемые каналы ионы перемещаются постоянно, но медленно, естественно, при наличии электрохимического градиента, как и в случае быстрого перемещения ионов по управляемым каналам. Управляемые каналы имеют ворота с механизмами их управления, поэтому ионы через них могут проходить только при открытых воротах.

По скорости движения ионов каналы могут быть быстрыми и медленными. Напри­мер, потенциал действия в скелетной мышце возникает в следствие активации быстрых Nа- и К-каналов. В развитии потенциала действия сердечной мышцы наряду с бы­стрыми каналами для Nа + и К + важную роль играют медленные каналы - кальциевые, ка­лиевые и натриевые.

В зависимости от стимула, активирую­щего или инактивирующего, управляемые ионные каналы различают несколько их видов:

а)потенциалчувствительные,

б)хемочувствительные,

в)механочувствительные,

г)кальцийчувствительные,

д) каналы, чувст­вительные ко вторым посредникам.

Послед­ние расположены во внутриклеточных мем­бранах, они изучены недостаточно, так же как и кальцийчувствительные каналы. При взаимодействии медиатора (лиганда) с рецепторами, расположенными на поверхности клеточной мембраны, может происходить от­крытие ворот хемочувствительных каналов, поэтому их называют также рецепторуправляемыми каналами. Л и г а н д - это биологи­чески активное вещество или фармакологи­ческий препарат, активирующий или блокирующий рецептор. Открытие хемочувстви­тельных каналов происходит в результате конформационных изменений рецепторного комплекса. Ворота потенциалзависимых ка­налов открываются и закрываются при изме­нении величины мембранного потенциала. Поэтому в конструкции их воротного механизма должны быть частицы, несущие элект­рический заряд. Механочувствительные ка­налы активируются и инактивируются сдав­ливанием и растяжением. Кальцийчувстви­тельные каналы активируются, как видно из названия, кальцием, причем Са 2+ может ак­тивировать как собственные каналы, напри­мер Са-каналы саркоплазматического ретикулума, так и каналы других ионов, напри­мер каналы ионов К + . Мембраны возбудимых клеток (гладких и поперечнополосатых мышц, в том числе и сердечной мышцы, нервной системы) содержат потенциале-, хемо-, механо- и кальцийчувствительные ка­налы. Следует заметить, что кальций-чувствительные каналы - это один из примеров хемо­чувствительных каналов.

В зависимости от селективности разли­чают ионоселективные каналы, пропускаю­щие только один ион, и каналы, не обладаю­щие селективностью. Имеются Nа-, К-, Са-, С1- и Nа/Са-селективные каналы. Есть кана­лы, пропускающие несколько ионов, напри­мер Nа + , К + и Са 2+ в клетках миокарда, т.е. не обладающие селективностью. Наиболее высока степень селективности потенциал чувствительных (потенциалзависимых) каналов, несколько ниже она у хемочувствительных (рецепторзависимых) каналов. Например, при действии ацетилхолина на Н-холинорецептор постсинаптической мембраны в нерв­но-мышечном синапсе активируются ионные каналы, через которые проходят одновремен­но ионы Nа + , К + и Са 2+ . Механочувствитель­ные каналы являются вообще неселективны­ми для одновалентных ионов и Са 2+ .

Один и тот же ион может иметь не­сколько видов каналов. Наиболее важными из них для формирования биопотенциалов являются следующие.

Каналы для К + :

а) неуправляемые каналы покоя (каналы утечки) через которые К + постоянно выходит из клетки, что является глав­ным фактором в формировании мем­бранного потенциала(потенциала покоя);

б) потенциалчувствительные управляемые К-каналы;

в) К-каналы, активируемые Са 2+ ;

г) каналы, активируемые и другими иона­ми и веществами, например ацетилхолином, что обеспечивает гиперполяризацию миоцитов сердца.

Каналы для Nа + - управляемые быстрые и медленные и неуправляемые (каналы утечки ионов):

а) потенциалчувствительные быстрые Na-каналы - быстро активирующиеся при уменьшении мембранного потенциала, обеспечивают вход Nа + в клетку во вре­мя ее возбуждения;

б) рецепторуправляемые Nа-каналы, активируемые ацетилхолином в нервно-мы­шечном синапсе, глутаматом - в си­напсах нейронов ЦНС;

в) медленные неуправляемые Nа-каналы-каналы утечки, через которые Nа + постоянно диффундирует в клетку и пере носит с собой другие молекулы, напри­мер глюкозу, аминокислоты, молекулы-переносчики. Таким образом, Nа-каналы утечки обеспечивают вторичный транспорт веществ и участие Nа + в фор­мировании мембранного потенциала.

Каналы для Са 2+ весьма разнообразны и наиболее сложны: рецепторуправляемые и потенциалуправляемые, медленные и бы­стрые:

а) медленные кальциевые потенциалчувствительные каналы (новое название: L-типа), медленно активирующиеся при деполяризации клеточной мембра­ны, обусловливают медленный вход Са 2+ в клетку и медленный кальциевый потенциал, например, у кардиомиоцитов. Имеются в исчерченных и гладких мышцах, в нейронах ЦНС;

б) быстрые кальциевые потенциалчувствительные каналы саркоплазматического ретикулума обеспечивают выход Са 2+ в гиалоплазму и электромеханическое со­пряжение.

Каналы для хлора имеются в скелетных и сердечных миоцитах, эритроцитах, в неболь­шом количестве в нейронах и сконцентри­рованы в синапсах. Потенциалуправляемые С1-каналы имеются в кардиомиоцитах, ре­цепторуправляемые в синапсах ЦНС и ак­тивируются тормозными медиаторами ГАМК и глицином.

Структура ионных каналов и их функци­онирование. Каналы имеют устье и селектив­ный фильтр, а управляемые каналы - и во­ротный механизм; каналы заполнены жид­костью, их размеры 0,3-0,8 нм. Селектив­ность ионных каналов определяется их раз­мером и наличием в канале заряженных час­тиц. Эти частицы имеют заряд, противопо­ложный заряду иона, который они притяги­вают, что обеспечивает проход иона через данный канал (одноименные заряды, как из­вестно, отталкиваются). Через ионные кана­лы могут проходить и незаряженные частицы. Ионы, проходя через канал, должны из­бавиться от гидратной оболочки, иначе их размеры будут больше размеров канала. Диа­метр иона Nа + , например, с гидратной обо­лочкой равен 0,3 нм, а без гидратной оболоч­ки - 0,19 нм. Слишком мелкий ион, проходя через селективный фильтр, не может отдать гидратную оболочку, поэтому он не может пройти через канал. Однако, по-видимому, имеются и другие механизмы селективности клеточной мембраны. Гипотеза «просеива­ния» не в состоянии объяснить, например, почему К + не проходит через открытые Nа-каналы в начале цикла возбуждения клет­ки, но тем не менее она дает удовлетвори­тельное, а в некоторых случаях и абсолютно убедительное объяснение избирательной (се­лективной) проницаемости клеточных мем­бран для разных частиц и ионов.

У каналов одного и того же вида возможно взаимовлияние друг на друга. Так, открытие одних электроуправляемых ка­налов способствует активации рядом распо­ложенных электрочувствительных каналов, в то время как открытие одного хемо- или механочувствительного канала и прохождение через него ионов практически не влияют на состояние соседних таких же каналов. Час­тичная деполяризация клеточной мембраны за счет активации механочувствительных ка­налов может привести к активации потенциалчувствительных каналов Nа + , К + (или Cl -) и Са 2+ .

Ионные каналы блокируются специфи­ческими веществами и фармакологическими препаратами, что широко используется с ле­чебной целью. Специфическим блокатором механочувствительных каналов является Gadolinium (Gd 3+). Блокаторами различных потенциалчувствительных каналов являются разные препараты или химические вещества. Так, например, блокатором хемочувствительного (рецепторчувствительного) канала эффекторных клеток, активируемого ацетилхо­лином, является атропин. Потенциалзависимые Nа-каналы блокируются тетродотоксином (действует только снаружи клетки); кальциевые - двухвалентными ионами, на­пример ионами никеля, марганца, а также верапамилом, нифедипином. Число ионных каналов на клеточной мембране огромно. Так, на 1 мкм 2 насчитывают примерно 50 Nа-каналов, в среднем они располагаются на расстоянии 140 нм друг от друга. Успеш­ное изучение ионных каналов дает возмож­ность глубже понять механизм действия фар­макологических препаратов, а значит, более успешно применять их в клинической прак­тике. Новокаин, например, как местный анестетик снимает болевые ощущения пото­му, что он, блокируя Nа-каналы, прекращает проведение возбуждения по нервным волок­нам.

Транспорт веществ внутрь и наружу клетки, а также между цитоплазмой и различными субклеточными органеллами (митохондриями, ядром и т.д.) обеспечивается мембранами. Если бы мембраны были глухим барьером, то внутриклеточное пространство оказалось бы недоступным для питательных веществ, а продукты жизнедеятельности не могли бы быть удалены из клетки. В то же время при полной проницаемости было бы невозможно накопление определенных веществ в клетке. Транспортные свойства мембраны характеризуются полупроницаемостью : некоторые соединения могут проникать через нее, а другие - нет:

Проницаемость мембран для различных веществ

Одна из главных функций мембран - регуляция переноса веществ. Существуют два способа переноса веществ через мембрану: пассивный и активный транспорт:

Транспорт веществ через мембраны

Пассивный транспорт . Если вещество движется через мембрану из области с высокой концентрацией в сторону низкой концентрации (т.е. по градиенту концентрации этого вещества) без затраты клеткой энергии, то такой транспорт называется пассивным, или диффузией . Различают два типа диффузии: простую и облегченную .

Простая диффузия характерна для небольших нейтральных молекул (H 2 O, CO 2 , O 2), а также гидрофобных низкомолекулярных органических веществ. Эти молекулы могут проходить без какого-либо взаимодействия с мембранными белками через поры или каналы мембраны до тех пор, пока будет сохраняться градиент концентрации.

Облегченная диффузия . Характерна для гидрофильных молекул, которые переносятся через мембрану также по градиенту концентрации, но с помощью специальных мембранных белков - переносчиков. Для облегченной диффузии, в отличие от простой, характерна высокая избирательность, так как белок переносчик имеет центр связывания комплементарный транспортируемому веществу, и перенос сопровождается конформационными изменениями белка. Один из возможных механизмов облегченной диффузии может быть следующим: транспортный белок (транслоказа ) связывает вещество, затем сближается с противоположной стороной мембраны, освобождает это вещество, принимает исходную конформацию и вновь готов выполнять транспортную функцию. Мало известно о том, как осуществляется передвижение самого белка. Другой возможный механизм переноса предполагает участие нескольких белков-переносчиков. В этом случае первоначально связанное соединение само переходит от одного белка к другому, последовательно связываясь то с одним, то с другим белком, пока не окажется на противоположной стороне мембраны.

Активный транспорт имеет место в том случае, когда перенос осуществляется против градиента концентрации. Такой перенос требует затраты энергии клеткой. Активный транспорт служит для накопления веществ внутри клетки. Источником энергии часто является АТР. Для активного транспорта кроме источника энергии необходимо участие мембранных белков. Одна из активных транспортных систем в клетке животных отвечает за перенос ионов Na + и K + через клеточную мембрану. Эта система называется Na + - K + - насос. Она отвечает за поддержание состава внутриклеточной среды, в которой концентрация К + выше, чем Na + :

Механизм действия Na + , K + -АТР-азы

Градиент концентрации калия и натрия поддерживается путем переноса К + внутрь клетки, а Na + наружу. Оба транспорта происходят против градиента концентрации. Такое распределение ионов определяет содержание воды в клетках, возбудимость нервных клеток и клеток мышц и другие свойства нормальных клеток. Na + ,K + -насос представляет собой белок - транспортную АТР-азу . Молекула этого фермента является олигомером и пронизывает мембрану. За полный цикл работы насоса из клетки в межклеточное вещество переносится три иона Na + , а в обратном направлении - два иона К + . При этом используется энергия молекулы АТР. Существуют транспортные системы для переноса ионов кальция (Са 2+ - АТР-азы), протонные насосы (Н + - АТР-азы) и др. Симпорт это активный перенос вещества через мембрану, осуществляемый за счет энергии градиента концентрации другого вещества. Транспортная АТР-аза в этом случае имеет центры связывания для обоих веществ. Антипорт - это перемещение вещества против градиента своей концентрации. При этом другое вещество движется в противоположном направлении по градиенту своей концентрации. Симпорт и антипорт могут происходить при всасывании аминокислот из кишечника и реабсорбции глюкозы из первичной мочи. При этом используется энергия градиента концентрации ионов Na + , создаваемого Na + , K + -АТР-азой.

К мембранным белкам относятся белки, которые встроены в клеточную мембрану или мембрану клеточной органеллы или ассоциированы с таковой. Около 25 % всех белков являются мембранными.

Через мембрану должны проходить молекулы разных веществ. Они могут быть растворимыми в воде (гидрофильными) или в жи­рах (гидрофобными), заряженными (ионы К + , Na + , NO - 3 , Са 2+) или незаряженными (СО 2 , О 2 , Н 2 О, аминокислоты, сахара), большими (белки, полисахариды) или маленькими.

Поскольку внутренняя часть липидного бислоя мембраны - гидрофобна, она представляет собой практически непроницаемый барьер для большинства полярных молекул. Благодаря такому барьеру вещества, растворимые в воде, не могут выйти из клетки. Однако клетка должна получать необходимые питательные вещест­ва и освобождаться от ненужных.

Трудности транспорта веществ через мембраны связаны еще с тем, что многие элементы минерального питания клетка поглощает в ионной форме, а мембраны имеют электрический заряд. Напри­мер, внутренняя сторона плазмалеммы заряжена отрицательно по отношению к наружному раствору. Это помогает прохождению в протопласт положительно заряженных ионов и препятствует посту­плению отрицательно заряженных. Тонопласт, наоборот, имеет по­ложительный заряд.

Если транспортируемая молекула не заряжена, то направление ее движения определяется только разностью концентраций этого вещества по обеим сторонам мембраны (градиентом концентра­ции): молекулы передвигаются в сторону их меньшей концентра­ции. Однако если молекула заряжена, то на ее транспорт влияет и разница электрических потенциалов на сторонах мембраны (элек­трический градиент). Вместе концентрационный и электрический градиенты составляют электрохимический градиент.

Кроме того, ионы окружены водной оболочкой, увеличивающей их диаметр. Так, например, радиус негидратированного иона калия составляет 0,133 нм, а притяжение водных молекул увеличивает его до 0,34 нм. В результате для всех ионов, независимо от их разме­ров, мембраны оказываются в значительной степени непроницае­мыми.

Часто концентрация веществ в клетке больше, чем в свободном пространстве, поэтому вещество должно двигаться против электро­химического градиента. Для такого транспорта нужна энергия. Транспорт веществ через мембрану без затраты энергии, по градиенту электрохимического потенциала называется пассив­ным, а транспорт, идущий против электрохимического потенциала с затратой энергии, вьделяющейся в процессе метаболизма (АТФ), - активным.

Диффузия - пассивный транспорт, она происходит по градиенту электрохимического потенциала без траты энергии. Малые неполярные молекулы, такие как кислород, легко рас­творяются в липидных бислоях и поэтому быстро проходят через мембрану. Незаряженные полярные молекулы также диффундиру­ют с большой скоростью, если они достаточно малы, например углекислый газ (44 Да), этанол (46 Да), мочевина (60 Да). Они про­скакивают через отверстия, которые образуются между колеблю­щимися «хвостами» липидных молекул.

Чтобы диффузия шла долго и увеличение кон­центрации вещества в клетке не остановило ее, молекула вошедшего в цитоплазму вещества должна так измениться с помо­щью химической реакции, чтобы мембрана стала для нее непрони­цаемой. Например, в клетках некоторых бактерий сахара после пе­реноса через плазматическую мембрану фосфорилируются. В результате они становятся заряженными, не могут выйти из клетки и накапливаются в ней.

Маленькие водорастворимые молекулы (сахара, аминокислоты, нуклеотиды) через гидрофобный бислой мембраны переносят спе­циальные белки, которые называют мембранными транспортными белками. Каждый белок переносит только определенную молекулу или гpyппу похожих молекул, т. е. эти белки относительно специ­фичны. Таким способом обеспечивается избирательность поглоще­ния веществ клеткой.

Существуют два типа мембранных транспортных белков - бел­ ки-переносчики и каналообразующие белки.

Белки-переносчики .- Работа белков-переносчиков напоминает работу фермента, но переносимое вещество при этом не изменяет­ся. Транс­портный белок соединяется с молекулой или ионом переносимого вещества по принципу комплементарности (пространственное соответствие поверхностей взаимодействующих молекул или их частей, приводящее к образованию между ними вто­ричных связей (водородных, ионных и др.)).

Белки-переносчики транспортируют вещества через мембраны как по градиенту электрохимического потенциала, так и против этого градиента. Транспорт растворенных веществ через мембрану по градиенту электрохимического потенциала с помощью перенос­чика называется облегченной диффузией.

Специальные белки, находящиеся в мембране и транс­портирующие через нее растворенные вещества против градиента электрохимического потенциала с использованием энергии, осво­бождаемой, например, при гидролизе АТФ, получили название ионных насосов.

Перенос транспортными белками одного вещества через мем­брану называют унипортом, а одновременный перенос двух ве­ществ - котранспортом. Если два вещества транспортируются че­рез мембрану одновременно в одном направлении, то такой транс­порт называется симпортом, если в разных направлениях, то - ан­ типортом

Каналообразующие белки образуют в мембранах ка­налы, пронизывающие липидный бислой и заполненные водой. Наружная поверхность этих каналов гидрофобна, а внутренняя - гидрофильна; диаметр канала - 0,5-0,8 нм. Веще­ства проходят через каналы, не контактируя с гидрофобной частью мембраны. Практически все каналы служат для транспорта ионов, поэтому их называют ионными каналами . Внастоящее время известно около 50 видов этих каналов. Наиболее распространенными явля­ются каналы, проницаемые для ионов калия, кальция. Ионные каналы могут открываться и закрываться.

Транспортные белки переносят через мембраны полярные мо­лекулы небольшого размера. Для транспорта крупных молекул, на­пример белков, полинуклеотидов, полисахаридов, существуют дру­гие механизмы - эндоцитоз и экзоцитоз.

Вещество сначала адсорбируется на мембране, этот небольшой уча­сток мембраны впячивается (инвагинируется) и окружает погло­щаемое вещество, образуя транспортный пузырек, или везикулу. В зависимости от размера образующихся пузырьков различают два типа эндоцитоза: пиноцитоз и фагоцитоз. Пиноцитозом назы­вается поглощение жидкости и растворенных веществ с помощью маленьких пузырьков (150 нм в диаметре). Фагоцитоз - это погло­щение больших частиц, таких как микроорганизмы или части раз­рушенных клеток; в этом случае образуются крупные пузырьки, называемые фагосомами.

Не только белки переносят вещества через мембраны. Эту роль могут выполнять небольшие гидрофобные молекулы, которые рас­творяются в липидных бислоях- ионофоры. Ионофоры не связаны ни с какими источниками энергии, по­этому с их помощью ионы передвигаются только пассивно, по гра­диентам электрохимических потенциалов.