Транспорт веществ в клетке это функция чего
Органоиды клетки
Клеточная мембрана (оболочка)
Запомните, что в отличие от клеточной стенки, которая есть только у растительных клеток и у клеток грибов (она придает им плотную, жесткую форму) клеточная мембрана есть у всех клеток без исключения! Этот важный момент объясню еще раз 🙂 У клеток животных имеется только клеточная мембрана, а у клеток растений и грибов есть и клеточная стенка, и клеточная мембрана.
Интегральные (пронизывающие) белки образуют каналы, по которым молекулы различных веществ могут поступать в клетку или удаляться из нее. «Заякоренные» молекулы олигосахаридов на поверхности клетки образуют гликокаликс, который выполняет рецепторную функцию, участвует в избирательном транспорте веществ через мембрану.
Вирусы и бактерии не являются исключением: они взаимодействуют только с теми клетками, на которых есть подходящие к ним рецепторы. Так, вирус гриппа поражает преимущественно клетки слизистой верхних дыхательных путей. Однако, если рецепторов нет, то вирус не может проникнуть в клетку, и организм приобретает невосприимчивость к инфекции. Вспомните врожденный иммунитет: именно по причине отсутствия рецепторов человек не восприимчив ко многим болезням животных.
Итак, вернемся к клеточной мембране. Ее можно сравнить со стенами помещения, в котором, вероятно, вы находитесь. Стены дома защищают его от ветра, дождя, снега и прочих факторов внешней среды. Рискну предположить, что в вашем доме есть окна и двери, которые по мере необходимости открываются и закрываются 🙂 Так и клеточная мембрана может сообщать внутреннюю среду клетки с внешней средой: через мембрану вещества поступают в клетку и удаляются из нее.
Внутрь клетки с помощью осмоса поступает вода. Путем простой диффузии в клетку попадают O2, H2O, CO2, мочевина. Облегченная диффузия характерна для транспорта глюкозы, аминокислот.
Активный транспорт чаще происходит против градиента концентрации, в ходе него используются белки-переносчики и энергия АТФ. Ярким примером является натрий-калиевый насос, который накачивает ионы калия внутрь клетки, а ионы натрия выводит наружу. Это происходит против градиента концентрации, поэтому без затрат энергии (АТФ) не обойтись.
Фагоцитоз был открыт И.И. Мечниковым, который создал фагоцитарную теорию иммунитета. Это теория гласит, что в основе иммунной системы нашего организма лежит явление фагоцитоза: попавшие в организм бактерии уничтожаются фагоцитами (T-лимфоцитами), которые переваривают их.
В ходе эндоцитоза мембрана сильно прогибается внутрь клетки, ее края смыкаются, захватывая бактерию, пищевые частицы или жидкость внутрь клетки. Образуется везикула (пузырек), который движется к пищеварительной вакуоли или лизосоме, где происходит внутриклеточное пищеварение.
Клеточная стенка
Цитоплазма
Постоянное движение цитоплазмы поддерживает связь между органоидами клетки и обеспечивает ее целостность.
Прокариоты и эукариоты
Немембранные органоиды
Очень мелкая органелла (около 20 нм), которая была открыта после появления электронного микроскопа. Состоит из двух субъединиц: большой и малой, в состав которых входят белки и рРНК (рибосомальная РНК), синтезируемая в ядрышке.
Это органоиды движения, которые выступают над поверхностью клетки и имеют в основе пучок микротрубочек. Реснички встречаются только в клетках животных, жгутики можно обнаружить у животных, растений и бактерий.
Одномембранные органоиды
ЭПС представляет собой систему мембран, пронизывающих всю клетку и разделяющих ее на отдельные изолированные части (компартменты). Это крайне важно, так как в разных частях клетки идут реакции, которые могут помешать друг другу, что нарушит процессы жизнедеятельности.
Выделяют гладкую ЭПС и шероховатую ЭПС. Обе они выполняют функцию внутриклеточного транспорта веществ, однако между ними имеются различия. На мембранах гладкой ЭПС происходит синтез липидов, обезвреживаются вредные вещества. Шероховатая ЭПС синтезирует белок, так как имеет на мембранах многочисленные рибосомы (потому и называется шероховатой).
Модифицированные вещества упаковываются в пузырьки и могут перемещаться к мембране клетки, соединяясь с ней, они изливают свое содержимое во внешнюю среду. Можно догадаться, что комплекс Гольджи хорошо развит в клетках эндокринных желез, которые в большом количестве синтезируют и выделяют в кровь гормоны.
В комплексе Гольджи появляются первичные лизосомы, которые содержат ферменты в неактивном состоянии.
В ходе апоптоза ферменты лизосомы изливаются внутрь клетки, ее содержимое переваривается. Предполагают, что нарушение апоптоза в раковых клетках ведет к бесконтрольному росту опухоли.
Пероксисомы (микротельца) содержат окислительно-восстановительные ферменты, которые разлагают H2O2 (пероксид водорода) на воду и кислород. Если бы пероксид водорода оставался неразрушенными, это приводило бы к серьезным повреждениям клетки.
Трудно переоценить значение вакуолей в жизнедеятельности растительной клетки. Вакуоли создают осмотическое давление, придают клетке форму.
Примечательно, что по размеру вакуолей можно судить о возрасте клетки: молодые клетки имеют вакуоли небольшого размера, а в старых клетках вакуоли могут настолько увеличиваться, что оттесняют ядро и остальные органоиды на периферию.
Двумембранные органоиды
Оболочка ядра состоит из двух мембран и пронизана большим количеством ядерных пор, через которые происходит сообщение между кариоплазмой и цитоплазмой. Главными функциями ядра является хранение, защита и передача наследственного материала дочерним клеткам.
Замечу, что хромосомы видны только в момент деления клетки. Хромосомы представляют собой сильно спирализованные молекулы ДНК, связанные с белками.
Хромосомы отличаются друг от друга по строению, форме, размерам. Совокупность всех признаков (форма, число, размер) хромосом называется кариотип. Кариотип может быть представлен по-разному: существует кариотип вида, особи, клетки.
В связи с этим, митохондрия считается полуавтономным органоидом. Вероятнее всего, изначально митохондрии были самостоятельными организмами, однако со временем вступили в симбиоз с эукариотами и стали частью клетки.
Так же, как и митохондрии, пластиды относятся к полуавтономным органоидам: в них имеется кольцевидная ДНК (находится в нуклеоиде), рибосомы.
Пластиды, которые содержат пигменты каратиноиды в различных сочетаниях. Сочетание пигментов обуславливает красную, оранжевую или желтую окраску. Находятся в плодах, листьях, лепестках цветков.
Хромопласты могут развиваться из хлоропластов: во время созревания плодов хлоропласты теряют хлорофилл и крахмал, в них активируется биосинтез каротиноидов.
Не содержат пигментов, образуются в запасающих частях растения (клубни, корневища). В лейкопластах накапливается крахмал, липиды (жиры), пептиды (белки). На свету лейкопласты могут превращаться в хлоропласты и запускать процесс фотосинтеза.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Виды и механизм транспорта веществ через мембрану
Человеческий организм состоит из эукариотических клеток, особенностью которых является наличие ядра, цитоплазмы и цитоплазматической мембраны, состоящей из слоя липидных молекул, белков и полисахаридных комплексов. ЦПМ клеток являются непроницаемыми для многих витальных молекул.
Транспорт веществ через ЦПМ представляет собой эволюционно сформированный механизм, необходимый для нормального функционирования целостного организма.
Виды мембранного транспорта
Процесс может осуществляться различными способами, на основе этого выделяют следующие виды мембранного транспорта:
пассивный (без затрат энергии);
активный (с энергетическими затратами на транспортировку различных структур).
Прежде чем переходить к описанию каждого конкретного вида и его особенностью, необходимо обозначить основные функции транспорта веществ в клетке:
доставка питательных веществ к системам синтеза;
доставка субстратов для образования АТФ в митохондрии;
обеспечение клетки субстратами, необходимыми для поддержания ее нормального функционирования.
Пассивный транспорт через мембрану
Пассивный перенос веществ через ЦПМ представляет собой процесс, который протекает без использования энергии. В его основе лежат законы физики и химии, связанные с разностью концентрации низкомолекулярных соединений внутри клетки и в межклеточном матриксе.
Диффузия
Диффузия – это процесс переноса химических соединений через ЦПМ без значимых затрат энергии. В основе диффузии лежит градиент концентрации веществ.
Градиент концентрации – это величина, которая отражает разность между химическими соединениями, находящимися в тканевой жидкости и внутри непосредственно клеточной структуры. Отличным примером, который полностью раскрывает понятие градиента концентрации, является транспорт низкомолекулярных соединений в кишечник из его просвета.
Итак, при поступлении в просвет кишечника большого количества электролитов (низкомолекулярные, ионизированные соединения) происходит их трансмембранный перенос в энтероциты (клетки кишечника). Это связано с тем, что концентрация электролитов в просвете кишечника выше, чем их концентрация в энтероцитах, в результате чего образуется градиент концентрации, по которому данные низкомолекулярные вещества направляются в энтероциты.
Особым видом диффузии является осмос. Осмос – это ток воды из области с более высоким осмотическим давление в область, в которой данный показатель ниже. Осмотическое давление – это сила, с которой низкомолекулярные и не только соединения давят на стенку мембраны клеточных структур. Осмос как частный вид диффузии можно рассматривать, так как при данном виде переноса субстратов вода переносится согласно осмотическому градиенту, то есть соблюдается основное правило диффузии.
Отдельно стоит отметить, что посредством диффузии осуществляется не только перенос электролитов или воды, но и некоторые липофильных веществ (например, через гематоэнцефалический барьер).
Облегченная диффузия
Данная разновидность диффузии базируется на тех же принципах, что и обычная диффузия. Разница между этими двумя, на первый взгляд схожими понятиями, заключается в том, что транспортировка химических соединений посредством облегченной диффузии происходит благодаря участию белков-переносчиков. Данная функция белковых молекул реализуется за счет смены последними своей нативной конформации в результате лиганд-рецепторных взаимодействий с низкомолекулярными веществами.
Активный транспорт
Активный транспорт веществ через мембрану – это вид трансмембранного переноса веществ и молекул, в основе которого лежит затрата энергии, образуемой в результате гидролиза макроэргических молекул аденозинтрифосфата.
Активный транспорт можно подразделить на первично-активный и вторично-активный. Также частным видом данного способа переноса различных соединений через цитоплазматическую мембрану является везикулярный транспорт (экзо- и эндоцитоз, а также трансцитоз).
Первично-активный
Первично-активный транспорт реализуется с затратами энергии, использованием специальных белковых молекул (переносчиков), а также обладает невысокой скоростью переноса молекул сквозь мембранную структуру. В основе данного вида переноса лежит гидролиз молекулы АТФ, в результате которого образуется свободная энергия, которая тратится на перенос той или иной молекулы через ЦПМ. Посредством работы механизмом первично-активного способа перемещения веществ через плазматическую мембрану в клетки поступают некоторые виды аминокислот и ионов.
Вторично-активный
Вторично-активный транспорт в целом схож с другими видами активного транспорта, однако имеет уникальную особенность – белок (транспортер) содержит в себе два центра связывания, то есть он связывается не только с субстратом, который необходимо перенести сквозь мембранную структуру, но и также с другими каким-либо дополнительным агентом. В качестве подобного дополнительного агента чаще всего выступает положительно заряженный ион натрия, отсюда возникло название Na-зависимый перенос. Так, в клетках кишечника осуществляется транспорт питательных веществ: глюкозы и некоторых аминокислот вслед за переносом через ЦПМ положительного заряженного иона натрия. Таким образом, во время протекания механизмов вторично-активного транспорта создается градиент энергии, способствующей транспортировке другой молекулы через ЦПМ клетки. Стоит отметить, что данный вид переноса молекул сквозь мембранную структур может быть следующих видов:
Экзоцитоз и эндоцитоз
Везикулярный способ переноса молекул сквозь мембрану характеризуется переносом веществ в клетку или в межклеточный матрикс посредством образования вокруг них специальных структур, называемых везикулами (пузырьками). Везикулярный способ переноса молекул сквозь мембранную структуру может быть двух видов:
Экзоцитоз – это способ удаления веществ и молекул из клетки посредством, окружения последних везикулами. Экзоцитоз происходит с затратой энергии на образование пузырька и сокращение белков мембраны, которое необходимо для образования выпячивания последней для отшнуровывания везикулы в межклеточное пространство.
Эндоцитоз – это транспорт питательных веществ во внутрь клетки посредством инвагинации (выпячивания) мембраны. Данный способ переноса молекул через мембранную структуру также протекает с затратой энергии.
Отдельно стоит выделить трансцитоз – это способ перемещения молекулы через клетку в везикуле. Трансцитоз является основным видом транспорта веществ внутри клетки.
Транспорт через несколько слоев клеток
Перенос какого-либо субстрата или лиганда через многослойные структуры лежит в основе формирования врожденного иммунитета и выработки селективного иммуноглобулина А. В поверхностном слое эпителия кишечника содержатся специальные эпителиодобные клетки (М-клетки), которые осуществляют захват веществ из просвета кишечника и посредством трансцитоза направляют его к макрофагам подслизистой оболочки кишечника (скопление макрофагов в подслизистой оболочки в области тонкого кишечника называется пейеровой бляшкой).
Макрофаги, входящие в состав пейеровых бляшек, поглощают транспортируемую посредством трансцитоза молекулу, а затем передают информацию на более специализированные клетки иммунной системы, что в итоге приводит выработке селективного иммуноглобулина А и формирования врожденного гуморального иммунитета. Таким образом, транспортировка веществ сразу через несколько слоев клеток в кишечнике позволяет человеку эффективней справляться впоследствии с воздействием факторов внешней среды.
Перенос молекул или веществ сквозь мембрану – это жизненно-важный, эволюционно сформированный процесс, который необходим для реалиизации гомеостатической регуляции как на клеточном, так и на других уровнях организации организма человека. Посредством мембранного транспорта клеточные структуры получают необходимые пластические и энергетические субстраты для размножения, роста, развития, что впоследствии реализуется в виде роста, развития, регенерации целостного человеческого организма.
Характеристика транспортных процессов в клеточной мембране
» data-shape=»round» data-use-links data-color-scheme=»normal» data-direction=»horizontal» data-services=»messenger,vkontakte,facebook,odnoklassniki,telegram,twitter,viber,whatsapp,moimir,lj,blogger»>
ХАРАКТЕРИСТИКА ТРАНСПОРТНЫХ ПРОЦЕССОВ В МЕМБРАНЕ КЛЕТКИ
Одна из наиболее существенных функций биологических мембран – обеспечение избирательной проницаемости для веществ, транспортируемых в процессе жизнедеятельности как из клетки в среду, так и из среды во внутреннее пространство клетки. Отдельные части живой системы, разделенные мембраной, будь то разные клетки или отдельные компартменты внутриклеточной среды, функционируют как открытые системы. С помощью транспортных систем осуществляется регуляция объема клеток, величины рН и ионного состава цитоплазмы.
Среди многообразных явлений, протекающих в клетке, важное место занимают активный и пассивный транспорт веществ, осмос, фильтрация и биоэлектрогенез. Благодаря транспортным системам клетки накапливают метаболиты, важные для обеспечения энергетического цикла и метаболических процессов, выводят в окружающую среду токсические вещества, а также создают разность потенциалов на мембране. В настоящее время, очевидно, что все эти явления, так или иначе определяются барьерными свойствами клеточных мембран.
В зависимости от потребностей клетки транспорт веществ осуществляется или по или против концентрационного градиента. Способ проникновения через мембрану в значительной степени определяется свойствами вещества. Низкомолекулярные нейтральные вещества, такие, как газы, вода, аммиак, глицерин и мочевина, свободно диффундируют через биомембраны. Однако с увеличением размера молекулы теряют эту способность. К примеру, клеточные мембраны непроницаемы для глюкозы и других сахаров. Проницаемость биомембран зависит также от полярности веществ. Неполярные вещества, такие, как бензол, этанол, диэтиловый эфир и многие наркотики, способны проникать в клетку в результате диффузии. Напротив, для гидрофильных, особенно заряженных веществ, мембрана непроницаема. Однако во многих случаях именно такие вещества необходимы для функционирования клетки, поэтому в живых системах эволюционно сформировались специализированные транспортные системы для переноса таких веществ через мембрану.
Выделяют 5 разновидностей мембранного транспорта:
Перенос веществ через биологические мембраны осуществляется с помощью различных механизмов и протекает в основном без нарушения структурной целостности мембран. Если транспорт сопровождается уменьшением свободной энергии, он протекает самопроизвольно и называется пассивным.
Пассивный транспорт (пассивная или облегченная диффузия) происходит по направлению градиентов химического электрохимического) потенциала, результатом чего является уменьшение градиентов концентраций, если нет других процессов, которые обеспечивают их поддержание на постоянном уровне. Кроме указанных видов транспорта в мембране имеют место также процессы, не связанные со специфическими структурами. К таковым относится еще один вид транспорта.
Неспецифическая диффузия является процессом, не связанным со специфическими структурами – она осуществляется благодаря физико-химическим свойствам липидного бислоя. Объяснение механизма неспецифической диффузии через биологические мембраны малых молекул, таких как диметилформамид, вода или гидрофобные молекулы метанола, основано на представлении о динамических свойствах бислоя. Полагают, что малые молекулы могут достаточно быстро проникать через бислой вместе с кинками, возникающими в области дефектных зон в структуре бислоя. Такие короткоживущие мигрирующие образования нельзя считать порами, поскольку они не требуют специальных белковых образований. Неспецифическая диффузия осуществляется без участия специальных механизмов: вещества проникают через мембрану благодаря наличию кинков (от англ. kink – петля) или в области мембранных дефектов. Вследствие теплового движения хвостов молекул фосфолипидов кинки могут перемещаться поперек мембраны и переносить попавшие в них мелкие молекулы, в первую очередь, молекулы воды.
Облегченная диффузия требует для своего протекания наличия белков – порообразователей или переносчиков. Такими переносчиками служат антибиотики-каналоформеры (они различаются по специфичности: валиномицин высокоспецифичен для калия, иономицин – для кальция, грамицидин относительно мало специфичен для натрия) или белки порины, образующие поры для воды в наружной клеточной мембране (аквапорины) или в мембранах митохондрий (через них могут проникать даже низкомолекулярные белки).
Активный транспорт – процесс переноса веществ или ионов против их концентрационных градиентов, который так или иначе обеспечивается энергией метаболических процессов. Активный транспорт бывает первично-активным и вторично-активным. В случае ионного транспорта, обеспечиваемого транспортными АТФазами (их называют также ионными насосами), энергодающей стадией является гидролиз АТФ. Такой процесс называется первично-активным транспортом. Если же энергия обусловлена градиентом ионов, созданным независимо, например, в процессе первично-активного транспорта, этот процесс называется вторично-активным транспортом. Специальные мембранные структуры обеспечивают пассивный и активный транспорт, в число которых входят каналы, переносчики и ферменты, осуществляющие перемещение ионов (веществ) против их концентрационного градиента.
Кроме этих основных видов транспорта имеются специальные виды переноса веществ через мембрану, выделяемые в особую группу: они сопряжены с изменением структурной целостности мембран. Сюда относятся процессы высвобождения медиаторов при возбуждении синапсов (происходит слияние синаптических пузырьков с мембраной и высвобождение их содержимого в синаптическую щель), перенос генетического материала через ядерную мембрану, процессы пиноцитоза и экзоцитоза, а также деятельность пермеаз бактерий, обеспечивающих перемещение через клеточную стенку олигопептидов.
Перенос белков от одних органелл к другим происходит с помощью везикул. Везикулы отпочковываются от мембран одной органеллы, а затем исчезают, сливаясь с мембраной другой органеллы. Белки при этом находятся в полости пузырька или в составе мембран подобно интегральным белкам. Перенос через биомембраны белков со значительной молекулярной массой осуществляется специальными транспортными системами. Из цитоплазмы в ядро белки попадают через крупный (125000 кДа) заполненный водой пориновый комплекс. Транспорт белков через него энергозависим и поэтому может регулироваться. Ядерные белки несут одну или несколько сигнальных последовательностей, с помощью которых они связываются с пориновым комплексом и импортируются с сохранением третичной структуры. Импорт белков из цитоплазмы в органеллы осуществляется белками-переносчиками, которые представляют собой белковые комплексы, переносящие линейные полипептиды через биомембраны также энергозависимым образом. Специфичность процесса обеспечивается за счет связывания сигнальной последовательности с ближайшим рецептором. Процессы развертывания и вторичной укладки белков контролируются белками шаперонами.
Пассивный и активный виды транспорта ионов обеспечиваются специальными структурами. В их числе каналы, переносчики и ферменты, осуществляющие перемещение специфических ионов против их концентрационного градиента за счет энергии АТФ. Зачастую одни и те же механизмы могут использоваться и для пассивного, и для активного переноса, только в последнем случае они соединены с «биологическим трансформатором» энергии (АТФазой), обеспечивающим процесс активного транспорта энергией (рис. 40). Как пассивный, так и активный транспорт, в общем виде, подчиняется кинетике насыщения, что свидетельствует о наличии конечного числа участков переноса.
Движущими силами пассивного транспорта веществ через биологическую мембрану могут служить следующие градиенты: – концентрационный – для нейтральных молекул, – электрохимический – для ионов, – градиент гидростатического давления и осмотический градиент – для воды.
Трансмембранный градиент концентраций молекул различных веществ периодически возникает (или постоянно существует) на клеточной мембране в процессе жизнедеятельности. При определенных условиях через мембрану клетки осуществляется перемещение этих соединений в направлении их концентрационного градиента.
Следующие отличия характерны для облегченной диффузии:
Каналы, сформированные из матричных белков, значительно облегчают процесс переноса, но в отличие от белков-переносчиков, пронизывая мембрану насквозь, являются неподвижными.
Рис. 41. Зависимость скорости транспорта от концентрации транспортируемых молекул при канальном (I) и переносчиковом (II) механизме А – схема, Б – кинетическая зависимость.
Канальный и переносчиковый типы транспорта легко различить по концентрационной зависимости скорости транспортного процесса: канальный тип имеет линейную зависимость, а переносчиковый тип характеризуется кинетикой насыщения (рис. 42).
Ионные каналы играют очень важную роль в функционировании клеток. В частности, они обеспечивают передачу нервного импульса и мышечное сокращение. При исследовании бактерий Streptomyces lividans в 1998 г. Р. Маккиннон (лауреат Нобелевской премии по химии за 2003 год) показал, что калиевый канал состоит из белков, образующих тело канала, и «ионного фильтра», который в каждый момент времени занят двумя ионами калия. Размеры фильтра точно соответствуют размерам ионов калия, вследствие этого происходит их достаточно прочное связывание. Ионы проходят через канал по эстафетному механизму, когда связывание третьего иона в фильтре приводит к высвобождению первого иона с противоположной стороны канала.
Описанный механизм позволяет совместить высокую скорость с высокой избирательностью работы канала. Выявлены структурные особенности регуляции ионных каналов, которые обеспечивают их открывание и закрывание. За это свойство отвечает расположенная на противоположной стороне от ионного фильтра часть молекулы белка, которая имеет возможность осуществлять механические движения в ответ на приложение трансмембранной разности электрических потенциалов или связывание лиганда. Долгое время считалось, что для диффузии воды через клеточные мембраны достаточно ее естественной проницаемости через липидную часть мембран за счет движения кинков. В 1988 г. в лаборатории П. Агре (лауреата Нобелевской премии по химии за 2003 год) были описаны аквапорины – новый класс белков, которые высокоэффективно пропускают молекулы воды, будучи абсолютно непроницаемы ни для каких ионов, включая протоны.
В отличие от ионных каналов, аквапорины осуществляют избирательное пропускание воды через мембраны клеток. Аквапорины имеют молекулярную массу
30 кДа и находятся в мембране в виде тетрамеров (рис. 43). Они встречаются в клетках всех живых организмов и играют особенно важную роль в физиологии почек (у человека через них проходит до 170 л воды в сутки). Нарушения работы аквапоринов (например, в случае генетических дефектов этих белков) приводят к тяжелым патологиям.
Примером канального механизма переноса являются натриевые каналы возбудимых мембран. Иллюстрацией транспорта переносчикового типа является АТФ/АДФ-транслоказа, обеспечивающая перенос нуклеотидов через митохондриальую мембрану. Другой пример мембранных транспортеров представляют ионофоры – гидрофобные вещества, образующие с катионами жирорастворимые комплексы, способные встраиваться в мембрану. Эти молекулы могут функционировать по принципу как подвижных переносчиков, так и каналоформеров. Принцип действия ионофоров заключается в том, что они экранируют заряд транспортируемого иона, что позволяет ему пересекать по концентрационному градиенту гидрофобную область липидного бислоя биологической мембраны.
Примером ионофора, работающего как подвижный переносчик, может служить уже упоминавшийся депсипептид (пептид, который наряду с амидными участками содержит также и сложноэфирные связи) – валиномицин, продуцируемый одним из штаммов Streptomyces. Он способен образовывать комплексы с калием на 3 порядка более активно, чем с натрием. Это позволяет использовать валиномицин как специфический калиевый ионофор. В липидной фазе молекула валиномицина имеет форму манжетки, устланной изнутри полярными группами, а снаружи – неполярными гидрофобными остатками молекул валина (рис. 44). Образуя комплекс с ионами калия, попадающими внутрь молекулы-манжетки, валиномицин приобретает лучшую растворимость в липидной фазе мембраны. Ионы калия удерживаются внутри молекулы за счет межзарядных взаимодействий. Молекулы валиномицина, оказавшиеся у поверхности мембраны, могут захватывать из окружающей среды ионы калия и переносить его через мембрану, возвращаясь обратно с каким-нибудь противоионом (например, протоном). Таким образом, происходит челночный перенос ионов калия через мембрану.
Рис. 44. Валиномицин ([L-лактатL-валин-D-оксиизовалериановая кислота-D-валин]3) – циклический депсипептидпереносчик иона калия/ Ион калия фиксируется в центре за счет межзарядных взаимодействий с участием карбонильных групп пептида (кружки).
Примером челночного переносчика является ионофор А23186, транспортирующий двухвалентные катионы Са 2+ по принципу ионного обмена: на каждый двухвалентный катион, переносимый в клетку, он «выносит» из клетки 2 Н+. В конечном итоге работа этого переносчика не приводит к деполяризации мембраны. Другими словами, ионофор А23187 осуществляет электронейтральный антипорт. Этот ионофор часто используется в экспериментах для повышения концентрации свободного кальция в цитозоле.
К образованию каналов в мембране способны антибиотики трех групп: грамицидины, аламетицин и полиеновые антибиотики. Общим для них является то, что их молекулы амфифильны, благодаря чему они способны встраиваться в мембрану и образовывать поры, пронизывая мембрану (в виде одной молекулы или димера). Заряженные или полярные группы размещены в таких молекулах на одном конце молекулы. Таким образом, благодаря внутри- и межмолекулярным связям полярных групп они способны погружаться в мембрану, образуя в ней каналы. Известны и другие ионофоры, способные переносить как одно-, так и двухвалентные ионы: – нактины, энниатины, макроциклические полиэфиры (крауны), жирорастворимые слабые кислоты (протонофоры) и др.
Ионные каналы делятся на:
Потенциал-зависимые каналы устроены таким образом, что интегральный белок канальной структуры образует пору в мембране. В канале выделяют внутреннее и наружное устья и пору, которая с помощью воротного механизма может открываться и закрываться. Гидрофильные аминокислоты выстилают стенки поры, а гидрофобные – контактируют с липидной фазой мембраны. В канале имеются селективный фильтр, обеспечивающий специфичность канала, и сенсор градиента электрического потенциала на мембране. Открывание и закрывание воротного механизма каналов является результатом конформационных изменений в белке. При открывании ионного канала регистрируется резкое возрастание электрического тока через мембрану.
Проницаемость каналов составляет от 10 6 до 10 8 ионов в секунду, что на три порядка выше, чем транспорт ионов, осуществляемый ионными насосами или переносчиками, и на 11 порядков выше, чем простая диффузия ионов через мембрану. Отличительной особенностью ионных каналов является то, что в открытом состоянии они обеспечивают относительно постоянный поток ионов в одном направлении при конкретном значении мембранного потенциала и в определенной ионной среде. Односторонняя проницаемость – еще одна особенность транспорта ионов через каналы. В процессе транспорта через канал происходит взаимодействие иона с белком, поэтому передвижение ионов по каналам отличается от их транспорта через водные поры, в которых эти взаимодействия сведены до минимума.
В противоположность вышеописанным процессам активный транспорт осуществляется против градиента концентрации или заряда, поэтому он требует притока дополнительной энергии, которая обычно обеспечивается за счет гидролиза АТФ (иногда – за счет мембранного потенциала). Первично-активный транспорт ионов в большинстве случаев осуществляется транспортными АТФазами (ионными насосами), источником энергии для которых является гидролиз АТФ или пирофосфата. В мембранах хлоропластов и митохондрий при работе систем первично-активного ионного транспорта источником энергии является трансмембранный потенциал, создаваемый работой окислительно-восстановительных цепей. Некоторые транспортные процессы осуществляются за счет гидролиза других макроэргических соединений, как, например, фосфоенолпирувата, или же за счет энергии света.
Первично-активный транспорт отличается от пассивного тем, что одна из его стадий является энергозависимой. Первично-активный транспорт ионов мембранными ферментами часто демонстрирует отклонения от кинетики Михаэлиса – Ментен, которые могут быть обусловлены свойствами самой системы переноса. Типичный пример первично-активного транспорта – активный транспорт ионов. Он осуществляется специальными ионными насосами, которые представляют собой интегральные белки клеточных мембран. Функция ионных насосов заключается в переносе ионов через мембрану против электрохимического градиента за счет энергии гидролиза АТФ. В соответствии с этим ионные насосы обладают аденозинтрифосфат-фосфогидролазной активностью. Последняя специфически контролируется переносимыми насосом ионами и требует для своей работы ионов магния. Таким образом, ион-транспортирующие системы являются Mg-АТФазами, приобретшими способность дополнительной регуляции переносимыми ионами как кофакторами. В процессе их функционирования энергия химической связи АТФ превращается в энергию электрохимического градиента переносимых этими системами ионов. По этой причине понятно, почему синонимом термина «ионные насосы» стал термин «транспортные АТФазы». Транспортные АТФазы классифицируют по переносимым ими (и активирующим их работу) ионам. Четыре типа АТФаз имеют отношение к транспорту ионов – протонная (К,Н-зависимая)-АТФаза, анионная (НСО 3-)-АТФаза, Са-АТФаза и Na/K-АТФаза.
Активный транспорт ионов может быть электронейтральным или электрогенным. Транспортная система электронейтральна, если при ее функционировании происходит обмен внутриклеточных ионов на внеклеточные в эквивалентных (по заряду) количествах. Если транспорт веществ через мембрану не сопровождается накоплением заряда, то такой транспорт называют электронейтральным.
Транспорт может быть электронейтральным при соблюдении следующих условий:
В том случае, когда количество зарядов, переносимых за единицу времени в одном направлении, не компенсируется суммой зарядов, переносимых в противоположном направлении, транспортный механизм генерирует дополнительную разность потенциалов на мембране и называется электрогенным. Во время работы электрогенного насоса, например, Na/K-АТФазы, из клетки выносится 3 положительных заряда (3 иона Nа + ), а входят в клетку 2 положительных заряда (2 иона К + ), в результате чего в клетке происходит накопление положительных электрических зарядов, и на мембране возникает разность потенциалов. При работе электронейтрального насоса система активного транспорта является лишь средством поддержания концентрационных градиентов ионов и непосредственно не участвует в создании мембранного потенциала клетки. Существует классификация способов, которые обеспечивают транспорт веществ через клеточную мембрану (рис. 46).
Транспорт может идти по механизму унипорта (облегченной диффузии), согласно которому только одно вещество переносится через биомембрану в одном направлении с помощью канальных или транспортных белков (например, транспорт глюкозы в клетках печени). Примерами унипорта также являются транспорт ионов кальция через внутреннюю мембрану митохондрий. Транспортный процесс, который требует сопряженного переноса двух или более ионов (веществ) в одном направлении, называют симпортом, как, например, активный транспорт аминокислот или глюкозы вместе с ионами натрия в эпителиальных клетках кишечника протекает по механизму симпорта.
Таким образом, при симпорте и антипорте белки функционируют в режиме, при котором перенос одного растворенного вещества зависит от одновременного или последовательного переноса другого вещества. Указанные термины – антипорт и симпорт (котранспорт) – связывают не только с явлениями пассивного транспорта, осуществляющегося с помощью переносчика (например, симпорт анионов, осуществляющийся методом электрофореза), но и в случае, когда процесс сопряжен с энергозависимыми реакциями.
К вторично-активному транспорту относятся и процессы переноса, сопряженные с ферментативной модификацией переносимых соединений. Например, фосфотрансферазная система бактерий, отсутствующая у эукариот, фосфорилирует сахара в процессе их проникновения через мембрану, вовлекая их тем самым в клеточный метаболизм. У грам-отрицательных бактерий так переносятся D-глюкоза, D-фруктоза и D-глюкозамин. У грам- положительных бактерий набор переносимых веществ шире: сюда относятся также пентозы, сахароза, трегалоза, лактоза, глицерин. При этом лактоза и фруктоза фосфорилируются по С 1, остальные вещества – по концевому углероду.