6

Строение клеточных мембран. Перенос веществ

Содержание.

  1. Введение
  2. Строение клеточной мембраны
  • Фосфолипидный слой
  • Мембранные белки
  • Молекулярная организация мембран
  • Углеводы

3. Трансмембранный транспорт веществ

3.1. Перенос малых молекул через мембрану

  • 3.1.1. Пассивный транспорт
  • 3.1.2. Облегченная диффузия
  • 3.1.3. Активный транспорт
    • А. Активные насосы
    • Б. Транспорт за счет концентрационного градиента
    • В. Симпорт и антипорт
    • Г. Транспорт путем векторного переноса групп
    • Д. Сквозной транспорт через клетки кишечника
    • Е. Действие гормонов на транспорт веществ через мембрану

3.2. Перенос через мембрану макромолекул и частиц

4. Заключение.

1. Введение.

Тот факт, что плазматическая мембрана, окружающая клетки, представляет собой вполне определенную структуру, был осознан в середине XIX столетия. На исходе этого столетия Овертон обратил внимание на корреляцию между скоростью, с которой небольшие молекулы проникают в растительные клетки, и их коэффициентом распределения между маслом и водой; это привело его к мысли о липидной природе мембран. В 1925 г. Гортер и Грендел предположили, что липиды в мембране эритроцитов образуют биомолекулярный слой (липидный бислой).

Концепция бимолекулярной липидной мембраны получила дальнейшее развитие в предложенной в 1935 г. модели Дэвсона – Даниелли, или модели “сэндвича”, в которой предполагалось, что белки покрывают поверхность липидного бислоя. Это была необыкновенно удачная модель, и в течение последующих 30 лет многочисленные экспериментальные данные, особенно полученные с помощью дифракции рентгеновских лучей и электронной микроскопии, полностью подтвердили ее адекватность. Однако тогда же обнаружилось, что мембраны выполняют огромное множество функций, и чтобы объяснить этот феномен, исходная модель Дэвсона – Даниелли неоднократно подвергалась модификациям.

Если вас интересуют курсы различных направлений, например, веб-разработка, дизайн, JavaScript, Python, SEO, курсы по продажам, косметологии, английскому языку, кройке и шитью и много другое вы найдете на сайте https://eduzorro.com

Быстрый прогресс в мембранологии, в результате которого сформировались современные представления, был достигнут в значительной мере благодаря успехам в изучении свойств мембранных белков. Электронно-микроскопические исследования с применением метода замораживания – скалывания показали, что в мембраны встроены глобулярные частицы. Тем временем биохимикам с помощью детергентов удалось диссоциировать мембраны до состояния функционально активных “частиц”. Данные спектральных исследований указывали, что для мембранных белков характерно высокое содержание a -спиралей и что они, вероятно, образуют глобулы, а не распределены в виде монослоя на поверхности липидного бислоя. Неполярные свойства мембранных белков наводили на мысль о наличии гидрофобных контактов между белками и внутренней неполярной областью липидного бислоя. Тогда же были разработаны методы, позволившие выявить текучесть липидного бислоя. Сингер и Николсон свели воедино все эти идеи, создав жидкостно-мозаичную модель. В рамках этой модели мембрана представляется как текучий фосфолипидный бислой, в который погружены свободно диффундирующие белки. В то же время, начиная с 1970 г. большое внимание стало уделяться изучению динамических свойств и их взаимосвязи с мембранными функциями. В последние годы жидкостно-мозаичная модель тоже подверглась модификации, и этот процесс будет продолжаться. В частности, теперь стало ясно, что не все мембранные белки свободно диффундируют в жидком липидном бислое. Имеются данные о существовании латеральных доменов в самой мембране. Тщательно изучается также роль цитоскелета. Становится все очевиднее, что некоторые участки мембран, по-видимому, отличаются по своей структуре от классического липидного бислоя. Тем не менее, в обозримом будущем жидкостно-мозаичная модель в ее разных модификациях будет служить в качестве концептуальной основы для многих мембранных исследований.

2. Строение биологической мембраны

Важнейшее условие существования клетки, и, следовательно, жизни – нормальное функционирование биологических мембран. Мембраны – неотъемлемый компонент всех клеток.

Биологические мембраны (от лат. membrana-кожица, перепонка), сложные высокоорганизованные надмолекулярные структуры, ограничивающие клетки) и внутриклеточные органоиды – митохондрии, хлоропласты, лизосомы и др. Представляют собой пленки толщиной 5-10 нм, состоящие из белков и липидов. Отношение липиды: белки (по массе) колеблется от 4:1 (мембрана миелина) до 1:3 (внутренняя мембрана митохондрий). Биологические мембраны содержат также углеводы (до 10% от сухого вещества по массе), которые, как правило, входят в состав гликопротеинов и гликолипидов. В некоторых специализированных биологических мембранах в заметных количествах могут присутствовать также хиноны (например, убихиноны), ретиноиды (ретинол, ретиналь и др.), токоферолы, долихолы (содержат 16-20 пренильных остатков, из которых концевой, несущий группу ОН, полностью насыщен) и порфирины. Около 20% всей массы мембраны составляет прочно связанная вода. С мембранами связываются также катионы, преимущественно Са2+ и Mg2+, входящие в хелатные комплексы.

Основные функции клеточной мембраны:

  • мембраны определяют форму органеллы или клетки;
  • энергетическая: синтез АТФ на внутренних мембранах митохондрий и фотосинтез в мембранах хлоропластов;
  • являются структурой, обеспечивающей распознавание химических сигналов (на мембране расположены рецепторы гормонов и нейромедиаторов);
  • играют роль в межклеточном взаимодействии и способствуют передвижению клеток.
  • Транспорт через мембрану веществ.
  • Мембрана обладает избирательной проницаемостью для растворимых веществ, что необходимо для:

– отделения клетки от внеклеточной среды;

– обеспечения проникновения в клетку и удержания в ней необходимых молекул, а также удаления из клетки продуктов метаболизма;

– поддержания трансмембранного градиента ионов и контроля обмена растворимых веществ (например, ионов Na+ , K+ , Cl) между внутренним и наружным пространством.

  • Преобразования световой энергии в химическую энергию аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), (мембраны хлоропластов).

2.1 Фосфолипидный слой.

Структурной единицей мембраны является фосфолипидный бислой.

Рис. 1. Строение биологической мембраны.

Липидные бислои образуются амфифильными молекулами фосфолипидов и сфингомиелина в водной фазе. Амфифильными эти молекулы называют потому, что они состоят из двух частей, различных по своей растворимости в воде: полярной “головки”, обладающей высоким сродством к воде, т. е. гидрофильной, и “хвоста”, образуемого неполярными углеводородными цепями жирных кислот; эта часть молекулы обладает низким сродством к воде, т. е. гидрофобна.

В состав липидов мембран входят в основном фосфолипиды, сфингомиелины и холестерин. Например, в мембранах эритроцитов человека их содержание, составляет, соответственно 36, 30 и 22 % по весу; еще 12% приходится на гликолипиды. Примером амфифильной молекулы может служить молекула фосфатидилэтаноламина. Как и другие фосфолипиды, фосфатидилэтаноламин, в химическом отношении представляет собой сложные эфиры трехатомного спирта глицерина с двумя жирными кислотами; к третьей гидроксильной группе присоединен ортофосфат, а к нему – небольшая органическая молекула, характерная для каждого вида фосфолипидов.

Рис. 2. Схематическое строение молекулы фосфолипида.

Рис. 3. Структурная формула фосфолипидов, где Х обозначает следующие заместители: холин (фосфатидилхолин), этаноламин (фосфатидилэтаноламин), инозитол (фосфатидилинозитол), серин (фосфатидилсерин), водород (фосфатидная кислота).

Важнейшие свойства бислоя:

– способность к самосборке

– текучесть

– ассиметричность.

Данные рентгеноструктурного анализа и другие показывают, что молекулы фосфолипидов имеют форму сплюснутого с боков цилиндра, а по длине как бы делятся на две неравные части: небольшую “голову”, состоящую из полярных групп, и длинный “хвост”, образованный углеводородными цепями жирных кислот, входящих в состав фосфолипида (см. Рис. 2 – 3).

Такое строение молекулы приводит к тому, что в водных растворах фосфолипидные молекулы самособираются в бислойную мембрану. В мембране “жирные хвосты” упрятаны внутрь, а снаружи в контакте с водным окружением оказываются полярные “головы” этих молекул.

В клетках млекопитающих плазматической мембраны обогащены холестерином и гликосфинголипидами, тогда как мембраны органоидов содержат эти липиды в малых количествах. Наиболее распространенные липиды, имеющие цвиттерионную структуру, в большинстве мембран клеток млекопитающих – фосфатидилхолин и сфингомиелин (в митохондриальных мембранах – фосфатидилэтаноламин). Дифосфатидилглицерин в значительных количествах присутствует только в мембранах митохондрий (в основном в их внутренней мембране). В плазматических мембранах содержание фосфатидилсерина обычно больше, чем фосфатидилинозита (фосфоинозитида), для внутриклеточных мембран характерно обратное соотношение. В мембранах миелина широко представлены цереброзиды. Другие плазматические мембраны содержат, как правило, более сложные гликолипиды, такие, как ганглиозиды. Фосфатидилэтаноламин в мембранах миелина и тромбоцитов находится преимущественно в плазмалогеновой форме.

Мембраны клеток высших растений и дрожжей по липидному составу во многом сходны с соответствующими мембранами клеток млекопитающих. Однако в них совсем нет сфингомиелина, а фосфатидилсерин присутствует лишь в небольших количествах. Главные стерины мембран растительных клеток – ситостерин и стигмастерин, мембран грибов и дрожжей – эргостерин и зимостерин. Мембраны хлоропластов фотосинтезирующих растений и синезеленых водорослей близки по своему липидному составу и содержат моно – и дигалактозилдиацилглицерины, 6-сульфохиновозилдиа-цилглицерин и фосфатидилглицерин.

Мембраны бактерий, как правило, имеют более простой липидный состав, чем мембраны растительных и животных клеток. Мембраны всех бактерий, за исключением микоплазм, не содержат стеринов. Фосфолипиды мембран грамположительных бактерий представлены главным образом фосфатидилглицерином и его аминоациальными производными, а также дифосфатидилглицерином. В небольшом количестве в этих мембранах нередко встречается фосфатидилинозит. У грамотрицательных микроорганизмов в составе мембранных фосфолипидов преобладает фосфатидилэтаноламин. Фосфатидилхолин в бактериальных мембранах либо совсем не содержится, либо присутствует в малых количествах. Содержание фосфатидилсерина в этих мембранах обычно также незначительно. Широко представлены в бактериальных мембранах различные гликозил-диацилглицерины.

Основные компоненты мембран оболочечных вирусов (вирус гриппа, лейковирусы, вирус стоматита), как и плазматических мембран клеток животных, – фосфатидилхолин, сфингомиелин, фосфатидилэтаноламин и холестерин.

Липидный состав клеточных мембран изменчив. В меньшей степени это проявляется в животных клетках, находящихся в условиях стабильной внутренней среды. Однако и в этом случае можно модифицировать состав липидов в некоторых мембранах, меняя пищевой рацион. Липидный состав мембран растений заметно изменяется в зависимости от освещенности, температуры и рН. Еще более изменчив состав бактериальных мембран. Он варьирует не только в зависимости от штамма, но и в пределах одного и того же штамма, а также от условий культивирования и фазы роста. У вирусов, имеющих липопротеиновую оболочку, липидный состав мембран также не постоянен и определяется составом липидов клетки-хозяина.

Липиды – основной строительный материал, из которого формируются клеточные мембраны. Сложность, многообразие и изменчивость липидного состава мембран позволяет предположить, что они участвуют также в регуляции важнейших мембранных процессов.

    1. Мембранные белки.

Хотя основные свойства биологических мембран определяются свойствами липидного бислоя, но большинство специфических функций обеспечивается мембранными белками. Молекулярная масса мембранных белков обычно варьирует в пределах от 10 тыс. до 240 тыс. Они значительно различаются между собой по прочности связывания с мембраной. Большинство из них пронизывают бислой в виде одиночной альфа-спирали. Некоторые белки связываются с мембраной, не пересекая бислой, а прикрепляясь к той или иной ее стороне. Их называют периферическими мембранными белками. Многие из периферических белков связаны нековалентными взаимодействиями с трансмембранными белками, но есть и такие, которые имеют ковалентную связь с молекулами липидов.

Периферические белки по своим свойствам мало отличаются от обычных водорастворимых белков. Характерная особенность интегральных белков – плохая растворимость в воде и склонность к образованию ассоциатов. Их удается перевести в раствор при добавлении ПАВ, иногда с помощью органических растворителей (например, 2-хлорэтанола, бутанола, ДМФА).

Особенность интегральных белков – наличие в их полипептидной цепи довольно протяженных участков с преобладающим содержанием неполярных аминокислот. Как правило, эти участки имеют конформацию альфа-спирали, на наружной стороне которой расположены боковые углеводородные фрагменты аминокислотных остатков, в результате чего вся спираль, в целом, приобретает гидрофобный характер. Доля a-спиральных участков в мембранных белках довольно велика (составляет 30-50%), остальная часть полипептидной цепи находится преимущественно в форме неупорядоченного клубка. Участков с b-структурой, как правило, мало.

Гидрофобные a-спиральные участки интегральных белков обычно содержат от 17 до 26 аминокислотных остатков, что вполне достаточно, чтобы полипептидная цепь однократно пересекла мембрану. В белках, которые пронизывают мембрану насквозь, такие гидрофобные тяжи соединяют между собой полярные области белковой молекулы, находящиеся на противоположных сторонах мембраны. У белков, расположенных только на одной стороне мембраны и погруженных в нее лишь частично, a-спирали служат своеобразным гидрофобным “якорем”, прочно удерживающим белок в мембране. В некоторых случаях “заякоривание” белков в мембране происходит при помощи ковалентно связанных с ними липидов.

Типичные примеры белков, которые удерживаются в мембране благодаря гидрофобному a-спиральному участку полипептидной цепи, -цитохром b5-редуктаза и цитохром b5. К белкам, полипептидная цепь которых однократно пересекает мембрану, относятся, антигены тканевой совместимости и мембраносвязанные иммуноглобулины, к белкам, пересекающим мембрану более одного раза,- бактериородопсин. Нередко мембранные белки представляют собой сложные комплексы, состоящие из нескольких субъединиц (например, цитохром с-оксидаза состоит из 12 субъединиц).

Мембранные белки наряду с липидами играют важную структурную роль, кроме этого они ответственны за выполнение подавляющего большинства специализированных функций отдельных мембран.

1)      транспорт (трансмембранный перенос веществ);

2)      преобразование энергии (ферменты дыхательной цепи);

3)      коммуникативную (рецепторные белки связывают клетку с окружающей средой);

4)      и ряд специфических функций: обеспечивают пиноцитоз (захват клеточной поверхностью и поглощение клеткой жидкости), хемотаксис (перемещение клетки, обусловленное градиентом концентраций вещества в среде).

Ферментативная активность присуща многим мембраносвязанным белкам, причем мембраны различных клеток и отдельных органоидов имеют свой характерный набор ферментов. Как правило, ферментные белки располагаются в мембране в определенном порядке, который делает возможным последовательное протекание реакций метаболии, цикла.

2.3 Молекулярная организация мембран.

Структурная основа биологической мембраны – липидный бислой. В продольной плоскости мембрана представляет собой сложную мозаику из разнообразных липидов и белков, причем их распределение по поверхности ее неоднородно. В некоторых мембранах имеются обширные участки липидного бислоя, практически свободные от белков (в эритроцитах белки занимают только 35% площади поверхности всей мембраны, в микросомах-23%).

Рис. 4. Схема строения плазматической мембраны: 1 — фосфолипиды; 2 — углеводородные цепи жирных кислот; 3 — интегральный белок; 4 — олигосахаридная боковая цепь.

При высоком содержании белка в мембране липиды не образуют сплошной бислой, а располагаются в виде отдельных вкраплений между белковыми молекулами. Сам липидный бислой в мембране может иметь доменную структуру в результате, например, сосуществования несмешиваемых липидных фаз, находящихся в двух различных физических состояниях – гелевом и жидкокристаллическом. Часть липидов в мембране может находиться также в составе так называемых небислойных фаз (мицеллярная фаза, гексагон. фаза и др.). Ассоциации липидов в мембране способствует также их взаимодействию с многозарядными катионами (Са2+ , Mg2+ и др.), периферическими белками, некоторыми мембраноактивными веществами (например, гормонами).

Специфическое взаимодействие между отдельными белками приводят к тому, что в мембране образуются белковые ассоциаты, или ансамбли, которые по составу и свойствам отличаются от окружающих участков мембраны и часто окружены липидами определенного типа. Иногда липопротеиновые участки мембраны, содержащие характерный набор белков и липидов, удается выделить при фрагментации мембран. Образование ассоциатов белков может происходить также в результате их специфического связывания на поверхности мембраны с некоторыми водорастворимыми белками (например, с антителами, лектинами) или при фазовом переходе липидов в мембране (обычно белки скапливаются там, где липиды продолжают оставаться в жидкокристаллическом состоянии).

Неоднородность мембраны связана также со структурными и функциональными различиями наружной и внутренней сторон мембраны, обусловленными неодинаковым распределением отдельных компонентов (белков, липидов, углеводов и др.). Характерный пример асимметрического распределения липидов – плазматическая мембрана эритроцитов. Холинсодержащие фосфолипиды (фосфатидилхолин и сфингомиелин) преобладают у них на наружной стороне мембраны, а фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин и фосфатидилинозит связаны преимущественно с ее внутренней поверхностью, обращенной в сторону цитоплазмы. Сходное распределение фосфолипидов обнаружено в плазматических мембранах других животных клеток.

Если асимметрия в расположении липидов в большинстве случаев в мембране носит относительный характер (т.е. на наружной и внутренней стороне мембраны находятся обычно одни и те же липиды, хотя и в разной концентрации), то асимметрия в расположении белков является абсолютной – все молекулы данного белка определенным образом расположены в мембране. Так, цитохром b5 всегда локализован только на цитоплазматической стороне мембраны эндоплазматического ретикулума. В случае проникающего через мембрану эритроцитов белка гликофорина (препятствует слипанию эритроцитов) N-конец полипептидной цепи, содержащий ковалентно связанные углеводы, находится на наружной поверхности, а С-конец – на цитоплазматической стороне мембраны. Строго определенную ориентацию в мембране имеют все молекулы бактериородопсина, у которого полипептидная цепь несколько раз пересекает липидный бислой, а также сложные белковые комплексы, состоящие из нескольких субъединиц (например, цитохромоксидаза, аденилатциклаза).

Отдельные компоненты мембраны могут менять свое взаимное расположение, перемещаться в ней на значительные расстояния, а также покидать мембрану или внедряться в нее в ходе различных метаболических процессов. Такая динамичность позволяет мембране быстро адаптироваться к изменению условий окружающей среды и оперативно откликаться на разнообразные внешние сигналы и стимулирующие воздействия.

Динамические свойства мембраны обусловлены текучестью липидного бислоя, гидрофобная область которого в жидкокристаллическом состоянии имеет микровязкость. Поэтому молекулы липидов, находящиеся в бислое, обладают довольно высокой подвижностью и могут совершать разнообразные движения – поступательные, вращательные и колебательные.

В случае липидов большой вклад в подвижность дают внутримолекулярные движения углеводородных цепей. Они происходят путем гош-транс-поворотов смежных звеньев углеводородной цепи вокруг связи С—С. Благодаря высокой конформационной подвижности цепей в них постоянно возникают изгибы и изломы, что приводит к нарушению регулярного расположения липидных молекул в бислое и к появлению в нем дефектов упаковки, называемых “кинки” и “джогги”.

Внутримолекулярная подвижность различных участков липидной молекулы, находящейся в бислое, неодинакова. Наименьшей подвижностью обладает глицериновый остов молекулы, который служит как бы жестким “якорем”, ограничивающим движения близлежащих участков углеводородных цепей. По направлению к середине бислоя подвижность цепей возрастает и становится максимальной в области концевых метильных групп. Довольно высокой недвижностью обладает также полярная головка липидной молекулы.

Помимо движений отдельных участков липидной молекулы относительно друг друга в жидкокристаллическом бислое происходят также движения всей молекулы как единого целого. Они включают: аксиальное вращение молекулы вокруг ее длинной оси, перпендикулярной к плоскости бислоя, маятниковые и поплавочные колебания молекулы относительно ее равновесного положения в бислое, перемещение молекулы вдоль бислоя (латеральная диффузия) и перескок ее с одной стороны бислоя на другой (флип-флоп). Все эти движения совершаются с разными скоростями.

Аксиальное вращение липидных молекул происходит очень быстро с частотой порядка 10-7 -10-8 с-1, тогда как латеральная диффузия осуществляется гораздо медленнее. Тем не менее в среднем коэффициент латеральной диффузии липидов около 10-8см2-1, измеренном для многих мембран, липидной молекуле потребуется всего 1 с, чтобы промигрировать от одного конца клетки до другого. Очень медленно протекает в липидном бислое флип-флоп. Обычно полупериод флип-флопа составляет величины порядка нескольких часов или даже дней. Однако в некоторых мембранах скорость флип-флопа может быть значительно выше (полупериод 1-2 мин), что объясняется участием определенных интегральных белков в переносе липидных молекул через мембрану.

Иммобилизация липидов может происходить в результате латерального фазового разделения, приводящего к образованию гелевой фазы, или при их взаимодействии с белками. Предполагается, что интегральные белки окружены пограничным слоем липидных молекул (аннулярные липиды), подвижность которых ограничена или, по крайней мере, нарушена в результате контакта с неровной поверхностью белковой глобулы.

Внутримолекулярная динамика мембранных белков изучена меньше, чем липидов. Известно лишь, что боковые заместители на тех участках полипептидной цепи, которые погружены в липидный бислой, в значительной мере иммобилизованы. Многие мембранные белки способны легко диффундировать вдоль мембраны и обладают довольно высокой вращательной подвижностью. Но даже в случае самых подвижных белков измеряемые коэффициент диффузии примерно на порядок ниже, чем для липидных молекул. Времена вращательных релаксации для интегральных белков лежат в диапазоне от 20 до 500 мкс, а коэффициент латеральной диффузии (вдоль бислоя) варьирует от 7,10-9 до 10-12см2-1.

Быстрая диффузия белков вдоль мембраны наблюдается только в жидкокристаллическом бислое, в гелевой фазе белки не мигрируют. Мобильными являются 20-50% мембранных белков, остальные имеют ограниченную подвижность или совсем неподвижны. Причиной иммобилизации интегральных белков в мембране может быть их ассоциация с образованием крупных агрегатов или даже двухмерных кристаллических структур, взаимодействия с периферическими белками, связывание с элементами цитоскелета и т.п.

    1. Углеводы.

На поверхности всех клеток имеются углеводы. Это полисахаридные и олигосахаридные цепи, ковалентно присоединенные к мембранным белкам и липидам. Углеводы всегда располагаются на той стороне мембраны, которая не контактирует с цитозолем. То есть, на внешних (плазматических) мембранах они присоединяются снаружи клетки.

Функция углеводов клеточной поверхности пока неизвестна, но представляется вероятным, что некоторые из них принимают участие в процессах межклеточного узнавания.

3. Трансмембранный транспорт веществ

Липидный бислой практически непроницаем для ионов и большинства полярных молекул. Исключение составляет вода. Перенос веществ через клеточную мембрану осуществляется одним из трех путей: простой диффузией, облегченным и активным транспортом.

Рис. 5 Схема основных видов диффузии через мембрану.

Простая диффузия осуществляется за счет теплового движения молекул из зоны с большей концентрацией в зону с меньшей концентрацией. Разность концентраций по обе стороны мембраны называется градиентом концентраций. При переносе заряженных частиц важную роль играет разница потенциалов. Обычно внутри клетки накапливаются отрицательно заряженные частицы. Таким путем транспортируются: Н2О, СО2, О2. Перенос веществ простой диффузией прекращается когда концентрация вещества с одной и с другой стороны мембраны выравнивается.

Облегченная диффузия более распространенный способ транспорта веществ через мембрану. Здесь принимают участие специальные белки-переносчики. К ним относятся ферменты транслоказы и пермиазы. Они связывают своим активным центром вещество с одной стороны мембраны и переносят его сквозь гидрофобный слой мембраны на ее другую поверхность. Еще один вариант такой диффузии: после присоединения транспортируемого вещества меняется конформация белка-переносчика и в мембране открывается специальный гидрофильный канал, по которому и проникает вещество.

Активный транспорт – это транспорт против градиента концентраций и происходит при затрате энергии. Если источник энергии АТФ, то это первично-активный транспорт, если энергия получается за счет переноса в этот момент другого вещества по градиенту концентраций – это вторично-активный транспорт.

3.1. Перенос малых молекул через мембрану.

      1. Пассивный транспорт.

Так как внутренняя часть липидного слоя гидрофобна, он представляет собой практически непроницаемый барьер для большинства полярных молекул. Вследствие наличия этого барьера, предотвращается утечка содержимого клеток, однако из-за этого клетка была вынуждена создать специальные механизмы для транспорта растворимых в воде веществ через мембрану. Перенос малых водорастворимых молекул осуществляется при помощи специальных транспортных белков. Это особые трансмембранные белки, каждый из которых отвечает за транспорт определенных молекул или групп родственных молекул.

Малые неполярные молекулы легко растворимы и быстро диффундируют. Незаряженные полярные молекулы при небольших размерах также растворимы и диффундируют. Важно, что вода очень быстро проникает через липидный бислой, несмотря на то, что она относительно нерастворима в жирах. Это происходит из-за того, что ее молекула мала и электрически нейтральна. Итак, мембраны могут пропускать воду и неполярные молекулы за счет простой диффузии.

Но клетке необходимо обеспечить транспортировку таких веществ как сахара, аминокислоты, нуклеотиды, а также многих других полярных молекул. За перенос подобных веществ ответственны специальные мембранные транспортные белки. Каждый из них предназначен для определенного класса молекул, а иногда и для определенной разновидности молекул. Первые доказательства специфичности транспортных белков были получены, когда обнаружилось, что мутации в одном гене у бактерий приводят к потере способности транспортировать определенные сахара через плазматическую мембрану. У человека есть болезнь цистинурия, при которой отсутствует способность транспортировать некоторые аминокислоты, в частности цистин, из мочи или кишечника в кровь, – в результате в почках образуются цистиновые камни.

Все изученные транспортные белки являются трансмембранными белками, полипептидная цепь которых пересекает липидный бислой несколько раз. Все они обеспечивают перенос молекул через мембрану, формируя в ней сквозные проходы. В основном, транспортные белки делятся на белки-переносчики и каналообразующие белки. Первые взаимодействуют с молекулой переносимого вещества и каким-либо способом перемещают ее сквозь мембрану. Каналообразующие белки, напротив, формируют в мембране водные поры, через которые (когда они открыты) могут проходить вещества (обычно неорганические ионы, подходящего размера и заряда).

Если молекула не заряжена, то направление ее диффузии определяется разностью концентраций по обеим сторонам мембраны или градиентом концентрации. В то же время на направление движения заряженной молекулы будет влиять еще и разность потенциалов на сторонах мембраны или мембранный потенциал (обычно внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно относительно наружной).

      1. Облегченная диффузия.

Учитывая концентрационный и электрический градиенты, все каналообразующие белки и многие белки-переносчики позволяют растворенным веществам проходить через мембраны только пассивно, то есть, в направлении электрохимического градиента. Такой вид транспорта называется пассивным (облегченная диффузия), и не требует затрат энергии.

Процесс, с помощью которого белки-переносчики связывают и транспортируют растворенные молекулы, напоминает ферментативную реакцию. В белках-переносчиках всех типов имеются участки связывания для транспортируемой молекулы. Когда белок насыщен, скорость транспортировки максимальна. Связывание может быть блокируемо как конкурентными ингибиторами, (конкурирующими за тот же участок связывания), так и не конкурентными ингибиторами, связывающимися в другом месте и влияющими на структуру переносчика. Молекулярный механизм работы белков переносчиков пока не известен. Предполагается, что они переносят молекулы, претерпевая обратимые конформационные изменения, которые позволяют их участкам связывания располагаться попеременно то на одной, то на другой стороне мембраны. Белок переносчик может состоять в двух конформационных состояниях “пинг” и “понг”. Переход между ними осуществляется случайным образом и полностью обратим. Однако, вероятность связывания молекулы транспортируемого вещества с белком гораздо выше в состоянии “пинг”. Поэтому молекул, перемещенных в клетку, будет гораздо больше, чем тех, которые ее покинут. Происходит транспорт вещества по электрохимическому градиенту.

Некоторые транспортные белки просто переносят какое-либо растворенное вещество с одной стороны мембраны на другую. Такой перенос называется унипортом. Другие белки являются контранспортными системами. В них происходит:

а) перенос одного вещества зависит от одновременного / последовательного / переноса другого вещества в том же направлении (симпорт).

б) перенос одного вещества зависит от одновременного / последовательного / переноса другого вещества в противоположном направлении (антипорт).

Например, большинство животных клеток поглощает глюкозу из внеклеточной жидкости, где ее концентрация высока путем пассивного транспорта осуществляемого белком, который работает как унипорт. В то же время, клетки кишечника и почек поглощают ее из люминального пространства кишечника и из почечных канальцев, где ее концентрация очень мала, с помощью симпорта глюкозы и ионов Na.

      1. Активный транспорт.

А. Активные насосы.

Имеются три основных типа активного транспорта ионов:

  1. натрий – калиевый насос – Na+ /K+–аденозинтрифосфатаза (АТФаза), переносящая Na+ наружу, а K+ внутрь;
  2. кальциевый (Са2+) насос – Са2+-АТФаза, которая транспортирует Са2+ из клетки или цитозоля в саркоплазматический ретикулум;
  3. протонный насос – Н+ – АТФаза. Созданные активным транспортом градиенты ионов могут быть использованы для активного транспорта других молекул – таких, как некоторые аминокислоты и сахара (вторичный активный транспорт).

Котранспорт – это транспорт иона или молекулы, сопряженный с переносом другого иона. Симпорт – одновременный перенос обеих молекул в одном направлении; антипорт – одновременный перенос обеих молекул в противоположных направлениях. Если транспорт не сопряжен с переносом другого иона, этот процесс называется унипортом. Котранспорт возможен как при облегченной диффузии, так и в процессе активного транспорта.

Часто бывает необходимым обеспечить перенос через мембрану молекул против их электрохимического градиента. Такой процесс называется активным транспортом и осуществляется белками-переносчиками, деятельность которых требует затрат энергии. Если связать белок-переносчик с источником энергии, можно получить механизм, обеспечивающий активный транспорт веществ через мембрану.

Одним из главных источников энергии в клетке является гидролиз АТФ до АДФ и фосфата. На этом явлении основан важный для жизнедеятельности клетки механизм натрий – калиевый насос (рис. 6). Он служит прекрасным примером активного транспорта ионов. Концентрация K внутри клетки в 10-20 раз выше, чем снаружи. Для Na картина противоположная. Такую разницу концентраций обеспечивает работа (Na + K)-насоса, который активно перекачивает Na из клетки, а K в клетку. Известно, что на работу (Na + K)-насоса тратится почти треть всей энергии необходимой для жизнедеятельности клетки. Вышеуказанная разность концентраций поддерживается со следующими целями:

1) Регулировка объема клеток за счет осмотических эффектов.

2) Вторичный транспорт веществ.

Рис. 6. Активный перенос ионов транспортными АТФазами: I – схема К+ – Nа+ насоса в клеточной плазматической мембране, II – схема кальциевого насоса в мембране саркоплазматического ретикулума, III – схема протонного насоса во внутренней мембране митохондрий.

Собственно насос это фермент Na+-K+-АТФаза, интегральный белок пронизывающий липидный бислой мембраны насквозь. Внутри клетки к активному центру этого фермента присоединяется 3 иона Nа+, при этом фермент активируется и расщепляет АТФ на АДФ и остаток фосфорной кислоты. Этот остаток присоединяется к самому ферменту и изменяет его пространственную конформацию. При этом с внутренней стороны мембраны закрывается ионный канал, но открывается на наружной поверхности. Ионы Na+ отсоединяются от фермента, но в это же время к другому активному центру фермента присоединяются 2 иона К+. Это вновь изменяет его пространственную конформацию, отщепляется остаток фосфорной кислоты и открывается канал для проникновения К+ внутрь клетки. Далее цикл повторяется. Таким образом при выносе из клетки 3 ионов Na+ в нее проникает 2 иона К+. Это ведет к появлению электрического потенциала, который называется трансмембранным электрохимическим потенциалом. Если насос прекратит работу, то ионы Na+ и К+ начнут перемещаться в обратном направлении. По такому же механизму транспортируются ионы Са2+ (фермент Са2+-АТФаза).

Б. Транспорт за счет ионных градиентов.

Если бы у клетки не существовало систем регуляции осмотического давления, то концентрация растворенных веществ внутри нее оказалась бы больше их внешних концентраций. Тогда концентрация воды в клетке была бы меньшей, чем ее концентрация снаружи.

Вследствие этого, происходил бы постоянный приток воды в клетку и ее разрыв. К счастью, животные клетки и бактерии контролируют осмотическое давление в своих клетках с помощью активного выкачивания неорганических ионов таких как Na+. Поэтому их общая концентрация внутри клетки ниже чем снаружи.

Клетки растений имеют жесткие стенки, которые предохраняют их от набухания. Многие простейшие избегают разрыва от поступающей внутрь клетки воды с помощью специальных механизмов, которые регулярно выбрасывают поступающую воду.

В. Симпорт и антипорт.

Другим важным видом активного транспорта является активный транспорт с помощью ионных градиентов. Такой тип проникновения через мембрану осуществляют некоторые транспортные белки, работающие по принципу симпорта или антипорта с какими-нибудь ионами, электрохимический градиент которых достаточно высок. В животных клетках контранспортируемым ионом обычно является Na+. Его электрохимический градиент обеспечивает энергией активный транспорт других молекул. Для примера рассмотрим работу насоса, который перекачивает глюкозу. Насос случайным образом осциллирует между состояниями “пинг” и “понг”. Na+ связывается с белком в обоих его состояниях и при этом увеличивает сродство последнего к глюкозе. Вне клетки присоединение Na+, а значит и глюкозы, происходит чаще, чем внутри. Поэтому глюкоза перекачивается в клетку.

Рис. 7 Основные схемы вторичного активного транспорта ионов.

Итак, наряду с пассивным транспортом ионов Na происходит симпорт глюкозы. Строго говоря, необходимая энергия для работы этого механизма запасается в ходе работы натрий – калиевого насоса в виде электрохимического потенциала ионов Na+. У бактерий и растений большинство систем активного транспорта такого вида используют в качестве контранспортируемого иона ион H+. К примеру, транспорт большей части сахаров и аминокислот в бактериальные клетки обусловлен градиентом H+.

Г. Транспорт путем векторного переноса групп.

Один из самых интересных способов активного транспорта состоит в том, чтобы каким-либо образом удержать внутри клетки молекулу, вошедшую туда в соответствии со своим электрохимическим потенциалом.

Так, некоторые бактерии фосфорилируют молекулы отдельных сахаров, в результате чего они заряжаются и не могут выйти обратно.

Такой вид транспорта называется векторным переносом групп.

Д. Сквозной транспорт через клетки кишечника.

Для сквозного транспорта веществ через клетку существуют особые механизмы. Например, в плазматической мембране клеток эпителия кишечника белки-переносчики распределены ассиметрично.

Благодаря этому, обеспечивается транспорт глюкозы сквозь клетку во внеклеточную жидкость, откуда она поступает в кровь. Глюкоза проникает в клетку с помощью симпорта, контранспортным ионом, в котором является Na+, и выходит из нее путем облегченной диффузии с помощью другого транспортного белка.

Почти все клетки позвоночных имеют в составе своей плазматической мембраны (Na + H) переносчик – обменник. Этот механизм регулирует pH внутри клетки. Вывод ионов H из клетки сопряжен с транспортировкой в нее ионов Na+.

При этом увеличивается значение pH внутри клетки. Такой обменник имеет особый регуляторный участок, который активизирует его работу при уменьшении pH. Наряду с этим, у многих клеток есть механизм, обеспечивающий обратный эффект. Это (Cl + HCO) – обменник, который уменьшает значение pH.

Е. Действие гормонов на транспорт веществ через мембрану.

Одним из самых интересных примеров транспорта веществ через биологические мембраны является взаимодействие гормонов с клеткой. Как известно, гормонами называют специфические химические соединения, которые оказывают значительное влияние на процессы обмена веществ и функционирование органов. В отличие от ферментов или витаминов гормоны не изменяют скорость отдельных реакций, а существенно влияют на некие фундаментальные процессы в организме, которые затем сказываются на самых различных сторонах жизнедеятельности организма.

Некоторые виды гормонов проникают в клетку и регулируют в ней синтез информационных РНК. Другие гормоны, называемые пептидными (инсулин, гормон роста) взаимодействуют со специальными мембранными белками, которые, в свою очередь, продуцируют в клетке вещества, влияющие на некоторые происходящие в ней процессы.

3.2. Перенос через мембрану макромолекул и частиц.

Процесс поглощения макромолекул клеткой называется эндоцитозом. В общих чертах механизм его протекания таков: локальные участки плазматической мембраны впячиваются и замыкаются, образуя эндоцитозный пузырек, затем поглощенная частица обычно попадает в лизосомы и подвергается деградации.

4. Заключение.

Значение организации для биологических систем А. Сент-Дьерди определил следующим образом: “Один из основных принципов биологии – организация; это означает, что две системы, составленные вместе определенным образом, образуют новую единицу – систему, свойства которой не аддитивны и не могут быть описаны посредством свойств составляющих ее частей”. Именно образование и поддержание организации живой клетки, как целостной, открытой, неоднородной, динамической системы, способной к саморегуляции и самовоспроизводству, представляет собой фундаментальное отличие жизненной динамики от любой другой совокупности физико-химических процессов. В ходе эволюции от одноклеточных к многоклеточным организмам со специализацией клеточных функций динамика отдельных клеток определила (и в этом объяснение термина “жизненная”) динамику поведения образований более высоких уровней – тканей, органов и целостных организмов, как открытых целостных систем иерархического строения.

При этом важнейшим связующим звеном в динамике всех систем организма являются процессы, которые протекают на плазматической мембране, отделяющей клетку от внешней среды. По словам Т. Уотермена: “Свойства плазматической мембраны лежат в основе специфического потока веществ и энергии в организм и из него, а, следовательно, и в основе характеристик организма, как открытой системы”. При таком подходе генному аппарату клетки неизбежно остается роль фактора стабильности при ее самовоспроизводстве и функционировании или, говоря другими словами, роль нот, по которым исполняется “музыка жизни”, характерная для данного организма.

Zdravcity RU
А Вам помог наш сайт? Мы будем рады если Вы оставите несколько хороших слов о нас.
Zdravcity RU
Категории
Рекомендации
Помощь проекту
Интересное
А знаете ли вы, что нажав сочетание клавиш Ctrl+F - можно воспользоваться поиском по сайту?
X
Copyrights © 2015: FARMF.RU - тесты, лекции, обзоры
Яндекс.Метрика
Рейтинг@Mail.ru