4.5.3. Облегченная диффузия

 

При транспорте некоторых веществ наблюдается кинетика с насыщением, т. е. скорость поступления вещества выходит на плато, по достижении которого дальнейшее увеличение концентрации вещества не приводит к ее росту (см. рис. 4–22, В). Подобную кинетику с насыщением рассматривают как указание на то, что процесс переноса имеет лимитирующую стадию. Это может быть: 1) связывание проникающей молекулы с определенным участком внутри канала или вблизи него или(и) 2) транспорт вещества через мембрану с помощью переносчика, который свободно диффундирует внутри мембраны от одной стороны к другой и, таким образом, ускоряет перенос вещества через мембрану. Поскольку число молекул переносчика и скорость, с которой они реагируют с переносимым веществом и пересекают мембрану, конечны, скорость опосредованного транспорта должна достигать максимума, когда все молекулы переносчика заняты данным веществом.

 

Гипотеза опосредованного переносчиком транспорта предполагает образование комплекса переносчик–субстрат, подобного комплексу фермент–субстрат; таким образом, переносчик и переносимое вещество формируют комплекс, специфичность образования которого определяется химическими связями и/или стерическими особенностями. В рамки этой гипотезы укладывается наблюдаемая кинетика опосредованного переносчиком транспорта, которая соответствует кинетике Михаэлиса – Ментен. В обоих случаях число взаимодействий с переносчиком или ферментом достигает максимума, когда все молекулы переносчика или фермента заняты молекулами субстрата. Характерной особенностью процесса является также ингибирование транспорта некоторыми химическими аналогами субстрата. В присутствии этих аналогов снижается скорость транспорта субстрата через мембрану при заданной концентрации субстрата (рис. 4–27, А). Две кривые в координатах Лайнуивера – Бэрка (рис. 4–27, Б) пересекают ось ординат в одной и той же точке при бесконечной концентрации субстрата (т. е. когда 1/[S] = 0), что указывает на конкурентный характер ингибирования, а не на необратимое повреждение транспортной системы.

 

Рис. 4.27. Влияние конкурентного ингибитора на кинетику транспорта субстрата (S), молекулы которого проходят через мембрану. В присутствии ингибитора (аналога субстрата) скорость транспорта уменьшается. А. Накопление Sв присутствии ингибитора замедляется. Б. Графики Лайнуивера–Бэрка, иллюстрирующие конкурентный характер ингибирования.

 

 

 

4.6. Активный транспорт

 

И простая диффузия через каналы в мембране или липидный бислой, и облегченная диффузия – это пассивные процессы, в которых высвобождается только потенциальная энергия, запасенная в форме разности концентраций вещества на противоположных сторонах мембраны. В ходе диффузии концентрация вещества в двух отсеках стремится к равновесному значению (рис. 4–28), и по достижении равновесия суммарный диффузионный поток становится равным нулю, хотя равные по величине и противоположные по направлению потоки по–прежнему существуют. Напомним, что если молекула несет суммарный электрический заряд и если разность потенциалов по разные стороны мембраны не равна нулю, то концентрации вещества в отсеках будут, конечно, неодинаковыми.

 

Рис. 4.28. Установление концентрационного равновесия растворенного вещества путем диффузии через мембрану. Вначале растворенное вещество находится только в отсеке I. В конце концов концентрации в отсеках I и II  выравниваются.

 

 

Большинство растворенных веществ распределены относительно поверхностной мембраны живых клеток неравновесно. Эта неравновесная трансмембранная разность концентраций поддерживается благодаря активным процессам, протекающим в мембране, которые постоянно потребляют химическую энергию, запасенную в основном в форме АТР. Эти довольно мало изученные системы, с помощью которых осуществляется активный транспорт веществ против их концентрационного градиента, обобщенно называют мембранными насосами. Если отключить источник энергии такого насоса, то активный транспорт прекратится, распределение вещества, для которого мембрана проницаема, начнет определяться пассивной диффузией и концентрация вещества постепенно сместится к равновесному уровню (рис. 4–29).

 

Рис. 4.29. Активный транспорт ионов требует затрат метаболической энергии. Если поступление энергии блокируется ингибитором метаболизма, то активный транспорт подавляется.

 

 

Ионы натрия, например, активно выводятся из клетки через мембрану с такой же скоростью, с какой поступают в нее. Этот активный транспорт обеспечивается натриевым насосом – некой АТР–зависимой ферментной системой, функционирующей в клеточной мембране. В стационарном состоянии число откачиваемых или транспортируемых из клетки ионов натрия равно числу этих ионов, пассивно диффундирующих в клетку. Таким образом, даже при непрерывном обороте ионов Na⁺ (и других видов ионов) через мембрану суммарный натриевый поток за любой период времени равен нулю. Величина трансмембранного градиента концентраций Na⁺ определяется двумя факторами: 1) скоростью активного транспорта Na⁺ из клетки; 2) скоростью его пассивной диффузии назад в клетку. Скорость, с которой ионы натрия могут пассивным путем диффундировать через мембрану, определяет ту интенсивность, с которой должен работать натриевый насос, чтобы поддерживать заданное отношение содержания Na⁺ по разные стороны мембраны. Имеются данные, что увеличение внутриклеточной концентрации Na⁺ сопровождается увеличением скорости выкачивания Na⁺ насосом; это может быть связано исключительно с тем, что для переносчика становится доступно большее количество внутриклеточного Na ⁺ .

 

Активный транспорт имеет следующие основные особенности.

1. Транспорт осуществляется против концентрационного градиента. Чаще всего изучают работу натриевого насоса, переносящего ион Na⁺ из клетки во внеклеточную среду. Концентрация свободного Na⁺ в цитоплазме обычно составляет одну десятую от его концентрации во внеклеточной жидкости.

2. Система активного транспорта в основном в высшей степени специфична. Натриевый насос, например, не способен переносить ион лития, хотя по своим свойствам последний очень близок к натрию.

3. Для активного транспорта необходима АТР или другие источники химической энергии. Метаболические яды, подавляющие синтез АТР, замедляют и активный транспорт (рис. 4.29).

4. Некоторые мембранные насосы обменивают одну разновидность молекул или ионов с одной стороны мембраны на другую с противоположной стороны. Это свойство можно проиллюстрировать активным выведением Na⁺, сопровождаемым транспортом К⁺ в клетку благодаря работе натриевого насоса. Этот процесс включает в себя обязательный обмен двух ионов калия во внеклеточной среде на три иона натрия в клетке (рис. 4–30). Если удалить ионы К ⁺ , то ионы Na ⁺ , которые в норме должны были бы обмениваться на ионы К ⁺, больше выводиться не будут.

5. Некоторые насосы выполняют электрическую работу, осуществляя суммарный перенос заряда. Например, только что упомянутый насос, производящий обмен Na⁺ и К ⁺ , осуществляет суммарное выведение одного положительного заряда, обменивая три иона Na ⁺ на два иона К ⁺ . Подобные ионные насосы называют реогенными, поскольку они создают электрический ток. Если этот ток приводит к заметному изменению трансмембранного потенциала, то насос называют также электрогенным.

6. Активный транспорт может избирательно подавляться блокирующими агентами. Сердечный гликозид уабаин, введенный во внеклеточную среду, блокирует калийзависимое активное выведение Na⁺ из клетки, конкурируя за К⁺–связывающий участок в Na ⁺–К⁺–насосе, расположенный на наружной поверхности мембраны.

7. Энергия, необходимая для активного транспорта, высвобождается при гидролизе АТР ферментами (АТРазами), присутствующими в мембране. Активный транспорт подчиняется кинетике Михаэлиса–Ментен и испытывает конкурентное ингибирование молекулами–аналогами; все это характерно для ферментативных реакций. АТРазы, активируемые кальцием, связаны с мембранами, через которые выводится кальций. Из мембран эритроцитов и других клеток выделены АТРазы, активируемые натрием и калием и связанные с Na⁺ –насосом. Эти ферменты катализируют гидролиз АТР до ADP и неорганического фосфата только в присутствии Na⁺ и К⁺ и связывают специфический ингибитор натриевого насоса уабаин. Поскольку уабаин связывается с мембраной и блокирует Na ⁺ –K ⁺ –нacoc, эти данные указывают на участие выделенных АТРаз в активном транспорте натрия и калия и предполагают, что они являются составной частью Na ⁺–К ⁺–насоса.

 

Рис. 4.30. Na + –K+–насос, использующий энергию гидролиза АТР. Возможный механизм активного транспорта представлен на рис. 4.31.

 

 

Молекулярный механизм активного транспорта до конца не выяснен. Существует несколько моделей этого процесса. Согласно одной из них (рис. 4–31), молекула–переносчик имеет специфический участок, связывающий субстрат S (т.е. Na⁺). В активированном состоянии этот участок связывает субстрат на одной стороне мембраны и высвобождает на другой, создавая тем самым результирующий однонаправленный поток. Как только субстрат высвобождается, участок реактивируется в результате информационных изменений или фосфорилирования переносчика при участии АТР. АТРаза, гидролизующая АТР, может быть частью молекулы переносчика или существовать отдельно. После конформационных изменений переносчик связывает следующую молекулу субстрата, и цикл повторяется. Эта схема может рассматриваться лишь как некая обобщенная гипотетическая модель.

 

Рис. 4.31. Модель активного транспорта субстрата в клетку. За счет энергии гидролиза АТР происходят конформационные изменения молекулы переносчика, в результате которых он приобретает способность связывать субстрат на внешней поверхности. Аналогичную модель можно построить для транспорта в обратном направлении

 

 

Существуют два принципиально разных вида активного транспорта. Первичный активный транспорт получает энергию, высвобождаемую непосредственно при гидролизе фосфагена, например АТР. Вторичный активный транспорт, о котором пойдет речь в разд. 4.7.1, заключается в транспорте вещества против градиента, обеспечиваемом энергией, которая высвобождается при транспорте другого вещества по градиенту.

Те реальные транспортные процессы, которые протекают в клеточной мембране, обеспечивают перенос молекул как внутрь клетки, так и наружу. Однако клетки в составе эпителия оказываются организованными таким образом, что активный транспорт веществ происходит только с одной стороны эпителиального слоя на другую; это явление связано с асимметрией транспортных свойств разных участков клеточной поверхности. Так, через эпителии кожи и мочевого пузыря у амфибий, жабр у рыб, роговицы, почечных канальцев и кишечника у позвоночных осуществляется транспорт солей и других веществ.