8. Транспорт молекул через мембраны

Обмен веществ между клеткой и средой определяется транспортной функцией ПАК. В своей деятельности клетка использует несколько видов транспорта молекул и веществ через ПАК:

1. Свободный транспорт, или простая диффузия.

2. Пассивный транспорт, или облегченная диффузия

3. Активный транспорт

4. Транспорт в мембранной упаковке или цитоз.

Свободный транспорт – осуществляется только при наличии электрического градиента по обе стороны мембраны. Этот градиент существует только при разности концентрации и\или зарядов транспортируемых молекул.

Величина градиента определяет направление и скорость свободного транспорта. Такое направление транспорта называют транспортом по градиенту концентрации. При этом скорость свободного транспорта прямолинейна величине градиента. Транспорт по градиенту концентрации приводит к уменьшению разности концентраций и постепенному снижению скорости свободного транспорта.

Биологическая роль свободного транспорта ограничена. Это определяется его недостаточной избирательностью. Через билипидный слой могут проходить любые гидрофобные молекулы. Большинство биологически активных молекул являются гидрофильными, поэтому их свободный транспорт через билипидный слой затруднен.

Пассивный транспорт – облегченная диффузия – также осуществляется только по градиенту концентраций и без затрат АТФ. Скорость пассивного транспорта намного больше, чем свободного. При увеличении разности концентраций наступает момент, когда скорость становится постоянной. Транспорт осуществляется специальными молекулами – переносчиками. С их помощью через мембрану по градиенту концентрации транспортируются крупные гидрофильные молекулы (сахара, аминокислоты). В ПАК имеются пассивные переносчики для различных ионов (К⁺, Na⁺, Ca²⁺, Cl^-, HCO₃^-).

Особенностью пассивных переносчиков является их высокая специфичность (избирательность) по отношению к транспортируемым молекулам. Вторая особенность – высокая скорость транспорта, которая может составлять 10⁴ молекул в секунду и более. Клетка может регулировать количественный и качественный набор переносчиков в своем ПАК. Это позволяет клетке дифференцироваться и реагировать на изменения условий.

Механизм действия переносчиков основан на их способности образовывать каналы, специфические для определенных молекул. Например: пассивный переносчик глюкозы.

Изменять параметры пассивного транспорта в клетке можно с помощью лекарственных препаратов, антибиотиков. Антибиотики выступают в роли пассивных переносчиков. У эукариотичекких клетках нарушение пассивного транспорта могут вызывать некоторые токсины и яды.

Активный транспорт – характеризуется переносом молекул против градиента концентрации, т.е. из области с низкой концентрацией молекул в область с более высокой концентрацией молекул. Для этого необходимы затраты АТФ. При отсутствии АТФ этот вид транспорта прекращается или не начинается. Работу по переносу молекул против градиента концентрации осуществляют специальные молекулы – переносчики. Такие молекулы получили название “насосы”, или “помпы”. Многие активные переносчики обладают АТФ-азной активностью: способны расщеплять АТФ и получать энергию для своей работы.

Активный транспорт ионов необходим клеткам для создания соответствующих градиентов ионов. В нервных клетках градиенты ионов (K⁺, Na⁺) необходимы для возникновения и проведения нервных импульсов. Энергию градиента ионов клетка может использовать для активного транспорта других молекул. Такой вид транспорта получил название вторичного активного транспорта. Вторичный активный транспорт также осуществляется с помощью переносчика. Но такой переносчик транспортирует молекулы не одного вещества, а двух или более. Пример: переносчик глюкозы в эпителиальных клетках почечных канальцев. Переносчик способен транспортировать ионов Na⁺ по градиенту концентрации и молекулы глюкозы против градиента концентрации – осуществлять сопряженный транспорт молекул.

С помощью Na⁺-насоса клетка создает градиент с более высокой концентрацией Na⁺ вне клетки. В результате Na⁺ с сопряженным переносчиком, активирует его, открывает канал глюкозы снаружи и Na⁺ попадает в клетку вместе с молекулой глюкозы. Затем натрий снова выкачивается наружу. Градиент натрия все время сохраняется и обеспечивает вторичный транспорт глюкозы.

Сопряженный транспорт, сопровождается движением обоих молекул в одном направлении, называют симпортом. В ПАК обнаруживаются переносчики, способные транспортировать разные молекулу в разном направлении, т.е. осуществлять антипорт. Пример: К⁺-Na⁺-насос.

Цитоз

Цитоз или транспорт в мембранной упаковке используется клеткой для транспорта крупных молекул или частиц различных веществ. Этот вид транспорта характеризуется тем, что транспортируемая частица оказывается окруженной (упакованной) мембранным пузырьком. Если цитоз происходит в клетку его называют эндоцитозом. Цитоз из клетки обозначают как экзоцитоз. Для некоторых клеток характерен цитоз, при котором частицы проходят через нее. Такой вид цитоза получил название диацитоз, или трансцитоз.