Биохимия пособие Коновалова 2012

м из липидов медленнее всего обновляется ефингомиелин - полупеод жизни to,5(время, в течении которого заменяется половина исход­ ного содержания молекул) для него составляет около 38 часов. Не­ сколько быстрее обновляется фосфатидилсерин - для него to,5 равно Примерно 23 часа. Для фосфатидилэтаноламина и фосфатидилхолина to,5 составляет 15 часов. К наиболее быстро обновляемым липидам отно­ сится фосфатидилинозит - его обмен может проходить в течение не­ скольких минут. Это объясняется тем, что фосфатидилинозит принима­

ет участие в трансмембранной передаче сигнала.

Скорость обновления белков мембраны также различна. Напри­ мер, Для некоторых мембранных белков клеток печени to,5составляет: белки ядерной мембраны, микросом и плазматической мембраны —2-3 дня; белки внешней митохондриальной мембраны —5-6 дней; белки внутренней мембраны митохондрий обновляются за 8-10 дней (так как часть белков синтезируется в митохондриях, а часть транспортируется из цитозоля).

Несмотря на постоянное обновление всех мембранных компонен­ тов, структурная организация биомембран в течение всей жизни клетки сохраняется неизменной.

Транспорт через мембраны

Избирательный транспорт различных веществ и ионов - одна из главных функций биологических мембран. Он обеспечивает активный обмен клетки и ее органелл с окружающей средой; служит основой всех биоэнергетических механизмов; определяет эффективность процессов рецепции, передачи нервного возбуждения и т. д. Для подавляющего большинства веществ и ионов мембраны представляют барьер и в таком случае их перенос через липидную фазу требует значительных энерге­ тических затрат. В то же время вода и некоторые низкомолекулярные соединения легко проникают через мембрану.

Транспортные процессы в мембране принято характеризовать в первую очередь по признаку энергозависимости. Поэтому выделяют пассивный транспорт - то есть перенос вещества по градиенту кон­ центрации, не связанный с затратой энергии, и активный транспорт - против градиента концентрации (для нейтральных частиц) или электро­ химического градиента (для заряженных частиц), требующий затрат энергии. Отдельно рассматривают процесс цитоза или везикулярный транспорт - механизм переноса, связанный с изменением структурной Целостности мембраны.

81

Самый простой механизм переноса - обыкновенная или простая диффузия - движение через мембрану веществ по градиенту концентрации без затрат энергии и не требующее участия переносчиков. Особенно легко так проходят небольшие гидрофобные соединения, которые относительно беспрепятственно внедряются в липидный бислой. Скорость простой диффузии через мембрану для нейтральных частиц определяется двумя основными факторами. Вопервых, разницей концентраций переносимого вещества по обе стороны мембраны и, во-вторых, его способностью растворяться в липидах.

Для водорастворимых соединений бислой липидов является барь­ ером и, ранее считалось, что такие вещества могут проходить только через специальные поры в мембране, которые окаймлены белками. Од­ нако в последнее время, помимо наличия гидрофильных пор, проникно­ вение через мембрану мелких полярных молекул объясняют с позиций динамичной структуры биологических мембран. В бислое, вследствие высокой способности молекул липидов к движению, постоянно присут­ ствуют подвижные «дефекты» структуры (например, кинки), сквозь ко­ торые могут диффундировать небольшие полярные молекулы, и в пер­ вую очередь молекулы воды.

Таким образом, используя дефекты в жидкокристаллической структуре липидного бислоя и наличие гидрофильных белковых пор, через мембрану проникают гидратированные ионы и молекулы нерас­ творимых в липидах веществ. Для них мембрана выступает как молеку­ лярное сито: чем больше размер частицы, тем меньше проницаемость

82

мембраны для нее. Некоторая избирательность переноса обеспечивается наличием в мембране пор определенного размера, соответствующего диаметру проникающей частицы.

При облегченной диффузии перенос веществ также осуществля­ ется по градиенту концентрации и не требует затрат энергии, но нужны переносчики. Облегченная диффузия характерна для водорастворимых

веществ.

По принципу действия мембранные переносчики могут быть раз­ делены на два типа. Переносчик первого типа действует подобно чел­ ноку, то есть, соединившись с транспортируемым веществом, он диф­ фундирует к противоположной стороне мембраны, где освобождается от связанной с ним молекулы или иона и возвращается назад либо пус­ тым, либо захватив с противоположной стороны мембраны другое со­ единение.

Классический пример подвижного мембранного переносчика - валиномицин - антибиотик, продуцируемый различными штаммами Streptomyces. Он обладает уникальной способностью «отличать» ионы калия от других различных катионов, в том числе и от натрия, и перено­ сить именно К+ через мембрану.

Переносчик второго типа не перемещается в липидном бислое. Механизм переноса основан на способности белковой молекулы нахо­ диться в двух различных конформационных состояниях. В одном из них он селективно связывает транспортируемую молекулу, в другом —осво­ бождает ее с противоположной стороны мембраны. Большинство при­ родных переносчиков - это интегральные прошивающие белки, которые не способны к поперечной диффузии и поэтому являются переносчика­ ми второго типа. Установлено, что транспортные белки отвечают за пе­ ренос таких гидрофильных веществ, как сахара, аминокислоты и др. Например, в клетки организма глюкоза поступает облегченной диффу­ зией, связанной с наличием в цитоплазматических мембранах специ­ альных белков-переносчиков, называемых глюкозными транспортерами и обозначаемыми как GLUT-1 - GLUT-5. Они локализованы в разных тканях и отличаются сродством к глюкозе. Это обеспечивает ее транс­

83

порт в клетки соответствующих тканей согласно их потребности в тлю козе, ее содержанию в крови, уровню секреции инсулина и т. д.

Среди систем пассивного транспорта особую роль играют ионные канты - специфические каналы проницаемости, обусловливающие бы­ строе и селективное проникновение ионов через мембрану. Например, электрическое возбуждение мембран нервных и мышечных клеток свя­ зано с кратковременным увеличением их проницаемости для ионов Na+, К+ и Са .

Отличия облегченной диффузии от простой:

1. При облегченной диффузии обеспечивается бблыпая скорость переноса.

2.Облегченная диффузия - специфичный вид транспорта, так как белки-переносчики отличаются высокой избирательностью.

3.Для облегченной диффузии характерен эффект насыщения, ко­ торый заключается в том, что по мере увеличения градиента концентрации диффундирующего вещества, скорость его пере­ носа через мембрану стремится к некоторому максимуму. В момент достижения состояния насыщения уже использована вся «мощность» переносчиков.

Градиент

Рис. Некоторые виды пас­ сивного транспорта:

а, б —простая диффузия через бислой и белковую пору (канал) соответственно; в —облегченная диффузия с

участием фиксированного пере­ носчика

Биомембраны обладают не только пассивной проницаемостью (транспорт по градиенту), но, действуя подобно насосу, могут перека­ чивать вещество в сторону его бблыпей концентрации. Транспорт ве­ ществ против градиента концентрации (для нейтральных частиц) или электрохимического градиента (для заряженных частиц), требующий затрат энергии, называется активным транспортом. Следовательно, факторы, которые нарушают снабжение клеток энергией, будут приво­ дить и к приостановке активного транспорта, вызывая, как правило, ги­ бель клеток. Например, отсутствие кислорода; действие ингибиторов тканевого дыхания, наркотиков и др.

В зависимости от способа использования энергии для переноса молекул и ионов различают первичный и вторичный активный транспорт. При первичном активном транспорте имеет место

84

сопряжение переноса вещества через мембрану с реакцией гидролиза дТФ (ионные насосы) или системой переноса электронов (транспорт j-[+ из матрикса в межмембранное пространство митохондрий в процессе тканевого дыхания).

Типичным примером первичного активного транспорта является транспорт ионов с помощью специальных селективных насосов — транспортных АТФаз. Например, перенос Na+ и К+ через плазматиче­ скую мембрану, который осуществляется № +/К+-АТФазой. Известно, что Nar - это внеклеточный катион, а К+ —внутриклеточный. Na+/K+- АТФаза обеспечивает выведение трех ионов Na+ из клетки в обмен на введение в клетку двух ионов К+ против их градиентов с затратой одной молекулы АТФ.

Рис. Строение Nа+/К +-АТФазы

Nа+/К+-АТФаза имеет сложное строение - это интегральный бе­ лок, обладающий четвертичной структурой. Он состоит из четырех субъединиц двух типов - две а и две р (сф)2 с общей молекулярной мас­ сой 270 кДа. Каналом для транспорта ионов служит я-субъединица, представляющая собой полипептидную цепь с молекулярной массой 95 кДа. Она пронизывает мембрану насквозь и содержит со стороны цито­ плазмы участки связывания для АТФ и ионов Na+ , а на внешней по­ верхности мембраны - для ионов К+. р-субъединица (40 кДа) является гликопротеином и способствует правильной ориентации тетрамера в липидном бислое. Она содержит углеводные группы, которые располо­ жены на внешней стороне плазматической мембраны. Ыа+/К+-АТФаза способна гидролизовать АТФ на АДФ и неорганический фосфат (Р„), то есть является ферментом. Высвобождающаяся при гидролизе АТФ энергия используется для транспорта ионов Na+ и К+ через мембрану.

Перенос ионов происходит за счет изменения конформации № +/К+-АТФазы при ее фосфорилировании и дефосфорилированиии (химической модификации). В присутствии ионов Na+ активируется

85

гидролиз АТФ и освободившийся неорганический фосфат присоединя. ется к а-субъединице фермента (фосфорилирование). Дефосфорилир0. вание происходит в присутствии К+.

Механизм переноса Na+ и К+

8 6

6. Уход неорганического фосфата вызывает изменение конформации фермента - канал открывается внутрь клетки и изменяется сродст­ во соответствующих центров связывания к катионам

7. Закрываются центры свя­ зывания с ионами К+ (К+ поступает в цитозоль) и от­ крываются центры связыва­ ния для Na+ и АТФ.

Далее процесс повторяется.

В кардиологии используются лекарственные препараты —сердеч­ ные гликозиды. У них есть побочное действие, связанное с ингибирова­ нием Na+/K+-ATФазы. Сердечные гликозиды способны конкурировать с ионами К+ на внешней стороне мембраны за места связывания с р- субъединицей фермента, ингибируя перенос ионов. Токсическое дейст­ вие сердечных гликозидов можно снять, назначая вместе с ними препа­ раты калия.

Неравнозначный перенос ионов через мембрану с участием Ыа+/К+-АТФазы вызывает возникновение разности потенциалов между цитоплазмой клетки и внеклеточной средой —появление положительно­ го заряда снаружи и отрицательного внутри. Поэтому Ыа+/К+-АТФазу называют электрогенной. Наличие разности потенциалов, получившей название потенциала покоя, имеет важное практическое значение. Он стабилизирует мембрану; управляет работой мембранных белков; обу­ словливает возбудимость клеток, характер клеточного метаболизма и т. д. То есть определяет жизнеспособность клетки.

Вторичный активный транспорт обеспечивает перенос соеди­ нений через мембрану за счет энергии, обусловленной электрохимиче­ ским градиентом некоторых ионов (чаще всего Na+), который был соз­ дан на мембране в результате работы систем первичного активного транспорта. Когда в транспортном процессе участвует несколько соеди­ нений, то возможны разные варианты сопряжения переноса веществ че­ рез мембрану. Симпорт —транспорт молекул или ионов осуществляет­ ся одновременно и однонаправлено с другими соединениями. Анти­ порт - транспорт веществ обусловлен одновременным и противопо­ ложно направленным переносом других соединений. Симпорт и анти­ порт представляют собой вида котранспорта, при котором скорость суммарного процесса контролируется наличием и доступностью для систем переноса обоих партнеров транспортного процесса.

87

Котранспорт

Например, создаваемый работой Ыа+/К+-АТФазы градиент ионов Na+ используется для вторичного активного транспорта моносахаридов, аминокислот. Так, всасывание глюкозы в клетки кишечника осуществ­ ляется посредством симпорта с ионами Na+ . При этом Na+ и глюкоза связываются со специфическим транспортным белком и проникают в клетку одновременно. Далее Na+ вновь выкачивается из клеток Na+/K+- АТФазой. Таким образом, количество транспортируемой в энтероциты глюкозы и скорость ее всасывания зависят от трансмембранного гради­ ента ионов Na+.

Цитоз или везикулярный транспорт - уникальный способ по­ глощения (эндоцитоз) клеткой крупных молекул и частиц и их выделе­ ния (экзоцитоз) с помощью изменения структуры, формы и размеров клеточной мембраны.

Эндоцитоз - транспорт в клетку различных соединений. При эндоцитозе определенный участок мембраны захватывает, обволакивает внеклеточный материал - образуется везикула, которая попадает внутрь клетки, где ее содержимое постепенно трансформируется. Эндоцитоз - универсальное явление, характерное в той или иной степени для любых клеток. Кроме неспецифического эндоцитоза (фагоцитоз, пиноцитоз)

88

шествует рецептор-индуцируемый (специфический) эндоцитоз. В СУ случае клетки захватывают определенные крупные молекулы или Фетиды при помощи соответствующих рецепторов мембраны. Примеспедифического эндоцитоза —поступление в клетки холестерина в составе липопротеинов низкой плотности, захват ионов железа в форме комплекса со специальным транспортным белком трансферрином и т. д. Экзоцитоз - транспорт из клетки во внешнюю среду. При экзоцитозе происходит слипание и слияние с мембраной везикул, образовав­

шихся внутри клетки. В результате такого слияния во внеклеточную среДУ поступают содержащиеся в везикулах различные соединения. На­ пример, путем экзоцигоза происходит секреция веществ, необходимых различным клеткам-мишеням (гормонов, медиаторов); освобождение от ненужных, токсичных, непереваривающихся продуктов и т. п.

Межклеточные каналы

Соседние клетки одной ткани должны сообщаться друг с другом, чтобы координировать свою жизнедеятельность и функционировать как целое в соответствии со спецификой ткани. Одним из способов комму­ никации состоит в обмене химическими веществами через специальные участки —области щелевидных контактов. Такой межклеточный канал (щелевое соединение) служит протоком между внутренним содержи­ мым смежных клеток. По нему происходит регулярный, взаимный меж­ клеточный транспорт неорганических ионов, сахаров, аминокислот, нуклеотидов и т. п.

Щелевидные соединения играют важную роль в межклеточной коммуникации. Они обеспечивают согласованный рост, дифференцировку клеток. В ряде возбудимых тканей, например, в сердечной мыш­ це, клетки объединены в единую систему быстрым потоком ионов через такие межклеточные каналы. Это позволяет давать быстрый и синхрон­ ный ответ на стимуляцию. Через щелевидные контакты происходит пи­ тание клеток, удаленных от кровеносных сосудов, например, в костной ткани, хрусталике глаза.

Мембраны и патология

Функционирование сложного многоклеточного организма самым непосредственным образом зависит от жизнеспособности составляющих его отдельных элементов - клеток. Нарушение структурной и функциональной целостности клеточных мембран, вызываемое как факторами внешней среды, так и функциональными внутренними расстройствами, негативно сказывается на выполнении

89

клетками своих функций и может стать как причиной, так и следствием развития тяжелых патологических процессов.

Например, яды некоторых змей, медоносной пчелы содержат в своем составе фермент фосфолипазу А2 , которая вызывает гидролиз эфирной связи во втором положении глицерофосфолипидов, в результате образуются лизофосфатиды - сильные поверхностно­ активные вещества, дестабилизирующие липидный бислой. Это вызывает нарушение функций (барьерной, транспортной и т. д.) и последующее разрушение мембран эритроцитов, тучных клеток, вызывая соответствующие патологические эффекты.

Другой пример, генетически наследуемый дефект эритроцитов - недостаток в клетках фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы - в итоге вызывает тяжелое заболевание - гемолитическую анемию. Нарушение целостности клеточной мембраны происходит из-за того, что вследствие недостатка данного фермента в цепи цитоплазматических реакций выпадает одно звено - синтез восстановленных эквивалентов для последующего образования восстановленной формы глютатиона. Снижение концентрации последнего нарушает структурную целостность эритроцитарной мембраны, и в результате гемоглобин выходит в плазму крови.

Таким образом, патология биологических мембран связана с модификацией мембранных липидов (изменением липидного состава; увеличением или уменьшением насыщенности жирных кислот, входящих в состав мембранных липидов; нарушением метаболизма холестерина; развитием перекисного окисления; изменением концентрации в мембране жирорастворимых витаминов и т. д.), а также с нарушением функций мембранных белков. Как правило, происходит комплексная модификация мембран, затрагивающая как липидный бислой, так и мембранные белки.

Лекция б

ВВЕДЕНИЕ В ОБМЕН ВЕЩЕСТВ. БИОХИМИЯ ПИТАНИЯ И ПИЩЕВАРЕНИЯ

1. Понятие о метаболизме, метаболических путях, карте метаболизма

В наиболее употребительном значении термин «метаболизм» рав­ нозначен «обмену веществ». В точном смысле «метаболизм» означает промежуточный обмен, т.е. превращение веществ внутри клеток с

90