4. Механизмы поддержания ионной асимметрии клеток. Виды трансмембранного транспорта.

Благодаря избирательности (селективности) мембраны в отношении перехода ионов и других молекул создается и поддерживается концентрационная и электрическая асимметрия между наружной и внутренней поверхностями. На границе раздела создается разность потенциалов (зарядов) - поляризация мембраны. Непосредственное следствие поляризации — потенциал покоя мембраны, равный мембранному потенциалу (МП).

Проницаемость мембраны для различных веществ зависит от жирорастворимости и размера молекулы этого вещества. Чем более молекула жирорастворима (гидрофобна и неполярна) и чем меньше размер молекулы, тем легче она путем диффузии пройдет через липидный бислой плазматической мембраны (все ионы независимо от размера не диффундируют через мембрану, высокая степень гидратации и наличие заряда являются препятствиями для прохождения ионов через мембрану). Наличие этого барьера предотвращает утечку внутреннего содержимого клеток.

Малые неполярные жирорастворимые молекулы достаточно свободно растворяются в липидном бислое и диффундируют через мембрану в цитоплазму клетки (малые полярные молекулы: СO₂ (44 дальтона), этанол (46 дальтон), мочевина (60 дальтон) быстро проникают через мембрану, глицерол (92 дальтона) — значительно медленнее, глюкоза (180 дальтон) и другие большие полярные молекулы практически не диффундируют сквозь мембрану).

Виды трансмембранного транспорта.

1. Пассивный транспорт - движение веществ через мембрану клетки только по электрическому и химическому градиентам, только за счет движений самого вещества и «без посторонней помощи».

Простая диффузия - самопроизвольное перемещение молекул через липидный бислой по градиенту концентрации вследствие хаотического теплового движения частиц. Направление движения веществ при диффузии определяется только разностью концентраций веществ по обеим сторонам мембраны (градиентом концентрации).

Так в клетку проникают неполярные вещества, растворимые в липидах (гидрофобные), и мелкие незаряженные молекулы (например, вода). Кислород, потребляемый клетками при дыхании, и углекислый газ в растворе быстро диффундируют через мембраны.

Диффузия воды через полупроницаемые мембраны - осмос. Вода способна проходить также через мембранные каналы, образованные белками, и переносить молекулы и ионы растворенных в ней веществ.

Облегченная диффузия происходит при участии белков-переносчиков в направлении электрохимического градиента. Вещества, не растворимые в жирах и не проходящие через поры, транспортируются через ионные каналы с помощью белков-переносчиков в мембране. Например, поступление глюкозы в эритроциты происходит путем облегченной диффузии.

Отличие облегченной диффузии от простой:

1) с участием переносчика - значительно быстрее;

2) облегченная диффузия обладает свойством насыщения: когда все белки-переносчики уже заняты транспортируемыми молекулами, диффузия (транспорт) через мембрану прекращается;

3) при облегченной диффузии - конкуренция переносимых веществ: возможны ситуации, когда добавление одних веществ затрудняет транспорт других:

4) вещества, блокирующие облегченную диффузию, образуют прочный комплекс с молекулами переносчика, препятствуя дальнейшему переносу.

Активный транспорт молекул или ионов происходит против концентрационного и электрического градиентов. Перемещение веществ через мембрану требует затрат энергии («посторонней» помощи).

Первично-активный. Осуществляется белками-переносчиками, которым требуется затрата энергии. Энергия обеспечивается работой транспортных АТФаз. Посредством АТФаз (ферментов) происходит гидролиз АТФ на АДФ и свободный фосфор, при этом высвобождается химическая энергия, затрачиваемая на перенос против электрохимического градиента ионов и молекул. АТФазы - встроенные в мембрану молекулярные транспортеры, выполняющие функцию насосов.

Используется для переноса через плазматическую мембрану ионов Na⁺, К' и Са². В клетках возбудимых тканей АТФазы играют роль насосов (помп): Na/K, кальциевой, протонной и др.

Na/K-АТФаза образует в мембране специальный трансмембранный белок - ионный натрий-калиевый насос. Насос за один цикл работы перекачивает 3 иона Na из цитозоля в окружающую клетку среду, а 2 иона К - в обратном, при этом используется одна молекула АТФ. В итоге Na/K насос поддерживает химический и электрический градиенты на мембране, работает как обменник и регулирует объем клетки.

Один полный цикл работы АТФазы:

1) образование комплекса «фермент + АТФ» на внутренней поверхности мембраны (активация ионами магния);

2) связывание комплексом трех ионов натрия в цитозоле клетки;

3) фосфорилирование фермента с образованием аденозиндифосфата;

4) переворот («флип-флоп») фермента внутри мембраны;

5) реакция ионного обмена Na на K на внешней поверхности мембраны;

6) обратный переворот ферментного комплекса с переносом из интерстициального пространства двух ионов калия внутрь клетки;

7) возвращение фермента в исходное состояние с освобождением ионов калия и неорганического фосфата (Р) в окружающую клетку среду.

Вторично-активный транспорт - вид переноса через мембрану одного вещества за счет градиента другого. За счет использования ионных градиентов, а не путем прямого гидролиза АТФ. Движение одного вещества по градиенту концентрации и является источником энергии для перемещения против концентрационного градиента другого. Классический пример - перенос глюкозы и аминокислот внутрь клеток совместно с ионами натрия (симпорт) по концентрационному градиенту натрия. При таком совместном перемещении натрий и глюкоза используют один и тот же белок-переносчик, связываясь с различными участками на нем. Натрий входит в клетку через мембрану по своему электрохимическому градиенту. Перемещение натрия и является источником энергии для транспорта глюкозы на внутреннюю сторону мембраны.

Макромолекулы проникают в клетку с помощью эндоцитоза.

Пиноцитоз - путь в клетку макромолекул и других частиц с образованием небольших пузырьков. Пиноцитозные пузырьки формируются при соприкосновении их с наружной поверхностью плазматической мембраны. После этого на мембране формируются окаймленные ямки, которые погружаются в цитоплазму клетки вместе с содержимым. Процесс пиноцитоза требует затрат энергии (АТФ) и присутствия Са²⁺.

Фагоцитозу подвергаются крупные частицы более 1 мкм (микроорганизмы, фрагменты тканей, остатки клеток). Фагоцитоз совершают тканевые макрофаги и нейтрофильные лейкоциты. В результате фагоцитоза образуется мембранный пузырек, который «отшнуровывается» от внутренней стороны мембраны. В ходе фагоцитоза формируется фагосома. Этот сложный процесс требует затрат энергии в виде АТФ и присутствия Са²⁺. Поступившие в клетку пиноцитозные пузырьки и фагосомы подвергаются гидролизу с участием лизосом.

Экзоцитоз - это вид транспорта, при котором мембранные пузырьки выводятся из клетки во внеклеточное пространство. Предварительно секреторные пузырьки формируются в цитоплазме клетки при участии аппарата Гольджи и эндоплазматической сети. Экзоцитарные пузырьки направляются к плазмолемме, в результате мембрана пузырька становится компонентом плазмолеммы, а содержимое освобождается во внеклеточную среду.