
- •Часть 1. Пассивный транспорт
- •1.1. Простая диффузия
- •1.2. Облегченная диффузия
- •1.3. Осмос
- •1.4. Фильтрация.
- •Часть 2. Активный транспорт
- •2.1. Общая характеристика ионных насосов. Опыт Уисинга.
- •Другие Са-атФазы
- •2.5. Вторичный активный транспорт ионов
- •Часть 3. Трансмембранное перемещение макромолекул
- •3.1. Эндоцитоз: виды эндоцитоза и механизм
- •3.2. Экзоцитоз: кальций-зависимый и кальций-независимый.
- •3.3. Белковый комплекс snare.
ТЕМА 2. ТРАНСМЕМБРАННЫЙ ПЕРЕНОС МОЛЕКУЛ
Часть 1. Пассивный транспорт
1.1. Простая диффузия
1.2. Облегченная диффузия
1.3. Осмос
1.4. Фильтрация
Часть 2. Активный транспорт
2.1. Общая характеристика ионных насосов. Опыт Уисинга.
2.2. Na+/K+-АТФаза
2.3. Са2+-АТФаза
2.4. Н+-АТФаза
2.5. Вторичный активный транспорт ионов
Часть 3. Трансмембранное перемещение макромолекул
3.1. Эндоцитоз: виды эндоцитоза и механизм
3.2. Экзоцитоз: кальций-зависимый и кальций-независимый.
3.3. Белковый комплекс SNARE.
С
реди
многообразных явлений, протекающих в
клетке, важное место занимают активный
и пассивный транспорт веществ, осмос,
фильтрация и биоэлектрогенез. В настоящее
время стало очевидно, что эти явления
так или иначе определяются барьерными
свойствами клеточных мембран. Клетка
– открытая система, которая непрерывно
обменивается с окружающей средой
веществом и энергией.
Молекулы могут пассивно пересекать бислой по электрохимическому градиенту путем простой или облегченной диффузии. Такому спонтанному переносу, приводящему к установлению равновесия, противостоит активный транспорт, который требует затрат энергии, поскольку он происходит против электрохимического градиента. Эти механизмы схематически представлены на рис. 1.
В
о
многих случаях биологического транспорта
основой
переноса веществ является их диффузия
через клеточную или многоклеточную
мембрану. Способы диффузионного переноса
многообразны (рис. 2):
диффузия жирорастворимых веществ через
липидную часть мембраны,
перенос гидрофильных веществ через поры, образуемые мембранными липидами и белками,
облегченная диффузия с участием специальных молекул-переносчиков,
избирательный транспорт ионов через ионные каналы.
Однако в процессе эволюции живая клетка создала особый способ переноса, получивший название активного транспорта. В этом случае перенос вещества идет против перепада концентрации и поэтому сопряжен с использованием энергии, универсальным источником которой в клетке является молекула аденозинтрифосфорной кислоты.
Транспорт веществ через биологические мембраны можно разделить на два основных типа:
пассивный
активный.
Определения пассивного и активного транспорта связаны с понятием электрохимического потенциала. Известно, что движущей силой любого переноса является перепад энергии. Свободная энергия (энергия Гиббса) определяется при постоянном давлении, температуре и количестве переносимых частиц. Последнее обстоятельство удобно для описания переноса частиц вещества через мембрану с одной поверхности на другую.
Электрохимический потенциал
– величина,
численно равная энергии Гиббса на один
моль данного вещества, помещенного
в электрическое поле. Для разведенных
растворов:
(1)
где R = 8,31 Дж/(К моль) – универсальная газовая постоянная, F= 96 500 Кл/моль (число Фарадея), Z – заряд иона электролита (в элементарных единицах заряда), φ – потенциал электрического поля.
Пассивный транспорт идет в направлении перепада электрохимического потенциала вещества, происходит самопроизвольно и не требует свободной энергии АТФ.
Активный транспорт – это такой процесс, при котором перенос происходит из места с меньшим значением электрохимического потенциала к месту с большим его значением. Этот процесс, сопровождающийся ростом энергии, не может идти самопроизвольно, а только в сопряжении с процессом гидролиза АТФ, то есть за счет затраты энергии Гиббса, запасенной в макроэргических связях АТФ.
Часть 1. Пассивный транспорт
1.1. Простая диффузия
На рис. 2 представлены основные разновидности диффузии веществ через мембрану.
Диффузия – самопроизвольное перемещение вещества из мест с большей их концентрацией в места с меньшей концентрацией вещества вследствие хаотического теплового движения частиц. Диффузия вещества через липидный бислой вызывается градиентом концентрации в мембране. Плотность потока вещества по закону Фика:
(2)
г
де
СМ1 – концентрация
вещества в мембране около одной ее
поверхности и СМ2
– около другой, l –
толщина мембраны.
Так как измерить концентрации СМ1 и СМ2 трудно, на практике пользуются формулой, связывающей плотность потока вещества через мембрану с концентрациями этого вещества не внутри мембраны, а снаружи в растворах около поверхностей мембраны – С1 и С2:
(3)
где Р – коэффициент проницаемости.
Если считать концентрации вещества у поверхности в мембране прямо пропорциональными концентрациям у поверхности вне мембраны СМ ~ С, то
,
(4)
К – коэффициент распределения – показывает, какую часть концентрации у поверхности вне мембраны составляет концентрация у поверхности мембраны, но внутри ее.
Подставив (4) в (2), получим:
(5)
Из уравнений (3) и (5) видно, что коэффициент проницаемости:
.
Этот коэффициент удобен, поскольку имеет размерность линейной скорости (в м/с) и может быть определен по результатам измерения мембранных потенциалов.
Коэффициент проницаемости, как видно из формулы, тем больше, чем больше коэффициент диффузии D, чем тоньше мембрана и чем лучше вещество растворяется в липидной фазе мембраны (чем больше К).
Хорошо растворимы в липидной фазе мембраны неполярные вещества, например: органические и жирные кислоты, эфиры. В то же время плохо проходят через липидный бислой мембраны полярные вещества: вода, неорганические соли, сахара, аминокислоты. Электролиты, слабо растворимые в липидах, не образуют с водой водородных связей, но они обладают водной оболочкой, образующейся в результате электростатических взаимодействий. Размер оболочки прямо пропорционален плотности заряда электролита. Электролиты с большей плотностью заряда обладают большей гидратной оболочкой и, таким образом, меньшей скоростью диффузии. Ионы Na+, например, характеризуются большей плотностью заряда, чем ионы К+. Следовательно, гидратированный Na+ имеет больший размер, чем К+, и его скорость пассивной диффузии ниже. Перенос воды происходит через наполненные водой белковые и липидные поры. Однако в последнее время помимо гидрофильных пор проникновение через мембрану мелких полярных молекул связывают с образованием между жирнокислотными хвостами фосфолипидных молекул при их тепловом движении небольших свободных полостей – кинков (от англ. kink – петля). Вследствие теплового движения хвостов молекул фосфолипидов кинки могут перемещаться поперек мембраны и переносить попавшие в них мелкие молекулы, в первую очередь молекулы воды.
Д
олгое
время
считалось,
что
для
диффузии
воды
через
клеточные
мембраны
достаточно
ее
естественной
проницаемости
через
липидную
часть
мембран
за
счет
движения
кинков.
В
1988 г.
В
лаборатории
П.
Агре
(лауреата
Нобелевской
премии
по
химии
за
2003 год)
были
описаны
аквапорины
–
новый
класс
белков,
которые
высокоэффективно
пропускают
молекулы
воды,
будучи
абсолютно
непроницаемы
не
для
каких
ионов,
включая
протоны.
В отличие от ионных каналов, аквапорины осуществляют избирательное пропускание воды через мембраны клеток. Аквапорины имеют молекулярную массу ~ 30 кДа и находятся в мембране в виде тетрамеров (рис. 3). Они встречаются в клетках всех живых организмов и играют особенно важную роль в физиологии почек (у человека через них проходит до 170 л воды в сутки). Нарушения работы аквапоринов (например, в случае генетических дефектов этих белков) приводят к тяжелым патологиям.
Рентгеноструктурный анализ аквапорина показал, что его структура сильно отличается от структуры калиевого канала. В мембране формируется очень узкое отверстие, в центре которого имеются два положительных заряда, расположенных на двух симметричных петлях с характерной последовательностью -N-P-A. Прохождение большинства катионов и анионов через данный канал невозможно из-за его малого размера, а протоны не проходят через него из-за наличия положительного заряда.
Через гидрофильные липидные и белковые поры сквозь мембрану проникают молекулы нерастворимых в липидах веществ и водорастворимые гидратированные ионы, окруженные молекулами воды. Для жиронерастворимых веществ и ионов мембрана выступает как молекулярное сито: чем больше размер частицы, тем меньше проницаемость мембраны для этого вещества. Избирательность переноса обеспечивается набором в мембране пор определенного радиуса, соответствующих размеру проникающей частицы.
Некоторые микроорганизмы синтезируют малые органические молекулы – ионофоры, которые осуществляют челночные перемещения ионов через мембраны. Эти ионофоры содержат гидрофильные центры, которые связывают определенные ионы. По периферии центры окружены гидрофобными областями, что позволяет молекуле легко растворяться в мембране и диффундировать через нее. Существуют и другие ионофоры, подобные хорошо изученному полипептиду грамицидину, которые образуют каналы. Некоторые микробные токсины (например, дифтерийный токсин) и компоненты активированного сывороточного комплемента способны образовывать крупные поры в клеточных мембранах, через которые могут проходить макромолекулы.
Суммируя сказанное, можно сказать, что диффузия веществ определяется следующими факторами:
1) трансмембранным концентрационным градиентом веществ. Растворенные вещества перемещаются в сторону понижения концентрации;
2) трансмембранной разностью электрических потенциалов. Растворенные вещества движутся в сторону раствора с противоположным зарядом;
3) коэффициентом проницаемости мембраны для данного вещества;
4) градиентом гидростатического давления на мембране. При повышении давления будет увеличиваться скорость столкновений молекул и мембраны;
5) температурой. Чем выше температура, тем больше скорость частиц и, следовательно, частота столкновений между частицами и мембраной.