Облегчённая диффузия

Для облегчённой диффузии веществ (рис. 2–3) необходимы встроенные в мембрану белковые компоненты (поры,переносчики,каналы). Все эти компоненты относятся к интегральным (трансмембранным) белкам. Облегчённая диффузия происходит по градиенту концентрации для неполярных веществ или по электрохимическому градиенту для полярных веществ (уравнение 2–3).

· Поры. По определению, заполненный водойканалпорывсегдаоткрыт(рис. 2–4). Поры формируют разные белки (порины, перфорины, аквапорины, коннексины и др.). В некоторых случаях образуются гигантские комплексы (например, ядерные поры), состоящие из множества разных белков.

Рис.2–4.Поравплазмолемме[2].

Канал поры всегда открыт, поэтому химическое вещество Х проходит через мембрану по градиенту его концентрации или (если вещество Х заряжено) по электрохимическому градиенту. В данном случае происходит перемещение вещества Х из внеклеточного пространства в цитозоль.

 Пориныформируют в наружной мембране митохондрий каналы, через которые из цитозоля в межмембранное пространство митохондрий диффундируют вещества с молекулярной массой до 5 кД.

 Аквапорины(AQP) — семейство мембранных пор для воды (рис. 2–5). Идентифицировано 10 аквапоринов, AQP3, AQP7 и AQP9 дополнительно проницаемы для глицерола и других небольших молекул, а AQP0, AQP1, AQP2, AQP4, AQP5 — только для воды.

 Перфорины— белки гранул цитотоксических Т-лимфоцитов и NK‑клеток, образуют в клетках–мишенях, подлежащих уничтожению (клетки трансформированные, инфицированные вирусами и чужеродные), трансмембранные каналы. Выделяемые T-киллером молекулы перфорина полимеризуютcя в мембране клетки–мишени в приcутcтвии Ca²⁺. Сформированные в плазматической мембране клетки–мишени перфориновые поры диаметром около 10 нм пропуcкают воду и cоли, но не молекулы белка. В результате осмотического шока клетка–мишень лизируется. Аналогично образуются поры, сформированные молекулами компонента комплемента C9.

 Ядернаяпораимеет диаметр 80–150 нм, содержит канал поры и комплекс ядерной поры. Содержимое ядра сообщается с цитозолем через 2–4 тыс. специализированных коммуникаций — ядерных пор, осуществляющих диффузию воды, ионов и транспорт множества макромолекул (в т.ч. молекул РНК) между ядром и цитоплазмой. Перенос макромолекул через ядерные поры осуществляют специальные транспортные белки — кариоферины, которые специфически распознают и связывают «свои» молекулы и курсируют между ядром и цитоплазмой, перенося связанную молекулу в одном направлении: из цитоплазмы в ядро (импортины) или из ядра в цитоплазму (экспортины).

 Коннексон— трансмембранный белок цилиндрической конфигурации; состоит из 6 СЕ коннексина. Два коннексона соседних клеток соединяются в межмембранном пространстве и образуют канал между клетками (см. рис. 4‑7). Канал коннексона диаметром 1,5 нм пропускает ионы и молекулы с M_rдо 1,5 кД. В отличие от других трансмембранных пор коннексоны имеют 2 состояния: открытое и закрытое. Коннексоны соседних клеток образуют так называемый щелевой контакт (см. подраздел «Коммуникационные контакты» в разделе «Специализированные межклеточные контакты» главы 4).

Рис.2–5.Сформированнаяаквапоринамиводнаяпоравплазмолемме.

Через канал поры проходит множество молекул воды.

· Переносчики(транспортёры) осуществляют транспорт через биологические мембраны множества различных ионов (Na⁺, Cl^–, H⁺, HCO₃^–и др.) и органических веществ (глюкоза, аминокислоты, креатин, норадреналин, фолаты, лактат, пируват и др.). Транспортёрыспецифичны: каждый конкретный переносчик переносит через липидный бислой, как правило и по преимуществу, одно вещество. Различают однонаправленный (унипорт), сочетанный (симпорт) и разнонаправленный (антипорт) транспорт (рис. 2–6).

 Унипорт— однонаправленный транспорт одного вещества (рис. 2–6).

 Симпорт(котранспорт). Некоторые переносчики осуществляют однонаправленный сочетанный транспорт одного вещества (рис. 2–6).

 Антипорт(обменник). Эти переносчики осуществляют разнонаправленный транспорт двух разных веществ (встречный транспорт, рис. 2–6).

 Вторичныйактивныйтранспорт. Переносчики, реализующие как сочетанный (симпорт), так и разнонаправленный (антипорт) трансмембранный перенос с точки зрения энергетических затрат функционируют так, что энергия, накапливающаяся при переносе одного вещества (обычно Na⁺), затрачивается на транспорт другого вещества. Такой тип трансмембранного переноса называют вторичным активным транспортом (см. ниже).

Рис.2–6.Модельвариантовтрансмембранногопереносаразныхмолекул[9]

 Кинетикапереноса(рис. 2–7, см. также рис. 2–3Б), как и скорость ферментной реакции, описывается уравнением Михаэлиса–Ментена, но вместо скорости ферментной реакции подставлено значение J (величина трансмембранного переноса):

Уравнение2–4

J_X= ([X]J_макс) ¸ (K_m+X)

где Х — транспортируемое вещество, J_X— величина транспорта вещества Х, J_макс— максимальная величина транспорта, K_m— константа Михаэлиса (численно равна концентрации вещества Х, когда J_Xсоставляет половину J_макс).

Рис.2–7.МодельвзаимодействияпереносчикаитранспортируемоймолекулыХ[2].

Белки переносчика формируют канал, на внутренней поверхности которого имеется участок связывания молекулы Х (выемка). Диффузия молекул Х через мембрану в принципе может происходить в обеих направлениях, направление определяется концентрационным или электрохимическим трансмембранным градиентом для вещества Х. На рисунке показаны этапы (1–6) переноса молекулы Х слева (межклеточная среда) направо (цитозоль). Канал переносчика может находиться в открытом наружу (1, 2), внутрь клетки (4, 5) или закрытом (3, 6) состоянии.

 Примерытрансмембранныхпереносчиков

 Глюкоза

 Унипортыглюкозы GLUT (от англ. GLUcose Transporter) — интегральные гликопротеины. Клетки, имеющие значительную потребность в глюкозе (в первую очередь нейроны ЦНС), содержат переносчик глюкозы. Инсулин увеличивает захват глюкозы клетками, вызывая быстрое перемещение переносчиков из цитоплазмы клетки в плазмолемму. В кардиомиоцитах экспрессию генаGLUT4усиливают йодсодержащие гормоны щитовидной железы. GLUT5 щёточной каёмки энтероцитов тонкого кишечника обеспечивает всасывание глюкозы (также фруктозы), а GLUT2 базолатеральной части энтероцитов осуществляет выход этих сахаров из энтероцитов во внутреннюю среду организма. Точечная мутация генаGLUT2(замена валина на изолейцин в позиции 197) — одна из причин развития сахарного диабета типа II.

 Симпорт. Сочетанный транспорт глюкозы и Na⁺в тонком кишечнике и канальцах почки обеспечивают мембранные гликопротеины, кодируемые генамиSGLT. Этоглавныймеханизмпочечнойреабсорбцииглюкозы, происходящей в начальном отделе проксимальных извитых канальцев нефрона. Известно несколько мутаций генаSGLT2, приводящих к потере глюкозы (глюкозурия) в почках (до 60 г/сут).

 Аминокислоты

Всасывание аминокислот в кишечнике, их реабсорбция в канальцах нефрона, а также поглощение аминокислот–нейромедиаторов нейронами и глиоцитами мозга реализуются при помощи переносчиков, кодируемых генами SLC1иSLC3. Идентифицированы десятки переносчиков, специфичных по отношению к a-, двухосновным и нейтральным аминокислотам.

 Цистинурия. Мутации генаSLC3A1приводят в почечных канальцах к избыточной секреции цистина (при некоторых формах также лизина, аргинина и орнитина) и к образованию мочевых камней.

 Глутаматиаспартат(аминокислоты–нейромедиаторы), накапливаясь в межклеточном пространстве ЦНС, могут оказыватьцитотоксическийэффект. Кодируемый геномSLC1A2белок–переносчик транспортирует эти аминокислоты в цитоплазму нейронов и глиоцитов.

 Анионообменники— регуляторы внутриклеточного pH, осуществляютобменCl^–набикарбонат.

«Полоса3мембраныэритроцитов»— многофункциональный транспортный белок глюкозы, анионов и воды.

 Респираторный обмен CO₂. Этот анионообменник обеспечивает эффективный обмен Cl^–на HCO3^–: поступление бикарбоната в эритроциты в обмен на Cl^–в капиллярах разных органов, обратный процесс происходит в капиллярах лёгкого.

 Аг старения клеток. При деградации этого белка образуется т.н. Аг старения клеток — метка, распознаваемая иммунной системой. Эритроциты, несущие эту метку (повреждённые, заканчивающие жизненный цикл, инфицированные плазмодиями малярии), распознаются макрофагами селезёнки и печени и фагоцитируются ими.

 Фосфаты. Реабсорбция фосфатов происходит в проксимальных извитых канальцах нефрона при помощи переносчиков фосфатов.

 ОбменNa⁺наH⁺. ГеныSLC9Aкодируют белки плазмолеммы NHE (отNa, H, Exchanger [обменник]),осуществляющиеобменвнеклеточногоNa⁺навнутриклеточныйH⁺. Мембранные белки NHE — регуляторы внутриклеточного pH. Диуретик амилорид ингибирует NHE1, NHE2 и NHE4 и не оказывает эффекта на NHE3 и NHE5.

 Разныепереносчики

 Креатин. Кардиомиоциты и скелетные МВ не синтезируют креатина, необходимого для энергетического обеспечения их функции. Ингибирование переносчика креатина ведёт к развитию мышечной слабости. Дефекты кодирующего переносчик генаSLC6A8— причина одной из форм кардиомиопатии.

 Фолаты. Этот переносчик обнаружен в плаценте и печени.

 Лактатипируваттранспортируются в обоих направлениях через плазмолемму эритроцитов, гепатоцитов, эпителия кишечника и почки, клеток мышечных тканей.

 Норадреналин. Выделившиеся в синаптическую щель нейромедиаторы частично транспортируются обратно в пресинаптические терминали.Трициклическиеантидепрессанты(например, дезипрамин, имипрамин), а такжекокаиниамфетаминывзаимодействуют с синаптическими транспортными системами биогенных аминов. Мутации генов, кодирующих переносчики норадреналина исеротонина, могут привести к развитию психиатрической патологии (например, маниакально–депрессивного психоза).

·Ионныеканалысостоят из связанных между собой белковых СЕ, формирующих в мембране гидрофильную пору (рис. 2–8). Через открытую пору по электрохимическому градиенту диффундируют ионы. Свойства ионных каналов (в том числе специфичность и проводимость) определяют как аминокислотная последовательность конкретного полипептида, так и конформационные изменения, происходящие с разными частями полипептидов в составе интегрального белка канала (рис. 2–10).

Рис.2–8.Моделькалиевогоканала. Интегральный белок (на рисунке цифрами помечены фрагменты белка) пронизывает всю толщу липидного бислоя, формируя заполненную водой пору канала (на рисунке в канале видны 3 иона калия, нижний из ионов находится в полости поры).

Рис.2–9.Модельворотногомеханизмаионногоканала[2].А. Ворота канала закрыты, ион Х не может пройти через мембрану.Б. Ворота канала открыты, ионы Х проходят через мембрану по поре канала.

Рис.2–10.Потенциалозависимыйнатриевыйканал[4]. Двумерная модель канала (А), выделенная часть в увеличенном виде представлена на Б.А. Модель предусматривает наличие 4 доменов (I–IV), каждый из которых состоит из 6 трансмембранных a-спиралей белка. a-Спирали домена IV — чувствительный к изменениям мембранного потенциала a-спиралисенсор: перемещения в плоскости мембраны этих a-спиралей (конформации) приводят к активации (открытию) канала. Внутриклеточная петля между доменами III и IV функционируют как закрывающийворотныймеханизм: после деполяризации мембраны эта петля смещается к поре канала, закрывает её и тем самым прекращает трансмембранную ионную проводимость.Б, Домен IV. Часть внеклеточной петли между a-спиралями 5 и 6 погружена в мембрану и участвует в определение специфичности канала для ионов (избирательныйфильтр).

 Специфичность. Ионные каналы специфичны (селективны) по отношению к конкретным катионам и анионам (например, для Na⁺[натриевый канал], K⁺[калиевый канал], Ca²⁺[кальциевый канал], Cl^–[хлорный канал] и др.). См. рис. 2–10Б.

 Проводимостьопределяется количеством ионов, способных пройти через канал в единицу времени. Проводимость канала изменяется в зависимости от того, открыт канал или закрыт.

 Ворота. Канал может находиться либо в открытом, либо в закрытом состоянии (рис. 2–9). Поэтому модель канала предусматривает наличие устройства, открывающего и закрывающего канал — воротный механизм, или ворота канала (по аналогии с открытыми и закрытыми воротами). См. рис. 2–10А.

 Функциональныекомпоненты. Помимо ворот, модель ионного канала предусматривает существование таких функциональных компонентов, как сенсор, избирательный фильтр и пора открытого канала.

 Сенсор. Каждый канал имеет один (иногда больше) сенсоров к разным типам сигналов: изменениям мембранного потенциала (МП), вторым посредникам (с цитоплазматической стороны мембраны), разным лигандам (с внеклеточной стороны мембраны). Эти сигналы регулируют переход между открытым и закрытым состоянием канала.

Классификацияканаловпо чувствительности к разным сигналам. По этому признаку каналы подразделяют на потенциалозависимые, механочувствительные, рецептор–зависимые, G‑белок–зависимые, Са²⁺–зависимые.

 Потенциалозависимыеионные каналы управляются мембранным потенциалом (МП). Колебания МП приводят к конформационным изменениям белковой структуры канала, что и переводит канал в открытое либо закрытое состояние. Благодаря наличию потенциалозависимых Na⁺‑каналов в возбудимых структурах (например, плазмолемма мышечных клеток и аксолемма нервных клеток) происходит генерация и распространение потенциала действия (ПД).

 Лиганд–зависимыеионные каналы (хемоуправляемые каналы: рецептор–зависимые и G‑белок–зависимые) имеют прямое отношение к мембранным рецепторам. Соединение лиганда с рецептором вызывает конформационные изменения в канале, изменяющие его функциональное состояние. Лиганд–зависимые каналы не столь избирательны, как потенциалозависимые и, будучи в открытом состоянии, пропускают несколько разных, но одинаково заряженных ионов. Например, связываниеацетилхолинас никотиновым рецептором ацетилхолина на мембране скелетной мышцы активирует рецептор ацетилхолина (рецептор сам по себе является лиганд–зависимым ионным каналом), который в физиологических условиях проводит Na⁺внутрь, а K⁺из клетки.

 Рецептор–зависимыеионные каналы открываются или закрываются при участии нейромедиаторов, биогенных аминов, АТФ, циклических нуклеотидов. Например, в клетках обонятельной выстилки внутриклеточный цАМФ связывается с цитоплазматическим участком каналообразующего белка.

 G‑белок–зависимыйK⁺‑канал присутствует в кардиомиоцитах и открывается при взаимодействииацетилхолинас его рецептором в составе комплекса «G‑белок + мускариновый холинорецептор».

 Механочувствительныеионные каналы открываются при деформации мембраны (например, волосковые клетки внутреннего уха или чувствительная нервная терминаль механорецепторов — телецПачини).

 Са²⁺–зависимыеионные каналы регулируют внутриклеточную (цитозоля) концентрацию Са²⁺.

 Избирательныйфильтропределяет, какие именно типы ионов (анионы или катионы) или конкретные ионы (например, Na⁺, К⁺, Ca²⁺, Cl^–) имеют доступ в пору канала.

 Пораоткрытогоканала. После приобретения интегральным белком канала конформации, соответствующей открытому состоянию канала, формируется трансмембранная пора, внутри которой перемещаются ионы.

 Состоянияканала. Благодаря наличию ворот, сенсора, избирательного фильтра и поры ионные каналы могут быть в состояниях покоя, активации и инактивации.

 Состояниепокоя— канал закрыт, но готов к открытию в ответ на химические, механические или электрические стимулы.

 Состояниеактивации— канал открыт и пропускает ионы.

 Состояниеинактивации— канал закрыт и не способен к активации. Инактивация возникает тотчас после открытия канала в ответ на действие стимула и длится от нескольких до нескольких сотен миллисекунд (в зависимости от типа канала).

 Примеры. Наиболее распространённые каналы — для Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl^–, НСО^–₃.

 Натриевыеканалы(рис. 2–10) присутствуют практически в любой клетке. Поскольку трансмембранная разность электрохимического потенциала для Na⁺(Dm_Na)отрицательна, при открытом состоянии Na⁺‑канала ионы натрия устремляются из межклеточного пространства в цитозоль (слева на рис. 2–11).

 В электровозбудимых структурах (например, скелетные МВ, кардиомиоциты, ГМК, нейроны) натриевые каналы генерируют ПД, точнее — начальный этап деполяризации мембраны. Потенциаловозбудимые натриевые каналы — гетеродимеры; в их состав входят большая a‑субъединица (M_rоколо 260 кД) и несколько b‑субъединиц (M_r32–38 кД). Свойства канала определяет трансмембранная a‑СЕ.

 Антагонисты натриевых каналов(вещества, блокирующие функцию каналов): местные анестетики (например, лидокаин), противосудорожные препараты (например, карбамазепин), токсины (например, тетродотоксин, сакситоксин, батрахотоксин), антиаритмические препараты класса IA (например, хинидин), диуретик амилорид (мочегонные свойства амилорида объясняют закрытием натриевых каналов в почечных канальцах).

 Генные дефекты a‑субъединицы(мутации генаSCN4А) — причина ряда заболеваний с эпизодически возникающей мышечной адинамией (гиперкалиемический периодический паралич типа II, миотония врождённая, парамиотония врождённая). Удлинённого интервала QT синдром (тип 3) развивается вследствие мутации генаSCN5A, кодирующего a‑СЕ натриевого канала кардиомиоцитов.

 В канальцах нефрона и в кишечнике Nа⁺‑каналы концентрируются на верхушке эпителиальных клеток, поэтому Na⁺входит в эти клетки из просвета и далее поступает в кровь, обеспечивая реабсорбцию натрия в почке и всасывание натрия в ЖКТ.

 Калиевыеканалы(рис. 2–8) — интегральные мембранные белки; эти каналы обнаружены в плазмолемме всех клеток. Трансмембранная разность электрохимического потенциала для K⁺(Dm_K) близка к нулю (илислегкаположительна), поэтому при открытом состоянии K⁺‑канала ионы калия перемещаются из цитозоля во внеклеточное пространство («утечка» калия из клетки, справа на рис. 2–11).ФункцииK⁺‑каналов: поддержание МП покоя (отрицателен по внутренней поверхности мембраны), регуляция объёма клетки, участие в завершении ПД, модуляция электрической возбудимости нервных и мышечных структур, секреция инсулина из b‑клеток островковЛангерханса.

Классификация. Калиевые каналы подразделяют на потенциалозависимые, потенциалонезависимые (в т.ч. активируемые Ca²⁺и выпрямляющие) и управляемые рецепторами и лигандами (например, ацетилхолином, АТФ).

 Cекрецияинсулина. Калиевый канал KCNA1 регулирует в b‑клетках островковЛангерхансасекрецию инсулина в ответ на повышение содержания глюкозы в крови, а также в ответ на гипогликемические препараты сульфонилмочевины. Препараты сульфонилмочевины, принимаемыеperos, широко используют для снятия гипергликемии при инсулин–независимом сахарном диабете (сахарный диабет типа II). ЛС этого типа блокируют калиевые каналы в плазмолемме b‑клеток островков поджелудочной железы, взаимодействуя с белком SUR (от SUlfonylurea Receptor — рецептор сульфонилмочевины — СЕ К⁺[АТФ–зависимого]–ионного канала).

 УдлинённыйинтервалQT, фиксируемый на ЭКГ, — фактор риска внезапной коронарной смерти — может быть приобретённым (при выраженной гипокалиемии) и врождённым (в т.ч. при дефектах генов калиевых каналовKCNA8иKCNC1).

 Кальциевыеканалы— белковые комплексы, состоящие из нескольких СЕ (a₁, a₂, b, g, d). Поскольку трансмембранная разность электрохимического потенциала для Ca²⁺(Dm_Ca) существенноотрицательна, то при открытом состоянии Ca²⁺‑канала ионы кальция устремляются из внутриклеточных мембранных «депо кальция» и межклеточного пространства в цитозоль. При активации каналов происходит деполяризация мембраны, а также взаимодействие лигандов с их рецепторами. Ca²⁺‑каналы подразделяют на потенциалозависимые и на управляемые рецепторами (например, адренергическими).

Классификация. Фармакологические и кинетические характеристики кальциевого тока позволили выделить кальциевые каналы типовL(от long lasting — медленные),T(от transient — быстрые),N(от neuronal — нейронные),Р(по имени моравского физиолога Яна ЭвангелистаПуркинья—Purkinje).

 L–тип. 1,4-Дигидропиридины (например, нифедипин), а также другие блокаторы кальциевых каналовугнетаюткальциевый ток (например, в кальциевых каналах скелетных мышц, миокарда, эндокринных клеток/нейронов).

 P–тип. Дигидропиридинынеблокируютактивность каналов (например, в кальциевых каналах нервных клеток).

 Анионныеканалы. Многие клетки содержат разные типы анионоселективных каналов, через которые происходит пассивный транспорт Cl^–и в меньшей степени — НСО^–₃. Поскольку трансмембранная разность электрохимического потенциала для Cl^–(Dm_Cl) умеренноотрицательна, при открытом анионном канале ионы хлора диффундируют из цитозоля в межклеточное пространство (справа на рис. 2–11).

Плазмолемма скелетных МВ имеет высокую Cl^––проводимость, регулирующую электрическую возбудимость плазмолеммы. Уменьшение Cl^–-проводимости ведёт к электрической нестабильности мембраны МВ и к развитию миотонии.