30) Активный транспорт ксенобиотиков через биологические мембраны: определение и характеристика основных механизмов.

Активный транспорт веществ осуществляется за счет сопряжения электрохимических градиентов либо с участием молекулярных машин (АТФазы). Активный перенос происходит c затратой энергии и идет против градиента электрохимического потенциала.

Различается первичный и вторичный (или сопряженный) активный транспорт.

Первичный активный транспорт - трансмембранный векторный перенос веществ - осуществляется в ходе реакции энергетического преобразования в АТФазных системах или окислительно-восстановительной цепи (ОВЦ), т. е. используется энергия либо АТФ, либо энергия OB реакций. Он подразделяется на:

а) электрогенный активный транспорт - первичный активный перенос веществ через мембрану во время АТФазной или окислительно-восстановительной реакциях, сопровождаемых генерацией электрического потенциала;

б) электронейтральный активный транспорт - первичный активный перенос веществ во время АТФазной или ОВ-реакциях, не сопровождающихся генерацией электрического потенциала (стехиометрия обмена 1:1).

Вторичный активный перенос совершается, когда в качестве энергетических источников используются градиенты электрохимических потенциалов других ионов. Например, электрохимический градиент ионов Н⁺ для сопряженного транспорта анионов, сахаров, аминокислот и других веществ в клетку (симпорт или котранспорт) или, напротив, для вывода ионов Na⁺ из клетки (антипорт или противотранспорт).

Согласно классической модели активного переноса, растворенная молекула соединяется с носителем. По одну сторону мембраны носитель в результате химической реакции, протекающей с поглощением метаболической энергии, например в форме АТФ, видоизменяется таким образом, что он приобретает сильное сродство к подлежащей переносу молекуле и присоединяет ее к себе (активация). Образовавшийся комплекс носителя с этой молекулой проходит через мембрану (переориентируется). Затем происходит вторая химическая реакция, в результате которой сродство носителя к транспортируемой молекуле уменьшается; она высвобождается и выделяется внутрь (релаксация). Затем цикл повторяется. Процессом‚ идущим с потреблением энергии, является модифицирование структуры носителя.

широко в живых системах распространены и изучены Nа⁺/К⁺-АТФазы (животные клетки и гликофиты, морские водоросли) и Н⁺-АТФаза, которые могут работать в режиме переноса Н⁺ и Н⁺/К⁺ обмена на плазматических мембранах растительных клеток, митохондрий. Все Nа⁺/К⁺-АТФазные системы и их препараты имеют ряд общих свойств. Так, для их активации необходим Mg²⁺,константа Км составляет 10 мM для Na⁺ и 1 мM для К⁺; в системе имеется два центра связывания катионов - один из них расположен внутри клетки и связывает Na⁺: a другой - снаружи и связывает К⁺; оптимум рН составляет 7,5; все эти АТФазы ингибируются различными гликозидами (например, уабаин подавляет активность фермента на 50 % в концентрации 10^-7 – 10^-4 М). В оптимальных условиях при расщеплении одной молекулы АТФ происходит перенос ионов со стехиометрией 3 Nа⁺/2 К⁺ (натрий наружу, калий внутрь).

Для каждого вещества имеется свой носитель, который модифицирует свою структуру, взаимодействуя с АТФ при участии фермента, специфичного для данного носителя. Таким образом, сколько транспортируемых веществ, столько и механизмов активного транспорта.

В настоящее время все большую популярность завоевывает точка зрения, согласно которой меняется один универсальный механизм энергообеспечения активного переноса различных соединений как заряженных, так и нейтральных - электрохимические потенциалы ионов натрия или протонов, которые образуются благодаря работе Nа⁺/К⁺-АТФазы (животные клетки), Н⁺-АТФазы (растительные клетки). В этом случае создаются электрический и концентрационный градиенты, определяющие движение веществ.

Пример – работа Н+-АТФазной помпы плазмалеммы растительных клеток:

Выход протонов из клетки сопряжен с работой Н⁺-АТФазы плазмалеммы и является активным процессом, в результате которого на мембране создается электрохимический градиент ΔμH. Электрохимический градиент любого вещества включает электрическую и концентрационную составляющие. В случае переноса положительно заряженной частицы наружу на мембране устанавливается более высокий по абсолютной величине потенциал  ΔΨ (внутренняя сторона заряжена отрицательно по отношению к наружной) и изменяется разность концентраций переносимого иона, в данном случае ΔрН. Создавшаяся ситуация приводит к тому, что калий (или другой положительно заряженный катион) по градиенту электрохимического потенциала, а протон по градиенту концентрации входят в клетку. При своем движении внутрь клетки протон активирует переносчик, транспортирующий либо анион, либо аминокислоты, либо другие соединения.

Вторичный активный транспорт приводится в действие за счет энергии, запасенной в градиентах веществ, а не путем прямого гидролиза АТФ. Все они работают как котранспортные системы: одни функционируют по принципу симпорта, а другие - по принципу антипорта. В животных клетках котранспортируемым ионом обычно оказывается Nа⁺. Например, активный транспорт некоторых сахаров и аминокислот внутрь животных клеток обусловливается градиентом Nа⁺ через плазматическую мембрану. Всасывание глюкозы в клетки кишечника и почек достигается с помощью системы симпорта, в которой глюкоза и ионы Na+ связываются c различными участками на белке-переносчике глюкозы; Na⁺ стремится войти в клетку по своему

электрохимическому градиенту и активирует переносчик, перемещаюший глюкозу внутрь. Чем выше градиент Nа⁺, тем больше скорость всасывания глюкозы. Наоборот, если концентрация Nа⁺ во внеклеточной среде заметно уменьшается, транспорт глюкозы останавливается. Ионы Nа⁺, проникающие в клетку вместе с глюкозой, выкачиваются обратно Nа⁺/К⁺-АТФазой‚ поддерживающей градиент концентрации Nа⁺.

Среди многих систем, с помощью которых осуществляется транспорт веществ против градиента химического (электрохимического) потенциала, вторичные механизмы занимают столь важное место, что некоторые исследователи сомневаются в существовании истинных первичных механизмов активного транспорта неэлектролитов. клетки получают большие преимущества, если в качестве источника энергии могут использовать градиент электрохимического потенциала ионов. Однако при рассмотрении механизмов сопряжения потоков ионов и неэлектролитов (нейтральных молекул) необхоцимо помнить, что если выделяемые из клетки ионы (Н⁺ или Nа⁺) способствуют транспорту углеволов, аминокислот, сахаров и др. веществ, то для каждой такой системы требуется отдельный переносчик, узнающий специфический субстрат.

Энергетическое сопряжение селективной диффузии с каким-либо термодинамическим градиентом, создаваемым за счет расхода метаболической энергии придает пассивной (облегченной) диффузии все черты активного транспорта. Поэтому между облегченной диффузией и активным транспортом нет непроходимой границы: в зависимости от наличия или отсутствия энергетического сопряжения один и тот же механизм транспорта веществ может иметь черты как активного, так и пассивного.

В переносе веществ через мембраны принимают участие редокс-цепи мембран, т. е. окислительно-восстановительные реакции (например, ОВ дыхательной цепи). Исходным звеном РЦ выступают восстановленные пиридиннуклеотиды, а конечным акцептором электронов является О².

Например, имеется множество данных о существовании тесного сопряжения между процессом окисления D-лактата и транспортом сахаров, аминокислот и т. д.

К субстратам, которые могут с той или иной эффективностью использоваться в РЦ, относятся также α-глицерофосфат, значительно реже L-лактат, DL- α-оксибутират и др.

По данному механизму транспортируются такие сахара, как галактоза, арабиноза, глюкоза-б-фосфат, глюконат и глюкуронат, большинство прироцных аминокислот, за исключением глутамина (и, возможно, аспарагина)‚ аргинина, метионина и орнитина.

B теории транспорта с участием ОВ систем имеются свои проблемы, связанные, в частности, с тем, что окисление разных транспортируемых веществ должно идти разными путями. С другой стороны, многие факты, рассматриваемые как аргументы в пользу OB транспорта, можно объяснить в рамках другого механизма (например, протон-движущей силы).