б.ф.Л.3 Транспорт веществ

5

Лекция 3. Транспорт веществ через мембраны

Биологические структуры относятся к открытым термодинамическим системам, постоянно обменивающимся в течение жизни с окружающей средой не только энергией, но и веществом. Роль биологических мембран – сопряжение и регуляция потоков энергии, вызывающих и сопровождающих процесс транспорта. Поэтому, транспорт веществ через биологические мембраны – необходимое условие для существования жизни. С ним связаны: метаболизм клетки; биоэнергетические процессы; биоэлектрические потенциалы. Нарушение мембранного транспорта ведет к возникновению различного типа клеточных дисфункций и патологий.

❶. Классификация видов транспорта

Различают как минимум 2 классификации.

1. Относительно изменения энергии в процессе переноса веществ транспорт подразделяется на активный и пассивный.

☻Активный транспорт осуществляется с затратой энергии (локальное увеличение свободной энергии, за счѐт гидролиза АТФ) и против градиента концентрации. Если он сам создает и поддерживает этот градиент, то называется первично – активным, если же перенос веществ обеспечивает энергия, обусловленная градиентом ионов, созданным в ходе первично – активного транспорта, то такой активный транспорт называется вторично – активным.

☻Пассивный транспорт осуществляется без затраты энергии, протекает самопроизвольно и по градиенту концентрации. Градиент в процессе пассивного транспорта снижается и сопровождается локальным уменьшением свободной энергии.

Рис.1. Схема активного и пассивного транспорта

2. Относительно количества переноса веществ через мембрану выделяют:

☻Унипорт – перенос данного вещества (иона) не зависит от наличия и переноса других веществ и котранспорт – перенос данного вещества (иона) зависит от наличия и переноса других веществ. В этом случае скорость суммарного процесса контролируется наличием и доступностью для систем переноса обоих партнеров транспортного процесса.

☻Котранспорт относительно направления подразделяют на симпорт и антипорт. При симпорте осуществляется однонаправленный и одновременный транспорт, а при антипорте – одновременный, но разнонаправленный перенос веществ. Рис. 2 Схема мембранного транспорта

3. Специфические механизмы переноса веществ, связанные с нарушением структурной целостности мембраны: эндоцитоз и экзоцитоз – важнейшие процессы жизнедеятельности клетки, механизмы высвобождения медиатора в синаптическую щель,

фагоцитоз лейкоцитов.

❸. Методы изучения транспорта

1. Осмотический – изменение объѐма клетки при транспорте воды.

2. Химический (цитохимический) – проникновение красителей, постановка цветных реакций.

3. Биохимический – функция ферментов – участников транспорта,

4. Изотопных меток: углерода (С14), натрия (Na22), рубидия (Rb86) и др.

5. Спектро- и флюорометрический – изменение параметров поглощения и флюоресценции специфических веществ–меток, меняющих свои характеристики после взаимодействия с внутриклеточными структурами,

6. Опосредованные методы – измерение рН, вольтамперных характеристик.

❹. Пассивный транспорт и его виды

Подчиняется закону Фика: dm/ dc=- DS* dc/ dx - скорость переноса вещества зависит от градиента концентрации – dc/dx, площади (S) и коэффициента (D) диффузии. Пассивный транспорт подразделяется на простую и облегченную диффузию.

Простая диффузия отличается отсутствием специальных систем для переноса веществ. Подчиняется правилам Овертона: скорость проникновения через мембрану прямо пропорциональна липотропности вещества и обратно пропорциональна – его размерам.

Позднее Колландер из уравнения Фика вывел более удобно выражение для расчета потока (J) поступления веществ в клетку: J= P(с₁-с₂), где: с₁ и с₂- разность концентраций по обе стороны мембраны.

Облегченную диффузию (индуцированный ионный транспорт) отличает наличие специфических структур – ионофор, способствующих транспорту через мембрану. Ионофоры делятся на переносчики и ионные каналы. Наличие переносчиков изменяет кинетику транспорта, и она становится сходной с уравнениями ферментативного катализа, только в роли фермента выступает переносчик, в роли субстрата переносимое вещество.

Ионофоры – небольшие гидрофобные молекулы, которые растворяются в липидном слое мембран и увеличивают проницаемость мембран для ионов. Большинство ионофоров синтезируется бактериями (в качестве оружия против своих конкурентов), некоторые являются антибиотиками. Широко используются в клеточной биологии.

Ионофоры делятся на

1. Подвижные переносчики. Имеют кольцеобразную структуру: наружная часть – гидрофобная и контактируют с липидным слоем; внутренняя часть – гидрофильная содержит карбоксильные атомы кислорода.

2. Каналообразующие. Состоят из линейных полипептидов, которые имеют гидрофобные боковые цепи. Две таких молекулы образуют канал.

Ионные каналы (унипорт) классифицируют:

А) по типу ионов: натриевые, калиевые, кальциевые и хлорные каналы;

Б) по способу регуляции: 1. потенциал-чувствительные, 2. хемочувствительные (рецептор-управляемые), 3. АТФ-чувствительные.

Ионные каналы. Размеры ионных каналов меньше одного нм (02-04 нм). Эти структуры обеспечивают важнейшие электрофизиологические свойства клеток и тканей, обеспечивая прохождение ионов, регулируются мембранным потенциалом и БАВ.

☻Натриевые и калиевые каналы. Через ионные каналы Na+ и K+ следуют совместно с одной молекулой воды – гидратной оболочкой, хотя в растворе у иона таких оболочек может быть несколько (до 10). Таким образом, при прохождении через ионный канал происходит дегидратация катиона, на что требуется энергия. Роль этой энергии выполняет градиент ионов, так как ионный транспорт относится к пассивному виду переноса веществ через мембрану. В процессе переноса катионов должны выполняться два основных условия: стерический – совпадение размеров катиона+гидратная оболочка с размерами канала и энергетический – взаимодействие катиона с карбоксильными (отрицательно заряженными группировками самого канала).

☻Кальциевые каналы. Кальциевые каналы делятся на потенциал-зависимые и рецептор – управляемые. Они находятся в плазменной мембране всех электровозбудимых клеток: сердечной и гладкой мышцы, мышечных волокнах членистоногих, дендритах нервной и соматической клеток, эндокринных и иммунных клеток. Через кальциевый канал проникают только двух валентные катионы. Эти катионы в отношении их взаимодействия с кальциевым каналом образуют непрерывный ряд и этот ряд совпадает с рядом их связывания с карбоксильной группой, так как селективный фильтр кальциевого канала содержит карбоксильную группу. Все двух валентные катионы, которые связываются с этой группой слабее, чем кальций, проникают лучше. Катионы, которые связываются с этой группой сильнее, чем кальций являются блокаторами кальциевых каналов. Регулирующий центр кальциевого канала располагается у устья, где есть связывающая структура, которая взаимодействует с двухвалентными катионами.

В бескальциевом растворе (с добавлением хелаторов Са₂+ ЭГТА, ЭДТА) происходит модификация кальциевого канала: они сохраняют потенциал-зависимость, но теряют селективность и пропускают ионы натрия. В отсутствии ионов кальция устраняется селективный фильтр у устья канала и наступает конформационная перестройка канала, что ведет к потере его избирательности, и он начинает работать как обычный натриевый канал.

Если натриевый ток – быстро входящий ток, то активация кальциевых каналов происходит медленнее, чем натриевых. Кальциевый ток во многих электровозбудимых клетках недостаточно велик для того, чтобы самостоятельно (без натриевого тока) обеспечить потенциал действия. Поэтому имеются мембраны, где именно кальциевые каналы обеспечивают входящий кальциевый ток, а передний фронт потенциала действия создает мощный натриевый ток, который обеспечивает деполяризацию мембрану. Эта деполяризация и активирует кальциевые каналы во многих клетках. Процесс инактивации кальциевых каналов более сложный, чем натриевых каналов. У натриевых каналов происходит инактивация вследствие деполяризации мембраны, у кальциевых инактивация зависит от силы кальциевого тока. Регуляция и модуляция активности кальциевых каналов зависит от влияния циклических нуклеотидов (цАМФ и цГМФ) и других продуктов метаболизма.

❺.Активный транспорт. Перенос иона в процессе активного транспорта осуществляется транспортными АТФ–фазами, энергозависимой лимитирующей стадией которого, является гидролиз АТФ. Так происходит первично-активный транспорт. Если же перенос веществ обеспечивает энергия, обусловленная градиентом ионов, созданным в ходе первично-активного транспорта, то это – вторично-активный транспорт. С его помощью осуществляется перенос сахаров и аминокислот за счет энергии, обусловленной градиентом ионов, чаще натрия, созданного первично – активным транспортом. Функциональное значение активного транспорта определяется тем, что он осуществляет неравномерное распределение ионов между клеткой и средой – для большинства тканей концентрация внутриклеточного калия больше, чем внеклеточного, а концентрация внутриклеточного натрия меньше, чем внеклеточного. Поддержание постоянного ионного состава клетки обеспечивает ионный гомеостаз, необходимый для осуществления жизненно важных градиент затратных процессов. Первично-активный транспорт отличает одновременное использование источника энергии – АТФ и транспорт ионов. Поэтому все ионные насосы (транспортные АТФ-азы) являются ферментами, гидролизующими АТФ – АТФ-азами. Все транспортные АТФ-азы прокариотических и эукаритических клеток делятся на 3 типа: P-тип, V-тип, F-тип.

АТФ-азы P-типа являются примером осуществления обязательной стадии фосфорилирования и дефосфорилирования, сопряженной со структурными переходами белков, то есть образования ковалентного фосфорилированного промежуточного продукта (фосфомедиата). К АТФ-зам цитоплазматической мембраны этого типа относятся: Na,+K+– АТФ-аза; Ca2+–АТФ-аза; H+– АТФ-аза и плазматическая мембрана эукариот. Внутриклеточные АТФ-зы P–типа: Ca²⁺ – АТФ-аза эндо-(сарко) плазматического ретикулума эукариот и К⁺ – АТФ-аза наружных мембран прокариот. Устроены довольно просто, действуют как насос.

АТФ-азы V-типа находятся в мембранах в вакуолях дрожжей, в лизосомах, эндосомах, секреторных гранулах животных клеток (Н+–АТФ-азы). Они наименее изучены.

АТФ-азы F-типа находятся в мембранах бактерий, в хлоропластах, митохондриях. Образованы водорастворимой частью, которая состоит из нескольких субъединиц и обладает каталитической активностью, и гидрофобной частью, участвующей в транслокации водорода. Особенностью АТФ-азы F-типа является способность производить энергию АТФ в ответ на перенос протонов водорода.

Процесс активного транспорта Na⁺ и K⁺ происходит в следующие семь этапов:

1. В присутствии Mg²⁺ на внутренней стороне мембраны образуется комплекс фермента АТФазы с АТФ.

2. Присоединение АТФ изменяет конформацию фермента таким образом, что к образовавшемуся комплексу присоединяются три иона натрия.

3. Происходит фосфорилирование Na⁺,K⁺ - АТФазы и отщепление АДФ.

4. Ионсвязывающий центр фермента перемещается относительно толщины мембраны, в результате чего ион натрия оказывается на внешней стороне клетки.

5. Снаружи клетки вследствие уменьшения сродства фермента к ионам натрия и повышения сродства к калию происходит обмен этими ионами.

6. После отщепления фосфата фермент с присоединенными ионами калия снова изменяет положение относительно мембраны.

7. Ионы калия и неорганический фосфат высвобождаются в цитоплазму, и фермент возвращается в исходное состояние.

Таким образом, для выноса из клетки трех ионов натрия и внесения в клетку дух ионов калия необходимо столько энергии, сколько её получается при гидролизе одной молекулы АТФ. Na⁺,K⁺ - насос способствует не только повышению градиентов концентраций ионов, но и возрастанию градиента электрического потенциала, то есть является электрогенным, так как сумма вносимых зарядов неравна сумме выносимых. Межклеточная среда приобретает «более положительный» заряд по сравнению с клеткой за счет выноса одного «лишнего» положительного иона.

Одним из примеров вторично-активного транспорта незаряженных молекул является всасывание глюкозы в стенках кишечника. Концентрация глюкозы в энтероцитах выше, чем в просвете кишечника, поэтому пассивное её всасывание невозможно. Клетки кишечника активно выкачивают натрий из энтероцитов в серозную область кишечника, в результате чего концентрация Na⁺ в клетке снижается по сравнению с его концентрацией снаружи. Благодаря этому становится возможным пассивный транспорт натрия из просвета кишечника в энтероцит. Натрий пересекает мембрану с помощью переносчика, который связывается не только с натрием, но и с молекулой глюкозы. Образовавшийся комплекс пассивно по градиенту концентраций ионов натрия и электрического потенциала переносится внутрь клетки. Таким образом, транспорт глюкозы осуществляется против градиента концентрации, но не за счет энергии АТФ, а за счет существования градиента концентрации другого вещества, в данном случае – ионов натрия.