Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
БХ учебник Николаев.pdf
Скачиваний:
572
Добавлен:
02.05.2015
Размер:
15.53 Mб
Скачать

Глава 7. Биологические мембраны

2 0 7

ТРАНСМЕМБРАННЫЙ ПЕРЕНОС ВЕЩЕСТВ

Клеточные мембраны создают существенные ограничения для перемещения ве­ ществ, причем основным препятствием является гидрофобная зона мембраны. Однако мембраны не являются наглухо закрытыми перегородками. Одна из глав­ ных функций мембран — регуляция переноса веществ. Например, плазматическая мембрана должна впустить в клетку и удержать вещества, которые нужны клетке, и освободиться от ненужных. Через мембраны клетки в одно и то же время в обо­ их направлениях проходят сотни разных веществ. Различают три способа пере­ носа веществ через мембраны: простая диффузия, облегченная диффузия и актив­ ный транспорт.

Простая диффузия

Небольшие нейтральные молекулы типа H 2O, CO2, O 2, NH3 (но не N H ^), мочеви­ на, этанол, а также гидрофобные низкомолекулярные органические вещества могут диффундировать через мембрану без участия каких-либо специальных ме­ ханизмов (рис. 7.13, а). Если существует трансмембранный градиент концентра­ ций вещества (концентрация по одну сторону мембраны больше, чем по другую), то скорость диффузии в сторону меньшей концентрации будет больше, чем в об­ ратном направлении, и перенос веществ будет происходить, пока сохраняется градиент концентрации.

Рис. 7.13. Механизмы переноса веществ через мембраны:

а — простая диффузия; 6 t -* б2 — облегченная диффузия; в — гидрофильный канал

Облегченная диффузия

При облегченной диффузии вещества переносятся через мембрану также по гра­ диенту концентрации, но с помощью специальных трансмембранных белков-пе- реносчиков (транслоказ). Белок-переносчик имеет центр связывания, комплемен­ тарный переносимому веществу, поэтому для облегченной диффузии, в отличие от простой, характерна высокая избирательность: для каждого вещества или груп­ пы сходных веществ имеется свой переносчик. Переносимое вещество присоеди­ няется к транслоказе, в результате чего изменяется ее конформация, в мембране открывается канал, и вещество освобождается с другой стороны мембраны. По­ скольку в канале нет гидрофобного препятствия, то этот механизм называют об­ легченной диффузией.

2 0 8 Часть II. Обмен веществ и энергии

Ионные каналы

Перенос ионов через ионные каналы представляет собой вариант облегченной диффузии. Для ионизированных атомов и молекул гидрофобный слой мембраны трудно преодолим. Трансмембранный перенос ряда ионов (Са2+, Na+, K+, Cl ) про­ исходит через ионные каналы. Ионные каналы представляют собой олигомерные белковые структуры, пронизывающие мембрану от наружной до внутренней по­ верхности и образующие трансмембранный гидрофильный (заполненный водой) канал, проходимый для определенных ионов (рис. 7.13, в). Избирательность ка­ налов к ионам определяется наличием в белках канала специфического центра связывания иона. Проницаемость таких каналов в большинстве случаев регулиру­ ется: они могут быть или закрыты, или открыты (см. ниже). Сигналом для измене­ ния состояния канала может быть гормон или иная сигнальная молекула, для ко­ торой данный канал имеет центр связывания. Есть каналы, реагирующие на изме­ нение трансмембранного потенциала.

Перемещение ионов по каналам происходит путем диффузии по градиенту их концентрации. Ионы имеют электрический заряд, поэтому образование раз­ ности концентраций ионов по разным сторонам мембраны одновременно озна­ чает и образование разности электрического заряда, который тоже влияет на направление переноса ионов. Разность электрического потенциала и разность концентраций вместе называют электрохимическим потенциалом. Следователь­ но, ионы перемещаются через ионные каналы по градиенту мембранного элект­ рохимического потенциала.

Направленные потоки веществ путем простой и облегченной диффузии в живой клетке никогда не прекращаются, поскольку выравнивание концентра­ ций никогда не достигается: вещества, поступающие в клетку, например кисло­ род, глюкоза, используются в метаболических процессах, а их убыль постоянно восполняется в результате трансмембранного переноса.

Перенос веществ путем простой и облегченной диффузии называют пассивным транспортом, поскольку перенос происходит по градиенту концентрации.

Активный транспорт

В этом процессе, в отличие от простой и облегченной диффузии, перенос веще­ ства совершается против градиента концентрации. Таким способом происходит перенос многих минеральных ионов из межклеточной жидкости в клетку7или в об­ ратном направлении, перенос аминокислот из просвета кишечника в клетки кишеч­ ника, перенос глюкозы из первичной мочи через клетки канальцев почки в кровь. Транспорт против градиента концентрации — несамопроизвольный процесс: он связан с расходованием энергии. Источником энергии может быть или гидролиз АТФ (первично-активный транспорт), или одновременный перенос другого веще­ ства, которое движется по градиенту своей концентрации (вторично-активный транспорт).

Активный транспорт некоторых минеральных ионов происходит за счет энер­ гии АТФ при участии транспортных АТФаз (ионных насосов). Ионные насосы — это белковые устройства, способные избирательно присоединять переносимый

Глава 7. Биологические мембраны

2 0 9

ион и гидролизовать АТФ; при этом энергия гидролиза АТФ трансформируется в энергию разности концентраций ионов по сторонам мембраны.

Na5K-ATOaaa. На рис. 7.14 представлен механизм действия Ыа,К-АТФазы (на­ триевого насоса). Присоединение к АТФазе трех ионов Na+ (стадии I и 2) активи­ рует фермент, и он катализирует расщепление АТФ, причем фосфатный остаток присоединяется к АТФазе. В результате фосфорилирования фермента происходит изме­ нение его конформации: ионный канал зак­ рывается с внутренней стороны мембраны и открывается с наружной (стадия 3); одновре­ менно уменьшается (примерно в 10 раз)

сродство центров связывания к иону Na+. Ионы Na+покидают фермент, а к нему (к спе­ циальным центрам связывания) присоединя­ ются ионы K+ (стадия 4), Ионы K+так изме­ няют фермент, что происходит гидролити­ ческое отщепление фосфатного остатка от фермента. В результате вновь изменяется конформация фермента: ионный канал закрывается с наружной стороны и открыва­ ется с внутренней, сродство к ионам K+ сни­ жается, и они освобождаются в цитозоль (стадия 5). Энергия гидролиза АТФ нужна именно для того, чтобы изменять сродство к ионам по разные стороны мембраны.

За полный цикл работы насоса из клетки

 

в межклеточное пространство переносятся

 

три иона Na+, а в обратном направлении —

Рис. 7.14. Механизм действия Na,

два иона K+. Поскольку перенос катионов

К-АТФазы

неэквивалентен, одновременно с разностью

 

их концентраций возникает и разность электрических потенциалов, т. е. натрие­ вый насос работает в электрогенном режиме. Разность потенциалов совсем не­ большая, меньше 0,1 В. Однако расстояние между заряженными областями тоже очень мало, поэтому напряженность электрического поля получается значитель­ ной — порядка 100.000 В /см . Так образуется трансмембранный электрохимический потенциал Д|_1, который складывается из энергии разности электрических потен­ циалов Д\у и энергии разности концентраций веществ Дс по сторонам мембраны:

Дд = F Д\|/ + RT Д1пс

(F — число Фарадея; R — газовая постоянная; T — температура).

Натриевый насос локализован в плазматической мембране клеток и имеется во всех клетках. В результате его действия создается разность концентраций ионов между цитозолем и межклеточной жидкостью. Например, концентрация ионов в мышечной ткани (ммоль/л):

внутриклеточная: Na+— 13; K+ 150;

внеклеточная: Na+ — 120; K+ — 5.

210

Часть II. Обмен веществ и энергии

 

Концентрация органических веществ внутри клетки обычно больше, чем в

межклеточной жидкости. Многие из этих веществ, включая все макромолекулы, не могут свободно проходить через мембрану, и поэтому вследствие осмоса вода стремится проникнуть внутрь клетки. Если для этого нет препятствий, то клет­ ка набухает, внутриклеточное давление увеличивается и происходит разрыв мем­ браны (осмотический шок). Одна из важных функций натриевого насоса как раз и заключается в создании препятствия для набухания клетки: его работа приво­ дит к такому распределению ионов, что по обе стороны мембраны образуется разность потенциалов, которая уравновешивает избыток концентрации веществ внутри клетки (равновесие Доннана).

При наследственной микросфероцитарной гемолитической анемии имеется врожденный дефект эритроцитов: их мембрана более проницаема для ионов, чем в норме. В эритроцитах этих больных Na,K-AT<t>a3a работает с большей интенсив­ ностью, расходуется значительное количество АТФ, и все же в результате высо­ кой скорости простой диффузии внутриклеточная концентрация ионов Na+ выше, чем в норме; соответственно, в эритроциты проникает больше воды, т. е. они на­ бухают и принимают характерную для этой болезни сферическую форму. Такие эритроциты менее стабильны, они с большей скоростью, чем нормальные, разру­ шаются в селезенке, что и является непосредственной причиной малокровия.

Натриевый насос участвует и в создании градиента концентрации ионов, не­ обходимого для передачи нервного импульса, а также в переносе через мембрану ряда веществ путем вторично-активного транспорта (см. ниже).

В условиях эксперимента ионные насосы могут работать в обратном направ­ лении, т. е. синтезировать АТФ из АДФ и H3PO4 за счет энергии градиента кон­ центраций ионов. Например, в опытах с выделенными плазматическими мембра­ нами (мембранными пузырьками) можно искусственно создать высокий градиент концентраций ионов между содержимым пузырька и внешним раствором. В этом случае ионы начинают перемещаться через Na,К-АТФазу по градиенту концент­ рации, и все стадии процесса, изображенного на рис. 7.14, протекают в обратном направлении. В результате энергия (электрохимический потенциал) искусствен­ но созданного градиента ионов трансформируется в энергию высокоэнергетичес­ ких связей АТФ.

Кальциевый насос (Са-АТФаза). Са-АТФаза за счет энергии АТФ переносит через мембрану ионы Ca2+ против градиента концентрации, два иона на одну мо­ лекулу гидролизуемой АТФ.

Са-АТФаза есть в плазматической мембране клеток и в мембране эндоплазматического ретикулума. Са-АТФаза плазматической мембраны переносит Ca2+ из цитозоля клетки в межклеточное пространство.

Са-АТФаза эндоплазматического ретикулума переносит ионы кальция из цито­ золя в полость ретикулума, создавая внутриклеточное депо Ca2+. В саркоплазматическом ретикулуме Са-АТФаза составляет больше половины всех белков мембра­ ны; она является частью механизма, регулирующего цикл сокращения—расслабле­ ния мышечного волокна (см. гл. 21).

Концентрация кальция во внеклеточной жидкости и в цистернах эндоплазма­ тического ретикулума значительно больше, чем в цитозоле: например, в плазме

Симпорт (а) и антипорт (б)
т „ > т „
|Х]„ > [Х]„
Рис. 7.15.
[Х]„ > [X ].
т н< т „

Глава 7. Биологические мембраны

211

крови 3 ммоль/л, а в эритроцитах меньше 0,001 ммоль/л. Более чем тысячекрат­ ная разница в концентрации поддерживается действием кальциевых насосов.

Н+-АТФазы. В некоторых внутриклеточных мембранах есть транспортные АТФазы, функционирующие как протонные насосы: они перекачивают через мем­ брану ионы водорода. При этом возникает и разность концентраций протонов (разность pH), и разность электрических потенциалов, в совокупности образую­ щих протонный электрохимический потенциал ArnH*:

AjiH+ = FA\)/ + RTAln [Н т] = FA\)/ - 2,3RTApH.

За счет действия Н+-АТФазы создается кислая среда в некоторых отсеках клет­ ки (например, в лизосомах, в секреторных гранулах хромаффинных клеток мозго­ вого вещества надпочечников).

В мембране митохондрий есть белок, который в экспериментах in vitro может создавать трансмембранный градиент концентраций H+за счет энергии гидроли­ за АТФ, т. е. действует как протонный насос. Однако в живой клетке функция это­ го белка противоположна: за счет градиента концентрации H+ он синтезирует АТФ, поэтому его называют Н+-АТФ-синтетаза (см. гл. 8).

Вторично-активный транспорт. Активный перенос вещества через мембрану может осуществляться за счет энергии градиента концентрации другого вещества. Переносчик в этом случае имеет специфические центры связывания для обоих

веществ (рис. 7.15). Присоединение и от­

а

 

о

деление переносимого вещества вызыва­

 

Снаружи

Внутри Снаружи

Внутри

ет изменения конформации переносчика,

 

 

 

и соответственно — изменения сродства

 

 

 

к переносимым веществам. Если концен­

 

X (O )-

 

трация вещества X снаружи больше, чем

 

 

 

 

 

внутри, оно может перемещаться путем

 

 

 

облегченной диффузии. Переносчик име­

 

 

 

ет центр связывания и для вещества Y, ко­

 

X

X

торое транспортируется попутно с веще­

 

ством X (симпорт), причем вещество Y

 

■Y

-Y p)

 

 

может транспортироваться против гради­ ента своей концентрации. Сходным обра­ зом происходит и антипорт — переме­ щение вещества против градиента своей концентрации в направлении, противо­ положном перемещению другого веще­ ства по его градиент)' концентрации (см. рис. 7.15, б).

Симпорт и антипорт могут происхо­ дить за счет энергии градиента концент­ рации ионов Na4, создаваемого Na,K-AT-

Фазой. Таким способом происходит, например, всасывание аминокислот из кишеч­ ника и глюкозы из первичной мочи и кишечника (рис. 7.16). Следовательно, в этих случаях первичным источником энергии служит АТФ: сначала энергия гидролиза АТФ трансформируется в энергию трансмембранного градиента концентрации

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.