12.Пассивный транспорт гидрофильных веществ. Строение и свойства каналов в мембране. Механизм транспорта через каналы. Транспорт с помощью переносчиков. Типы переносчиков и механизм их действия. Явление насыщения при транспорте с помощью переносчика. Формула Михаэлиса-Ментен и ее графическое отображение. Константа сродства к переносчику (на примере транспорта сахаров).
Транспорт гидрофильных веществ
Бльшинство необходимых клетке веществ (соли, сахара, аминокислоты и т.п.) хорошо растворимы в воде, но почти нерастворимы в жирах, поэтому скорость их проникновения через билипидный слой очень мала. Такие вещества идут сквозь мембраны либо с помощью переносчиков, . либо через мембранные каналы.
Транспорт с помощью переносчиков (облегчённая диффузия)
В мембранах всех клеток находятся специальные молекулы (в основном, это интегральные белки), которые, соединяясь с подлежащими переносу веществами, могут образовывать с ними жирорастворимые комплексы.Такие молекулы называют переносчиками. Поскольку комплекс переносчика с субстратом (переносимым веществом ) хорошо растворим в жирах, он может проникать через мембрану благодаря латеральной диффузии , как описано выше. Поэтому скорость транспорта гидрофильных веществ очень сильно возрастает по сравнению с прямым проникновением этих веществ через мембрану. Например, скорость переноса глюкозы через мембрану эритроцита с участием переносчика в 10 000 раз больше, чем без него. Из-за этого транспорт с участием переносчика иногда называют _ облегчённой диффузией. Если размеры комплекса "переносчик-субстрат" сравнимы с толщиной мембраны, вероятность проникновения путём латерально й диффузии становится слишком малой. В этом случае перенос может осуществляться за счёт конформационной перестройки белка-переносчика ., при которой молекла субстрата перемещается с одной стороны мембраны на другую.Возможен и поворот (ротация) молекулы переносчика внутри мембраны. Впрочем, надо признаться, что химическая природа большинства переносчиков и механизм их работы изучены ещё недостаточно. Одним из характерных свойств переносчиков является их специфичность . В некоторых случаях эта специфичность абсолютная , тоесть данный переносчик транспортирует через мембрану _ только одно определённое вещество .. Например, для каждой аминокислоты существует,повидимому,свой специфический переносчик (для L-аминокислот; для D-аминокислот переносчиков нет, то есть они практически не поступают в клетки). В других случаях специфичность не столь строгая; так, все моносахариды транспортируются одним и тем же переносчиком (хотя с разной вероятностью; см. далее). Деятельность переносчиков имеет много общего с работой ферментов.В частности, и в одном и в другом случае в основе процесса лежит _образование комплекса субстрата с белком .. Другим элементом сходства является то, что переносчики, как и ферменты, могут находиться как в активном, так и в неактивном состояниях. . Легко понять, что проницаемость мембраны для субстрата прямо пропорциональна числу активных 0молекул переносчика. . Активация переносчика может вызываться различными факторами: химическим составом и рН цитоплазмы, разностью потенциалов на мембране, концентрацией субстрата и т.д. Во многих случаях активация переносчика вызы вается ионами натрия (например, при транспорте сахаров через стенку кишечника). Многообразием способов активации объясняется большая гибкость системы транспорта, её способность чутко подстраиваться к состоянию клетки и её потребностям в данный момент.
Формула Михаэлиса-Ментен
В случае транспорта с переносчиком формула Фика не вполне точно отражает ход процесса. В частности, для транспорта с переносчиком характерно явление насыщения .. Смысл его достаточно прост. Число молекул преносчика для каждого конкретного вещества не может быть большим (им просто негде было бы поместиться на мембране). При малой разности кон центраций субстрата вне и внутри клетки 7 D 0С ( 7D 0С = С 4i 0 - С 4e 0) в переносе участвует мало молекул переносчика, и скорость переноса мала. По мере роста 7 D 0С в работу включаются всё новые молекулы переносчика, и скорость переноса растёт. В этой области концентраций уравнение Фика соблюдается, то есть скорость переноса прямо пропорциональна 7 D 0С. Однако, когда все молекулы переносчика будут участвовать в переносе , дальнейшее увеличение скорости транспорта становится невозможным - наступает
насыщение Математически эти рассуждения отображаются формулой Михаэлиса-Ментен .:
C e
I = Imax ---------- (4)
K + C e
где I- скорость переноса (I = dm/dt), I max – максимальная скорость переноса при насыщении, К - константа, отражающая сродство переносчика к субстрату (точнее, не К, а 1/К, то есть, чем К меньше, тем сродство больше , другими словами, больше вероятность образования комплекса субстрат-переносчик ). Например, среди моносахаридов коэффициент К самый малый у глюкозы и галактозы, которые отличаются наибольшим сродством к переносчику. Поэтому из смеси сахаров в первую очередь будут транспортироваться в клетки два эти вещества (являющиеся наиболее ценными в энергетическом отношении). Другим примером может служить дозировка лекарственных веществ. Если, желая ускорить действие лекарственного препарата, мы повышаем его дозу, то далеко не всегда будет достигнут желаемый эффект. Из-за насыщения скорость поступления лекарства в клетки может почти не измениться несмотря на значительное повышение концентрации препарата в крови и в межклеточной жидкости
Благопрнятный градиент
В некоторых случаях скорость переноса может зависеть не только отсвойств мембраны, но и от процессов, происходящих в цитоплазме. Рассмотрим, например, транспорт глюкозы в мышечное волокно. Пока волокно находится в покое, затраты энергии невелики, и потребность в глюкозе небольшая. Поэтому поступающая в волокно глюкоза будет накапливаться в цитоплазме, то есть концентрация её там станет повышаться. Но тогда уменьшится разность концентраций , и транспорт замедлится; в конце концов скорость транспорта будет очень малой. Когда волокно начнёт работать, глюкоза станет интенсивно расходоваться на синтез АТФ, и её концентрация в клетке значительно уменьшится. Но тогда возрастёт разность концентраций между межклеточной средой и цитоплазмой; возрастёт и скорость транспорта. Можно сказать, что таким образом осуществляется автоматическое регулирование . скорости транспорта в соответствии с потребностями клетки. В подобных случаях говорят о создании благоприятного градиента . концентрации. Аналогичная ситуация имеет место при транспорте кислорода в клетки и во многих других случаях.