Диффузия мелких молекул через фосфолипидный бислой

Мембрана ограничивает клетку и, соответственно, отвечает за организацию ее снабжения.

Искусственная мембрана, состоящая только из фосфолипидов и холестерола, проницаема для газов и мелких незаряженных молекул (мочевина, этанол). Эти молекулы перемещаются и через клеточную мембрану без помощи транспортных белков - путем пассивной диффузии, без затрат энергии, поскольку перемещение идет по градиенту.

Клетка – элементарная единица всего живого. Асимметрия – принцип организации живого. Мембранное разграничение.

Клетка – открытая система. Транспорт веществ через мембраны – необходимое условие существования жизни. Транспорт – не только поток питательных веществ, но и генерация нервных импульсов и др.

Мембранные транспортные белки

Существует три главных типа транспортных белков и, соответственно, три типа транспорта с помощью мембранных структур. Все транспортные белки – интегральные, с очень высокой специфичностью.

1. АТФ-зависимый транспорт – использование энергии гидролиза АТФ. Перемещение мелких молекул через мембрану против химического или электрического градиента. Это – активный транспорт. Он представляет собой пример сопряженных реакций: в одной перемещаются молекулы и она идет с потреблением энергии, в другой – идет гидролиз АТФ и высвобождается энергия. Это – насосы, поддерживающие низкие концентрации ионов (Ca²⁺) и (Na⁺) внутри практически всех животных клеток. Такие насосы также генерируют низкий уровень рН в лизосомах и вакуолях.

2. Канальцы. Эти белки обеспечивают транспорт воды и ионов по градиенту или электрическому потенциалу. Они образуют белковый путь через мембрану, обеспечивающий очень быстрый одновременный транспорт воды и ионов – до 10⁸ в секунду. Обычно каналы закрыты и открываются в ответ на специфический сигнал. Открытым является канал, переносящий ионы К.

3. Белки-переносчики. В отличие от каналов связывают и переносят только одну (или несколько) молекул одновременно. Переносчики после связывания молекулы испытывают конформационные изменения, обеспечивающие перемещение молекул. Из-за этого скорость переноса невелика – около 10² – 10⁴ молекул в сек.

Три типа переносчиков:

Uniporters переносит одну молекулу за один раз по градиенту (глюкоза и АК в клетку).

antiporters и symporters обеспечивают сопряжение переноса одного типа молекул по градиенту, а другого – против градиента. Т.е. сочетается два типа реакций – с выделением и потреблением энергии. Но без гидролиза АТФ. Правильнее их называть cotransporters.

Для изучения разных типов транспорта широко используют липосомы.

Активный транспорт - это такой процесс, при котором молекулы переносятся из места с меньшим значением электрохимического потенциала к месту с большим его значением. Этот процесс, сопровождающийся расходом энергии, не может идти самопроизвольно, а только в сопряжении с процессом гидролиза АТФ, то есть за счет затраты энергии, запасенной в макроэргических связях АТФ.

Ионный состав межклеточной среды близок ионному составу морской воды - первичной среды, в которой, вероятно, возникла жизнь. Ионный состав живых клеток отличается от ионного состава окружающей среды и наиболее существенным отличием является асимметричное распределение ионов натрия и калия: клетки активно накапливают калий и выбрасывают в окружающую среду натрий.

Почему именно натрий и калий были выбраны природой для создания ионной асимметрии? Видимо, из-за того, что их везде много. Но почему клетка концентрирует калий и выбрасывает натрий, а не наоборот? Наиболее простой ответ: чтобы создать среду с противоположным (асимметричным) ионным составом относительно внешней среды, которой для первичных организмов являлась морская вода. В воде натрия намного больше, чем калия. Чтобы накопить натрия больше, чем в морской воде и создать электрохимический потенциал, концентрация его в клетке должна была бы быть несколько молей на литр, для калия же эта величина составляет всего 0,10-0,12 моля на 1 л. При этом создается трансмембранный потенциал клетки величиной 90-120 мВ и создается асимметрия среды.

Концентрация К внутри гигантского аксона кальмара 400 мМ, а снаружи – 20 мМ. Натрия – 50 мМ внутри, и 440 мМ снаружи. Эти же концентрации в клетках млекопитающих – 140 и 5, 5-15 и 145, соответственно.

Натрий и калий в ионизированном состоянии не отличаются друг от друга по заряду, но существенно отличаются по величине температуры, выше которой разрешена их гидратация. Для натрия она составляет + 20оС, а для калия + 70оС. Таким образом, в диапазоне температур выше + 20оС, натрий легко взаимодействует с молекулами воды, образуя гидратную оболочку, а калий отталкивает воду и потому лишен гидратной оболочки. Таким образом, ион калия по своим свойствам является более гидрофобным, чем ион натрия. Количественно различия между ионами могут быть выражены энергией гидратации, которая при комнатной температуре составляет для натрия +1,03 кДж/моль, а для калия -1,05 кДж/моль. Могут ли биологические молекулы использовать этот параметр для отбора и распознавания ионов?

Липиды хорошо различают Na+ и K+, вероятно, именно благодаря различиям в их гидрофобности. Скорость диффузии через мембраны липосом в 3-7 раз выше для калия, чем для натрия (в зависимости от состава липидов, ионной силы и других условий). Таким образом, "неживые" липосомы способны создавать градиент одновалентных ионов на своей мембране, похожий на тот, что создается живыми клетками.

Нуклеиновые кислоты тоже реагируют на изменение ионного состава среды. Так, ионы натрия влияют на упаковку и взаимодействие нуклеотидов в двойной спирали, а ионы калия регулируют прочность контактов между рибосомами и и-РНК.

Белковые молекулы способны различать натрий и калий в водных растворах. Интенсивность многих ферментативных процессов в клетке зависит от ионов натрия и калия: в большинстве случаев калий является активатором, а натрий - ингибитором. Исключение составляют процессы синтеза липидов, активируемые натрием. Повреждение клеточной мембраны и увеличение соотношения Na / K в клетке ускоряют образование липидов, необходимых для репарации мембраны.

Природа создала специальный механизм для переноса калия и натрия против электрохимического градиента. Это - Na⁺/K⁺ -АТФаза - фермент клеточной мембраны животных, который избирательно выкачивает из клетки ионы натрия и аккумулирует в ней ионы калия, используя для этой работы энергию АТФ. Создаваемая ферментом разница концентраций катионов используется для ключевых реакций жизнедеятельности - генерации возбуждения, водно-солевого обмена, а также для регуляции клеточного метаболизма.

Na/K-ATФаза - сложный белок, встроенный в наружную мембрану клетки и имеющий центры связывания для ионов натрия и калия, а также активный центр, где осуществляются связывание и гидролиз АТФ.

Гидролизуя АТФ, чтобы обеспечить энергией активный транспорт ионов, Na / K-ATФаза осуществляет сложную многостадийную реакцию, в которой участвуют ионы натрия, калия и магния, а также АТФ.

Цикл работы Na / K-ATФазы

Начинается гидролитический цикл с взаимодействия белка с ионами натрия. "Натриевая" конформация фермента (или Na-конформер) – E1. Конформация, обладающая высоким сродством к калию, обозначается как Е2 (К-конформер).

1. Когда фермент находится в состоянии Е1, он связывает 3 иона натрия и AТФ с внутренней стороны мембраны. Происходит фосфорилирование молекулы фермента, АДФ высвобождается и возвращается в цитоплазму.

2. Фосфорилированный белок переходит в состояние, при котором ионы натрия не способны высвобождаться ни по внутреннюю, ни по внешнюю стороны мембраны - они недоступны для обмена, окклюдированы.

3. Активация фермента ионами магния. Специальных центров связывания магния на молекуле фермента не обнаружено. Однако, ионы магния ускоряют переход фосфорилированного фермента из конформации Е1 в конформацию Е2. Эта стадия отражает молекулярные перемещения отдельных частей белковой глобулы, связанные с непосредственным переносом ионов натрия через мембрану Na / K-насосом. Таким образом, перенос натрия через мембрану осуществляется синхронно с конформационным переходом Е1 в Е2 . Вследствие этого конформационного перехода центр связывания ионов становится более гидрофобным, и ионы натрия диссоциируют от фермента по другую сторону мембраны, где с этим же центром связываются ионы калия.

4. Калий подвергается такой же окклюзии, что и натрий, в ходе этого процесса осуществляется перенос ионов калия через мембрану.

5. Комплекс Е2Р отличается от своего предшественника тем, что окружение фосфатной группировки становится более гидрофильным. Фосфат оказывается доступным для атаки молекулой воды. Происходят водный гидролиз фосфофермента (дефосфорилирование) и высвобождение неорганического фосфата во внутриклеточную среду.

6. После этого ионы калия диссоциируют от центра связывания, высвобождаясь в цитоплазму. Их место занимает натрий. Последняя стадия цикла одновременно подготавливает фермент для начала нового цикла - конформер Е2 превращается в конформер Е1. Этот процесс ускоряется АТФ, повышающим сродство фермента к натрию и понижающим его сродство к калию.

Так происходит активный транспорт ионов натрия из клетки и калия в клетку, а энергия АТФ тратится на оплату перехода фермента из одной конформации в другую. Перенос ионов натрия и калия осуществляется одним и тем же ионным центром фермента, последовательно изменяющим свое сродство к переносимым ионам при изменении конформации Na / K-АТФазы.

Ионные центры расположены в петле между 2-м и 3-м альфа-спиральными участками фермента, пересекающими мембрану. Взаимодействие ионов с этими центрами обеспечивается координационными связями аминокислот с атомами кислорода. Кислород способен осуществлять координационные взаимодействия с лигандами, образуя решетку двух типов. В одном случае получается рыхлая и доступная для молекул воды структура, а в другом атомы упакованы более плотно. В первом случае ионный центр может связать три иона натрия, а во втором - два иона калия. Этим и объясняется тот факт, что при гидролизе одной молекулы ATФ фермент обменивает три иона натрия на два иона калия.

В мембранах клеток Na / K-ATФаза образует ансамбли из нескольких функциональных единиц, называемые «олигомерами». Если допустить, что каждая функциональная единица Na / K-ATФазы представляет собой пронизывающий мембрану цилиндр, то в состав белкового олигомера входят четыре таких цилиндра (протомера).

Сопоставление скоростей реакции, катализируемой ферментом, работающим в виде олигомерного ансамбля или в виде независимых протомеров, показывает, что, объединяясь в ансамбли, молекулы фермента увеличивают скорость функционирования. В этом и заключается биологическое значение олигомерной структуры фермента.