Перенос веществ через мембраны

Избирательная проницаемость реализуется путем пассивного транспорта (без затрат энергии) и активного (с затратой энергии). Существуют два вида пассивного транспорта: диффузия и облегченная диффузия.Путем диффузии осуществляются движения молекул газов (О₂, СО_2, N₂) и воды в обоих направлениях по градиенту концентрации или электрохимическому градиенту. Облегченная диффузия является специфическим видом транспорта. Она осуществляется с участием компонентов мембраны (белки-переносчики, каналы).

Существуют многочисленные белки-переносчики и ионные каналы. Хорошим примером может служить белок-переносчик, обеспечивающий двунаправленное (из клетки и в клетку) движение анионов (Cl^- и HCO^-₃) через эритроцитарную мембрану. Перенос глюкозы в клетку также осуществляют интегральные гликопротеины. Гормон инсулин мобилизует перемещение этих белков-переносчиков из цитоплазмы в плазматическую мембрану, при этом ускоряется транспорт глюкозы в клетку. Известно не менее шести кодируемых генами ГЛУТ (GLUT) трансмембранных переносчиков глюкозы из внеклеточной среды. Такие переносчики находятся в нервной ткани, в эпителии кишечника, эпителии канальцев почек, сперматозоидах и др. Точечная мутация гена ГЛУТ2 является причиной инсулиннезависимого сахарного диабета.

Транспорт аминокислот также осуществляется с помощью белков-переносчиков. Несколько мутаций гена SLC3А1, кодирующего транспортный белок-переносчик цистеина, сопровождается избыточной секрецией этой плохо растворимой аминокислоты и проводит к образованию камней в почках. Известно не менее десятка переносчиков различных аминокислот.

Обратное всасывание фосфатов происходит в проксимальных канальцах нефрона при помощи двух кодируемых генами NPТ2 переносчиков. Дефекты этих генов являются причиной некоторых болезней, в том числе рахита, который невозможно вылечить витамином Д.

Важными элементами в системе пассивного транспорта являются регулируемые поры, обычно именуемые ионными каналами. Ионные каналы состоят из нескольких связанных белковых субъединиц, формирующих в мембране небольшую пору. Через пору по электрохимическому градиенту проходят ионы Na⁺,K⁺,Ca²⁺,Cl^-. Калиевые каналы – интегральные мембранные белки, обнаружены в плазматической мембране всех клеток. Эти каналы участвуют в поддержании мембранного потенциала, регуляции объема клетки и др. Калиевый канал регулирует в β-клетках островков Лангерганса секрецию инсулина в ответ на повышение содержания глюкозы в крови.

Натриевые каналы присутствуют практически в любой клетке. В возбудимых структурах (скелетные мышечные волокна, нейроны, кардиомиоциты) натриевые каналы генерируют потенциал действия. Это плазмалемма нервных клеток, кардиомиоцитов и мышечных волокон, сперматозоидов, чувствительных клеток органов чувств. Натриевые каналы открываются только при возбуждении. (В сетчатке глаза Na^+-каналы при возбуждении закрываются, тогда, как в покое открыты). Через открывающиеся Na⁺ каналы ионы Na⁺ устремляются внутрь клетки по градиенту концентрации и заряда. При этом происходит снижение трансмембранного потенциала с –75мВ до +30мВ. Возникновение положительной разности потенциалов (деполяризация) индуцирует закрытие Na^+-каналов. Таким образом, Na^+-каналы являются важнейшими структурами в развитии таких процессов, как возбуждение мембраны (вне синапса) и проведение возбуждения по мембране.

На функцию Na^+-каналов влияют ионы Са⁺⁺: чем выше их внеклеточная концентрация, тем трудней открываются Na⁺ каналы. В итоге ионы Са⁺⁺ уменьшают возбудимость мембраны. При гипокальцемии (которая может возникать при удалении паращитовидных желез) в нервных и мышечных тканях значительно повышается возбудимость мембран. Функцию натриевых каналов могут блокировать многие агенты: местные обезболивающие вещества, противосудорожные препараты, токсины, и мн.др.

Антагонистами натриевых каналов (блокирующих их функцию) являются такие яды как тетродотоксин, батрахотоксин. Батрахотоксин (полулетальная доза + 2мг/кг) выделен из кожных желез маленькой (2-3см) колумбийской древесной лягушки. Индейцы ядом из этих лягушек смазывали наконечники стрел. Раньше батрахотоксин считался «самым сильным» небелковым ядом в природе. Сейчас он переместился с первого места на четвертое.

Тетродотоксин – один из самых знаменитых животных ядов. Он содержится в коже и яйцах некоторых жаб, в яйцах калифорнийского тритона, в слюнных железах осьминога. Но наибольшую известность ему принесла рыба фугу, у которой яд содержится в яичниках и печени. Для тетродотоксина полулетальная доза 10мкг/кг (1мкг – миллионная доля грамма). Тетродотоксин относится к нейротропным ядам, которые блокируют проницаемость мембран нейронов вегетативной нервной системы для ионов натрия, что практически мгновенно прерывает нервный импульс.

Каналы водные (аквапорины)– семейство мембранных пор, предназначенные для облегченной диффузии воды. Молекулы воды способны пересекать липидный бислой плазматических мембран. Этому способствуют малые размеры молекулы воды и отсутствие у неё заряда. Однако в некоторых тканях (клетки почечных канальцев, секреторные эпителиальные клетки желез, например, слюнных, слезных и др.), где транспорт воды особенно интенсивен, простой диффузии воды недостаточно для нормального функционирования. В мембранах таких клеток присутствует особый белок – аквапорин, который обеспечивает свободное движение воды через мембрану. Известны 5 типов белков, формирующих водные каналы. Аквапорин 1 экспрессируется в эритроцитах, проксимальных извитых канальцах и петле Генле, тканях глаза; аквапорин 2 – формирует каналы в собирательных трубочках почки. Активность этого канала регулирует антидиуретический гормон (АДГ), увеличивая реабсорбцию воды из просвета трубочек в межклеточное пространство. Нефрогенный несахарный диабет – следствие мутации гена (АQP 2, 107777, 12 q 13) аквапорина 2. Аквапорин 3 – образует водные каналы в печени поджелудочной железе, кишечнике, селезенке, простате; аквапорин 4 – экспрессируется в клетках сосудистого сплетения мозга (этот канал является осморецептором); аквапорин 5 – транспортирует воду в слезных и слюнных железах.

Мембранные каналы для молекулы воды впервые выделил в 1988г. американец Питер Эгр из университета Джона Хопкинса (Балтимор). За исследование белков, служащих каналами для воды и ионов калия, Питер Эгр и Родерик Мак-Киннон удостоены в 2003г. Нобелевской премии.