Простая диффузия. Облегченная диффузия и активный транспорт
Жизнедеятельность клетки зависит от непрерывного проникновения внутрь клетки и выхода из нее разнообразных веществ. Поступают в клетку для удовлетворения потребностей, связанных с ростом и производством энергии сахара, аминокислоты и другие питательные вещества, а удаляются продукты обмена. Кроме того, ионный состав цитоплазмы очень отличается от ионного состава внеклеточной среды и для поддержания такого различия необходим постоянный трансмембранный перенос ионов. Различают пассивный (т.е. не энергозависимый) и активный транспорт. Пассивный транспорт вещества или ионов происходит только в сторону их меньшей концентрации (диффузия) и осуществляется путем простой диффузии через липидный бислой, диффузии через мембранные каналы и облегченной диффузии.
Простая диффузия через липидный бислой или каналы в мембране и облегченная диффузия - это пассивные процессы, в которых используется только потенциальная энергия, запасенная в форме разности концентраций вещества на противоположных сторонах мембраны. В ходе диффузии концентрация вещества в двух компартментах стремится к равновесному значению, и по достижении равновесия суммарный диффузионный поток становится равным нулю, хотя равные по величине и противоположные по направлению потоки по-прежнему существуют.
В случае простой диффузии через липидный бислой молекула растворенного вещества, может погрузиться в липидную фазу в силу теплового движения и пересечь мембрану, оказавшись по ее другую сторону. При этом, в соответствии с законами диффузии, подвижность нейтральных молекул (неэлектролитов) внутри мембраны снижается при увеличении размера их молекул и увеличении вязкости мембраны. Чтобы перейти из водной фазы в липидную, растворенная в воде молекула должна сначала разорвать все водородные связи с водой. На это нужно затратить энергии около 5 ккал на моль водородных связей. Далее молекула должна раствориться в липидном бислое. Количественным параметром, определяющим скорость диффузии неэлектролита через липидный бислой (следовательно и транспорт в клетку), является коэффициент распределения между липидной и водной фазами (К), равный отношению концентрации данного вещества в липидной фазе (например, оливковом масле) к его концентрации в воде. Величина К определяется экспериментально для каждого конкретного вещества. Спектр коэффициентов распределения для неэлектролитов весьма широк и различается на несколько порядков. Например, для трехатомного спирта глицерина этот коэффициент в 1000 раз меньше, чем для уретана. Плохая жирорастворимость глицерина, обусловлена наличием в его молекуле трех гидроксильных групп, образующих водородные связи с водой, а образование одной водородной связи приводит к уменьшению величины коэффициента распределения примерно в 40 раз.
Простая диффузия через липидный бислой характеризуется кинетикой без насыщения т.е. скорость переноса вещества монотонно увеличивается при увеличении его концентрации во внеклеточной жидкости. Эта пропорциональность между концентрацией и скоростью проникновения вещества в клетку, сохраняющаяся во всем диапазоне практически возможных концентраций отличает простую диффузию от облегченной диффузии.
Облегченная диффузия. При транспорте некоторых веществ в клетку наблюдается кинетика с насыщением, т.е. крутизна графика зависимости скорости поступления вещества в клетку от его внеклеточной концентрации все время снижается, а при достижении определенной концентрации выходит на плато, и дальнейшее увеличение концентрации не приводит к росту поступления вещества в клетку. Этот эффект обусловлен тем, что транспорт такого вещества (как правило гидрофильного, или иона) по градиенту концентрации через мембрану затруднен и осуществляется только после соединения с молекулой специального переносчика. Скорость такой облегченной диффузии достигает максимума, когда все молекулы переносчика заняты переносимым веществом. Концентрация переносимого вещества, при которой скорость его транспорта через мембрану составляет половину максимальной, характеризует специфичность молекулы переносчика по отношению к переносимому веществу и называется константой связывания. Чем меньше значение константы связывания, тем выше сродство молекулы переносчика и молекулы переносимого вещества. Например, константа связывания молекулы глюкозы с переносчиком на мембране эритроцитов равна 6,2 мМ. В тоже время, константа связывания этого переносчика с фруктозой, другим моносахаридом, близким по структуре к глюкозе, характеризуется константой связывания 2000 мМ. Поэтому, при концентрации в крови 5,5 мМ, глюкоза достаточно эффективно транспортируется в эритроциты, тогда как фруктоза в клетки с помощью данного переносчика практически не проникает.
Транспорт вещества в клетку с помощью молекул–переносчиков включает следующие этапы:
· распознавание - специфическое связывание переносчика с молекулой переносимого в клетку вещества и образование комплекса переносчика и транспортируемой молекулы;
· транслокация - перемещение образовавшегося комплекса от внешней стороны мембраны к внутренней;
· высвобождение молекулы переносимого вещества из комплекса с молекулой переносчиком в цитозоль;
· восстановление - переносчик возвращается на внешнюю сторону мембраны.
Переносчики это белковые молекулы, которые в отличие от других белков - ферментов не способны катализировать протекание биохимических реакций. Тем не мене переносчики и ферменты имеют ряд общих свойств:
· способность специфически связывать определенные вещества и эта способность количественно характеризуется константой связывания;
· их функции могут ингибироваться специфическими ингибиторами.
Транспорт, при котором переносчик в результате одного транспортного цикла переносит через мембрану одну молекулу вещества получил название унипорт. Примером такого транспорта является перенос глюкозы в эритроциты. Если переносчик переносит через мембрану одновременно две молекулы имеет место симпорт. При симпорте через мембрану одновременно могут перемещаться как две одинаковые молекулы, так и молекулы двух различных веществ. Транспорт глюкозы и аминокислот в клетки эпителия кишечника зависит от ионов натрия. При этом константа связывания глюкозы снижается до 3 мМ. Наконец транспорт называется антипорт если при движении переносчика от внешней стороны мембраны к внутренней переносится молекула одного вещества, а при движении в противоположном направлении переносится молекула другого вещества.
Диффузия через мембранные каналы. Ещеодин механизм, обеспечивающий возможность гидрофильным молекулам и неорганическим ионам Na+, K+, Cl-проходить через липидный бислой, заключается в их трансмембранной диффузии по специальным заполненным водой каналам. Мембранные каналы находятся внутри так называемых каналообразующих белков, пронизывающих насквозь клеточную мембрану. О существовании таких каналов свидетельствуют результаты исследования искусственных липидных бислойных мембран. Эти мембраны имеют очень низкую проницаемость для неорганических ионов и воды, однако, при добавлении к ним небольшого количества каналообразующих белков, экстрагированных из клеточных мембран, наблюдается существенное увеличение ионной проницаемости. Она становится близкой к проницаемости природных клеточных мембран. Диаметр таких каналов составляет не более 0,7-1,0 нм. Для обеспечения необходимого потока ионов в клетку, достаточно, чтобы на долю водных каналов приходилось лишь очень малая часть площади мембраны.
Некоторые вещества (ионофоры) сами способны создавать каналы в липидном бислое. К ионофорам относится антибиотик нистатин, его молекулы образуют каналы в мембранах. Через эти каналы могут проходить нейтральные молекулы и анионы, чей диаметр не превышает 0,4 нм: вода, мочевина, ионы хлора. Катионы проходить через эти каналы не могут - прежде всего, потому, что вдоль стенок канала находятся фиксированные положительные заряды. Показано, что включение нистатина в искусственные мембраны, приводящее к увеличению их площади всего на 0,001 - 0,01%, приводит к 100000-кратному увеличению мембранной проницаемости для ионов хлора. Ионофорные антибиотики грамицидин и валиномицин стимулируют поступление в через мембраны ионов К+. Эти антибиотики имеют форму «бублика». Транспортируемый ион располагается в дырке бублика, от размеров которой зависит способность связывать ионы определенных щелочных металлов. Например, для валиномицина характерна очень высокая избирательность для К+ по сравнению с Na+ (в 10000 раз).
Долгое время считали, что проницаемость мембран для воды обусловлена диффузией ее молекул через липидный бислой. Однако, было обнаружено, что соединения ртути ингибируют этот транспорт, инактивируя какие-то белки. В настоящее время установлено, что быстрый транспорт воды через биологические мембраны обеспечивают мембранные каналы – специальные белки аквапорины. Эти белки обнаружены у всех живых организмов, хотя открыты были всего 10 лет назад. Аквапорины в высшей степени селективны для воды, не пропускают даже ион гидроксония Н3О+. Обнаружен особый класс аквапоринов, переносящих в клетку глицерин – акваглицеропорины. Физиологическая роль аквапоринов особенно наглядна в почках, где благодаря им в собирательных трубках нефронов ежедневно реабсорбируется около 200 л воды. Аквапорины снижают энергию активации трансмембранного перехода Н2О с 14 до 4 ккал/М.
Активный транспорт. В живых клетках одни из растворенных веществ и ионов находятся в концентрации значительно большей, чем в окружающей среде, тогда как внутриклеточная концентрация других вещества и ионы, напротив, меньше внеклеточной. Эта неравновесная трансмембранная разность концентраций поддерживается благодаря активным процессам, которые постоянно потребляют химическую энергию, запасенную в молекулах органических фосфагенов, главным образом АТФ. Системы, с помощью которых осуществляется активный транспорт веществ против их концентрационного градиента, обобщенно называют мембранными насосами. Известны протонная помпа, кальциевый и натриевый насосы, которые поддерживают неравновесное распределение ионов Н+, Na+, K+, Ca2+ на клеточных мембранах. Если с помощью определенных веществ (ингибиторов) выключить такой насос, то активный транспорт прекратится, распределение вещества, для которого мембрана проницаема, начнет определяться пассивной диффузией и концентрация вещества по обе стороны плазматической мембраны постепенно сместится к равновесному состоянию.
Активный транспорт имеет следующие основные особенности.
1. Транспорт осуществляется против концентрационного градиента. Например, натриевый насос, перекачивающий ион Na+из клетки во внеклеточную среду, обеспечивает соотношение концентраций Na+в клетке и во внеклеточной жидкости 1 к 15.
2. Для активного транспорта необходима АТФ или другие источники химической энергии, гидролиз которые осуществляется АТФазами присутствующими в мембране. Метаболические яды, подавляющие синтез АТФ, замедляют и активный транспорт.
3. Большинство мембранных насосов в высшей степени специфичны. Натриевый насос, например, не способен переносить ион лития, хотя по своим свойствам последний очень близок к натрию.
4. Некоторые мембранные насосы откачивают из клетки одну разновидность молекул или ионов и закачивают в противоположном направлении другую. Это свойство можно проиллюстрировать на примере натриевого насоса. Его рабочий цикл включает в себя обязательный обмен двух ионов калия, поступающих в клетку из внеклеточной среды на три иона натрия переносимых в обратном направлении. Если удалить из внеклеточного пространства ионы калия, то и ионы натрия не будут выводиться из клетки. Протонный насос обеспечивает секрецию соляной кислоты в желудке, выполняет Н+, К+-АТФаза
5. Активный транспорт может избирательно подавляться блокирующими агентами. Сердечный гликозид уабаин, введенный во внеклеточную среду, блокирует калий-натриевый насос, препятствуя связыванию ионов калия с соответствующим участком ионного насоса.
6. Некоторые мембранные насосы выполняют электрическую работу, осуществляя суммарный перенос заряда. Например, натриевый насос, производящий обмен трех ионов натрия на два иона калия, осуществляет суммарное выведение одного положительного заряда.
Эндоцитоз. Транспорт в клетки белков, полисахаридов и других макромолекул осуществляется путем эндоцитоза, который будет рассмотрен в лекции 6.
Два явления осмос и мембранный потенциал, возникающие вследствие разделения растворов избирательно (селективно) проницаемыми мембранами, играют важную физиологическую роль в растительных и животных организмах.