Проницаемость клеток для неэлектролитов

Изучение проницаемости клеток для неэлектролитов сыграло важную роль в выяснении закономерностей прохождения веществ через клеточную мембрану, ее состава, строения и физико-химических свойств.

Исследования Е. Овертона (1902) и позднее Р. Колландера и X. Берлюнда (1933, 1954), результаты которых подтверждены И.М. Даймондом и Е.М. Райтон (1969), показали, что скорость проникновения в клетки широкого круга неэлектролитов определяется их гидрофобностью: чем гидрофобность выше, тем больше скорость их проникновения в клетку. Эти результаты являются одним из важнейших аргументов, доказывающих наличие на поверхности клеток барьера липидной природы.

Однако такие неэлектролиты, как мочевина и ее производные, амиды, этиленгликоль, глицерин и другие спирты, обладающие резко выраженными гидрофильными свойствами, как правило, с большой скоростью проникают в клетки, так же, как и молекулы воды. Эти данные привели к выводу, что липидная мембрана имеет поры, или гидрофильные участки, молекулярного размера (0,8 нм), обеспечивающие диффузию в клетку гидрофильных неэлектролитов. Чем меньше размер молекул этих веществ, тем они быстрее поступают в клетку. Гидрофильные неэлектролиты, радиус молекул которых больше 0,4 нм, практически не проникают в клетки, например полисахарид инулин. Известно, однако, что некоторые гидрофильные неэлектролиты, имеющие такую же величину молекул, все-таки поступают в клетки. Теперь доказано, что в этом случае действует специфическая транспортная система, обеспечивающая перенос неэлектролитов через мембрану.

Наиболее полно из всех неэлектролитов изучена транспортная система сахаров. В эпителиальных клетках кишечника и почечных канальцах транспорт некоторых сахаров является активным, так как совершается против градиента концентрации и требует затраты энергии. Поступление сахаров в клетки из просвета кишечника (всасывание) и почечных канальцев (реабсорбция) совершается через апикальную мембрану, выход сахаров из этих клеток в лимфу и кровь протекает пассивно по градиенту концентрации через базальную и латеральные мембраны. Имеются данные, свидетельствующие о взаимной связи потоков сахара и натрия в этих клетках, на основании чего полагают, что энергия натриевого градиента используется для активного транспорта сахара (сахар транспортируется вместе с Na+, поступающим в клетку по градиенту концентрации). Ингибиторы обмена подавляют активный транспорт сахара внутрь этих клеток.

В эритроцитах, жировых, нервных и мышечных клетках транспорт сахаров является пассивным, так как происходит по градиенту концентрации и идет до тех пор, пока концентрации сахара в воде среды и клетки не выровняются (с учетом более низкой растворимости сахара в воде протоплазмы).

Веским доказательством наличия транспортной системы для сахаров служит тот факт, что поступление углеводов в клетки подчиняется правилу Михаэлиса-Ментен – с повышением концентрации сахара в среде начальный поток его внутрь (Vin) возрастает по прямо пропорционально, а стремится к пределу. Этот процесс подчиняется уравнению:

где С – концентрация сахара в среде; V_max, K_T – константы транспорта.

О наличии транспортной системы сахаров говорит также существование конкуренции между сахарами за поступление в клетку. В силу этого же возникает и явление так называемого противопотока сахара – при равновесном распределении одного сахара добавление в среду другого вызывает временный поток первого сахара из клетки в среду против градиента концентрации. Этот эффект возникает благодаря конкуренции за переносчики между двумя сахарами только с одной внешней стороны мембраны, что ведет к неравенству потоков первого сахара: поступление его внутрь клетки снижается, поток же наружу остается вначале без изменений.

В присутствии инсулина скорость транспорта сахаров значительно выше, чем без него. Инсулин повышает скорость поступления в клетки только тех сахаров, которые и без него проникают в клетки, но медленно. Стимулирующий эффект инсулина проявляется при концентрации около 10 мкед/мл и достигает максимума при 1000 мкед/мл. Такой же стимулирующий эффект на транспорт сахаров в мышечные волокна, как и инсулин, оказывают ингибиторы энергетического обмена – динитрофенол, азид натрия, моноиодацетат. Это явление рассматривается как компенсаторная реакция клетки. Ингибиторы обмена подобно инсулину не влияют на распределение непроникающих сахаров между клеткой и средой.

Повышение скорости транспорта сахаров наблюдается также при сокращении мышц, вызванном раздражением электрическим током, действием хлористого натрия и хлористого калия. Стимулирующий эффект этих факторов является, по-видимому, следствием повышения концентрации свободного кальция в миоплазме.

Флоретин и флорицин (глюкозиды, содержащиеся в коре яблони, груши, вишни) обратимо тормозят транспорт через мембрану клеток всех проникающих сахаров. Они полностью снимают стимулирующий эффект инсулина и ингибиторов обмена. Полагают, что эти ингибиторы транспорта конкурируют с сахарами, блокируя их переносчики. Тормозят транспорт сахаров также тиоловые яды и наркотики. Но это торможение неспецифическое, и в его основе не лежит конкуренция.

Транспортная система для сахаров развивается на определенных стадиях эмбриогенеза. Так, мышечная ткань эмбрионального сердца цыпленка до седьмого дня развития одинаково проницаема для различных стереоизомеров сахаров и не чувствительна к инсулину. В скелетных мышцах чувствительность к инсулину возникает в эмбриогенезе еще позднее.

Биологическое значение формирования специфических транспортных систем в клетках состоит, вероятно, в обеспечении тонкой регуляции проницаемости клеток, которая вряд ли могла быть достигнута путем растворимости веществ в мембране или их прохождения через водные поры мембраны.

В разных клетках скорости утилизации сахара различны. Так, в мышечных волокнах скорость фосфорилирования выше, чем скорость транспорта. Поэтому в условиях равновесия глюкозы в мышечных клетках содержится меньше, чем в среде (Q < 1). Обратное соотношение наблюдается в эритроцитах человека и в клетках печени, так как поступление глюкозы происходит с большей скоростью, чем ее утилизация. В связи с этим концентрация глюкозы в этих клетках в стационарных условиях равна ее концентрации в плазме крови (Q = 1).

Коэффициент распределения зависит также от количества сахара в среде. При малых концентрациях сахара в среде его концентрация в клетках больше, а при больших, наоборот, в клетках меньше, чем в среде. При больших концентрациях сахара в среде содержание его в клетке обусловлено в основном пониженной растворимостью в воде протоплазмы, а при малых концентрациях на первое место выступает адсорбция (поглощение), которая может обеспечить значительный перевес в содержании неэлектролита в клетке над содержанием в окружающей жидкости.

Микроорганизмы обладают способностью аккумулировать проникающие сахара из растворов с очень низкой их концентрацией, так что коэффициент распределения сахара (Q) может достигать десятков тысяч. Это объясняется, видимо, тем, что в мембранах бактерий имеются специфические белки, обладающие большим родством к сахарам, так называемые транспортные белки. Однако не все сахара и не всеми микроорганизмами могут транспортироваться против градиента концентрации. В некоторых случаях наблюдается пассивный транспорт или полное отсутствие транспорта внутри клеток. Транспортная система микроорганизмов для сахаров обладает строгой специфичностью.