Транспорт речовин через біологічні мембрани

1. ОСНОВНІ ФАКТИ  Про БУДОВУ КЛІТИННОЇ МЕМБРАНЫ

Плазматична мембранна  оточує кожну клітину, визначає воно і відданість забезпечує збереження різниці між вмістом клітини, і довкіллям. Мембрана служить высокоизбирательным  фільтром й відповідає за активний транспорт речовин, тобто, сел- тупление у клітину поживних речовин та виведення назовні шкідливих  про- дуктов життєдіяльності. Нарешті, мембрана відповідальна за восп- риятие зовнішніх сигналів, дозволяє клітині  реагувати на зовнішні зміни. Усі  біологічні мембрани є ансамблі ліпідних і білкових молекул, утримуваних  разом із допомогою недо- валентных  взаимодействий.

1.1. Основу будь-який  молекулярної мембрани становлять  молекули ліпідів, їхнім виокремленням  бислой. До перших спроб, які  це підтверджують, б- чи проведено  1925 року. Формування бислоя є особливою  властивістю молекул ліпідів  й реалізується навіть поза  клітини (рис.

1.1.). Зазначені на  такій схемі структури реалізуються  самопроиз- вільно. Найважливіші  властивості бислоя:

- спроможність до  самосборке - плинність - ассиметричность.

1.2. Хоча основні  властивості біологічних мембран  определя- ются властивостями ліпідного  бислоя, та більшість спецефических  функцій забезпечується мембранными  білками. Бєлки виступають на  ка- честве рецепторів і ферментів.  З їхньою допомогою здійснюється  транс- порт через мембрану  багатьох речовин. Більшість їх  пронизыва- ют бислой як одиночній  альфа-спирали, але і такі, кото- рые перетинають його кілька  разів (рис. 1.2.). Деякі білки пов'язуються  з мембраною, не перетинаючи  бислой, а прикріпляючись до тій  чи іншій її боці. Їх називають  периферичними мембранными

- 2 -

білками. Чимало з  подібних перефирерических білків пов'язані  нековалентными взаємодіями з трансмембранными білками, але і такі, до- торые  мають ковалентну зв'язку з молекулами липидов.

Більшість мембранних білків, як і і ліпідів, спосіб- ны вільно переміщатися у площині мембрани. Власне кажучи, можливий перехід молекул  білків і ліпідів з одного боку мембра- ны в іншу, відомого як " флип-флоп " перескок, але происхо- дит набагато рідше, ніж латеральна дифузія (рис. 1.3.). Відомо, що одне молекула липида робить " флип-флоп " разів у два  тижні, тоді, як той самий молекула дифундує у площині ліпідного  шару за 1 секунду на відстань однакову довжині великий бактериаль- іншої  клетки.

1.3. На поверхні  всіх клітин є вуглеводи. Це  поли- сахаридные і олигосахаридные  ланцюга, ковалентно приєднані  до мембранным білкам і липидам.  Вуглеводи завжди распологаются  того боці мембрани, яка контактує  з цитозолем. Тобто, на зовнішніх  (плазматичних) мембранах вони приєднуються  зовні клетки.

Функція вуглеводів клітинної поверхні поки що невідомі, але представляється імовірним, що з них беруть участь у процесах міжклітинного узнавания.

2. ПЕРЕНЕСЕННЯ МАЛИХ  МОЛЕКУЛ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ

Оскільки внутрішня  частина ліпідного шару гидрофобна, він являє собою практично  непроникний бар'єр для большинс- тва полярних молекул. У результаті наявності цього бар'єра, предотв- ращается витік вмісту клітин, однак  через цього клітина б- ла змушена  створити спеціальні механізми для  транспорту раство- римых у питній воді речовин через мембрану. Перенесення  малих водораствори- мых молекул  здійснюється за допомогою спеціальних  транспортних білків. Це особливі трансмембранные  білки, кожен із яких отве- сподівається за транспорт певних молекул чи груп родинних мо- лекул. У клітинах є  й механізми перенесення через  мемб- рану макромолекул (білків) і навіть великих частинок. Але до них ми повернемося позднее.

- 3 -

2.1. При дослідах  з штучними липидными бислоями  було вус- тановлено, що менше  молекула і що менше вона  утворює у- огрядних зв'язків,  то швидше вона дифундирует  через мембрану (рис.

2.1.). Отже, що менше  молекула і що більш вона  жирорастворима

(гидрофобна чи  неполярна), то швидше вона проникати  через мембрану.

Малі неполярные молекули легко розчиняються і швидко диффун- дируют. Незаряджені полярні  молекули при невеликих розмірах також розчиняються і дифундують. Важливо, що вода нас дуже швидко проникає через ліпідний бислой як і раніше, що вона віднось- тельно нерастворима в жирах. Це наслідок те, що її молекула мала і електрично нейтральна. Отже, мембрани можуть пропускати води і  неполярные молекули з допомогою  простий диффузии.

Але клітині необхідно  забезпечити транспортування таких  ве- ществ як цукру, амінокислоти, нуклеотиди, і навіть багатьох інших полярних молекул.

Як мовилося раніше, за перенесення подібних речовин  відповідальні спеціальні мембранні  транспортні білки. Усі вони предназ- начен для певного класу молекул  котрий іноді для визначено- іншої  різновиду молекул. Перші докази спецефичности транспортних білків отримано, коли з'ясувалося, що мута- ции  щодо одного гені у бактерій призводять до втрату здатності транс- портировать  певні цукру через плазматическую мембрану. Людина є хвороба цистинурия, коли він відсутня спосіб- ность  транспортувати деякі амінокислоти, зокрема цис- тин, з сечі або кишечнику  до крові, - врешті на нирках обра- зуются цистиновые камни.

Усі вивчені транспортні  білки є трансмембранными білками, полипептидная ланцюг яких перетинає  ліпідний бислой кілька разів. Усі вони забезпечують перенесення молекул  через мембра- ну, формуючи у ній  наскрізні проходи. Здебільшого, транспортні  білки діляться на белки-переносчики  і каналообразующие білки. Пер- шиї  взаємодіють із молекулою стерпного  речовини і каким-ли- бо способом переміщають  її крізь мембрану. Каналообразующие біл- кі, навпаки, формують в мембрані водні пори, через которые

(що вони відкриті) можуть відбуватися речовини (зазвичай  неорганичес- киє іони підходящого  розміру й заряда).

- 4 -

2.2. Якщо молекула  не заряджено, то напрям її  дифузії визначається різницею  концентрацій по обидва боки  мембрани чи градієнтом концентрації. У той самий час на напрям  движе- ния зарядженої молекули  впливатиме що й різницю потенціалів  на сторони мемраны чи мембранний  потенціал (зазвичай внутрішня  сторона мембрани заряджено негативно  щодо наружной).

З огляду на концентраційний  і електричний градієнти Усі  каналооб- разующие білки, й багато белки-переносчики дозволяють розчиненим речовин проходити через мембрани лише пасивно, тобто, у бік електрохімічного градієнта. Такий вид транспорту називається пасивним (полегшена  дифузія), і вимагає витрат энергии.

2.3. Розглянемо докладніше  роботу білка переносника, обеспе- чивающего пасивний транспорт  речовин через клітинну мембрану.

Процес, з допомогою  якого белки-переносчики пов'язують і транс- портируют розчинені  молекули, нагадує ферментативну  реак- цию. У белках-переносчиках всіх типів є ділянки зв'язування для  транспортованої молекули. Коли білок  насичений, швидкість транспортування  максимальна. Зв'язування то, можливо  блокируемо як конкурентними інгібіторами, (конкуруючими за ж ділянку зв'язування), не конкурентними інгібіторами, связывающимися іншому місці і впливають на структуру  переносника. Молекулярний механізм роботи білків переносників доки відомий. Предполага- ется, що вони переносять молекули, зазнаючи оборотні конформа- ционные зміни, що дозволяють їх ділянкам зв'язування рас- покладатися поперемінно то, на однієї, то, на боці мембраны

(рис. 2.2.). На такій  схемі представлена модель, показує,  як конформаційні зміни у білці  міг би забезпечити облег- ченную  дифузію розчиненої речовини. Білок  переносник може полягати у  двох конформационных станах " пінг " і " понг " . Пере- хід  з-поміж них здійснюється випадково  й цілком обра- тім. Проте, ймовірність  зв'язування молекули транспортованого  речовини з білком значно вищий  може " пінг " . Тому молі- кул,  переміщених у клітину, буде  вулицю значно більше ніж тих,  що її залишать. Відбувається  транспорт речовини по электрохимическому  градиенту.

- 5 -

2.4. Деякі транспортні  білки просто переносять какое-ли- бо розчин з одного боку  мембрани в іншу. Та- дідька лисого  перенесення називається унипортом.  Інші білки є контранс- кравцями  системами. Вони відбувається: а)  перенесення одного речовини  залежить від одночасного / последо-  вательного / перенесення іншого  речови ни у тому направлении

(симпорт). б) перенесення  одного речовини залежить від  одночасного / последо- вательного / перенесення іншого речовини  у напрямі (антипорт).

Наприклад, більшість  тварин клітин поглинає глюкозу з  внеклеточной рідини, де його концентрація висока шляхом пасивно- го транспорту здійснюваного білком, який працює як уни- порт. У той самий час, клітини  кишечника і нирок поглинають їх із лю- менального простору кишечника  і з ниркових канальцев, де його концентрація дуже мала, з допомогою симпорта глюкози і іонів Na.

(рис. 2.3.)

Отже, ми розглянули осноаные види пасивного транспорту мало- лых молекул через біологічні мембраны.

2.5. Часто буває  необхідним забезпечити перенесення  через мемб- рану молекул проти  їх електрохімічного градієнта.  Такий про- цесс називається  активним транспортом здійснюється  белками-пе- реносчиками, діяльність  яких вимагає і витрат енергії.  Якщо зв'язати белок-переносчик  з джерелом енергії, можна отримати  роботу ме- ханизм, який би активний  транспорт речовин через мембрану.

(рис. 2.4.).

Однією із визначальних джерел енергії у клітині є  гідро- ліз АТФ до АДФ і фосфату. У цьому явище грунтується  значущий жиз- недеятельности клітини  механізм (Na + K)-насос (рис. 2.5). Він слу- жит прекрасним прикладом активного  транспорту іонів. Концентрация

K всередині клітини  в 10-20 разів більше, ніж зовні.  Для Na картина протилежна. Таку  різницю конценраций забезпечує  работа

(Na + K)-насоса, який  активно перекачує Na з клітки, а K у клітину. Відомо, що у  роботу (Na + K)-насоса витрачається  мало не третину всієї енергії  яка потрібна на життєдіяльності  клітини. Ви- шеуказанная різницю  концентрацій підтримується з  такими целями:

- 6 -

1) Регулювання обсягу  клітин з допомогою осмотических  эффектов.

2) Вторинний транспорт  речовин (розглядатимуть ниже).

Досвідченим шляхом було встановлено, что:

1) Транспорт іонів  Na і K тісно пов'язані з гидролизом  АТФ не може здійснюватися  без него.

2) Na і АТФ має  перебувати всередині клітини,  а K снаружи.

3) Речовина уабаин  ингибирует АТФазу лише перебуваючи  поза клітини, де зараз його  конкурує за ділянку зв'язування  з K.

(Na + K)-АТФаза активно  транспортує Na назовні а K всередину  клітини. При гідролізі однієї  молекули АТФ три іона Na викачуються  з клітки а через два іона K потрапляють у неї (рис. 2.6.).

1) Na пов'язують із  белком.

2) Фосфорилування  АТФазы індукує конформаційні  зміни у білці, у результаті  ъ

3) Na переноситься  на зовнішній бік мембрани  і высвобо- ждается.

4) Зв'язування K зовнішньому  поверхности.

5) Дефосфорилирование.

6) Вивільнення K і  повернення білка у початковий  состо- яние.

Цілком імовірно в (Na + K)-насосе є три ділянки свя- зывания Na і двоє ділянки зв'язування K. (Na + K)-насос можна заз- тавить працювати  у протилежному напрямку і синтезировать

АТФ. Якщо збільшити  концентрації іонів з відповідних  сторін від мембрани, проходитимуть  неї відповідно до сво- ними електрохімічними градиентами, а АТФ буде синтезуватися  з ортофосфата і АДФ з допомогою (Na + K)-АТФазы.

2.6. Якби клітини  немає систем регуляції осмо- тического тиску, то концентрація  розчинених речовин в ній виявилося  б більше їх зовнішніх концентрацій. Тоді концентра- ция води у  клітині була меншою, ніж її  концентрація снаружи.

У результаті, відбувався постійний приплив води у клітину  і його розрив. На щастя, тварини  клітини, і бактерії контролюють  ос- мотическое тиск у своїх клітинах з допомогою активного выкачива- ния неорганічних іонів як-от Na. Тому і загальна концент- рація всередині  клітини нижче ніж снаружи.

- 7 -

Клітини рослин мають  жорсткі стінки, що уберігають їхню відмінність від набрякання. Багато найпростіші уникають розриву від  чиню- щей всередину клітини води з допомогою спеціальних механізмів, які регулярно викидають що надходить  воду.

2.7. Іншою важливою  виглядом активного транспорту  є ак- тивный транспорт з допомогою  іонних градієнтів (рис. 2.7.). Такий  тип проникнення через мембрану  здійснюють деякі транс- кравці  білки, працюючи за принципом  симпорта чи антипорта з якимись  іонами, електрохімічний градієнт  яких доста- точно високий.  У тварин клітинах контранспортируемым  іоном зазвичай є Na. Його електрохімічний  градієнт забезпечує енергією  активний транспорт інших молекул.  Наприклад розглянемо роботу  насоса, який перекачує глюкозу.  насос випадково ос- циллирует  між станами " пінг " і " понг " . Na пов'язують із білком  в обох його станах і навіть  збільшує спорідненість останнього  до глюкозі. Поза клітини приєднання Na, отже, і глюкози, відбувається  частіше, аніж всередині. Тому  глюкоза перекачива- ется в клетку.