www.Grandars.ru » Медицина » Физиология »

Транспорт веществ через клеточные мембраны

Диффузия и транспорт веществ через клеточные мембраны

Обмен клетки с внешней средой различными веществами и энергией является жизненно необходимым условием ее существования.

Для поддержания постоянства химического состава и свойств цитоплазмы в условиях, когда имеют место существенные различия химического состава и свойств внешней среды и цитоплазмы клетки, должны существовать специальные транспортные механизмы, избирательно перемещающие вещества через клеточные мембраны.

В частности, клетки должны располагать механизмами доставки кислорода и питательных веществ из среды существования и удаления в нее метаболитов. Градиенты концентраций различных веществ существуют не только между клеткой и внешней средой, но и между органеллами клетки и цитоплазмой, и транспортные потоки веществ наблюдаются между различными отсеками клетки.

Особое значение для восприятия и передачи информационных сигналов имеет поддержание трансмембранной разности концентраций минеральных ионов Na+, К+, Са2+. Клетка затрачивает на поддержание концентрационных градиентов этих ионов существенную часть своей метаболической энергии. Запасаемая в ионных градиентах энергия электрохимических потенциалов обеспечивает постоянную готовность плазматической мембраны клетки отвечать на воздействие раздражителей. Поступление кальция в цитоплазму из межклеточной среды или из клеточных органелл обеспечивает ответ многих клеток на гормональные сигналы, контролирует выделение нейромедиаторов в синапсах, запускает сокращение мышц.

Рис. Классификация типов транспорта

Для понимания механизмов перехода веществ через клеточные мембраны необходимо учитывать как свойства этих веществ, так и свойства мембран. Транспортируемые вещества различаются молекулярной массой, переносимым зарядом, растворимостью в воде, липидах и рядом других свойств. Плазматическая и другие мембраны представлены обширными участками липидов, через которые легко диффундируют жирорастворимые неполярные вещества и не проходят вода и водорастворимые вещества полярной природы. Для трансмембранного перемещения этих веществ необходимо наличие специальных каналов в клеточных мембранах. Транспорт молекул полярных веществ затрудняется при увеличении их размеров и заряда (в этом случае требуются дополнительные механизмы переноса). Перенос веществ против концентрационных и других градиентов также требует участия специальных переносчиков и затрат энергии (рис. 1).

Рис. 1. Простая, облегченная диффузия и активный транспорт веществ через мембраны клеток

Для трансмембранного перемещения высокомолекулярных соединений, надмолекулярных частиц и компонентов клеток, не способных проникать через мембранные каналы, используются особые механизмы — фагоцитоз, пиноцитоз, экзоцитоз, перенос через межклеточные пространства. Таким образом, трансмембранное перемещение различных веществ может осуществляться с использованием разных способов, которые принято подразделять по признакам участия в них специальных переносчиков и энергозатратам. Существуют пассивный и активный транспорт через мембраны клетки.

Пассивный транспорт — перенос веществ через биомембрану по градиенту (концентрационный, осмотический, гидродинамический и т.д.) и без расхода энергии.

Активный транспорт — перенос веществ через биомембрану против градиента и с расходом энергии. У человека 30- 40 % всей энергии, образующейся в ходе метаболических реакций, расходуется на этот вид транспорта. В почках 70-80 % потребляемого кислорода идет на активный транспорт.

Пассивный транспорт веществ

Под пассивным транспортом понимают перенос вещества через мембраны по различного рода градиентам (электрохимического потенциала, концентрации вещества, электрического поля, осмотического давления и др.), не требующий непосредственной затраты энергии на его осуществление. Пассивный транспорт веществ может происходить посредством простой и облегченной диффузии. Известно, что под диффузией понимают хаотические перемещения частиц вещества в различных средах, обусловленные энергией его тепловых колебаний.

Если молекула вещества электронейтральна, то направление диффузии этого вещества будет определяться лишь разностью (градиентом) концентраций вещества в средах, разделенных мембраной, например вне и внутри клетки или между ее отсеками. Если молекула, ионы вещества несут на себе электрический заряд, то на диффузию будут оказывать влияние как разность концентраций, величина заряда этого вещества, так и наличие и знак зарядов на обеих сторонах мембраны. Алгебраическая сумма сил концентрационного и электрического градиентов на мембране определяет величину электрохимического градиента.

Простая диффузия осуществляется за счет наличия градиентов концентрации определенного вещества, электрического заряда или осмотического давления между сторонами клеточной мембраны. Например, среднее содержание ионов Na+ в плазме крови составляет 140 мМ/л, а в эритроцитах — приблизительно в 12 раз меньше. Эта разность концентрации (градиент) создает движущую силу, которая обеспечивает переход натрия из плазмы в эритроциты. Однако скорость такого перехода малая, так как мембрана имеет очень низкую проницаемость для ионов Na+. Гораздо больше проницаемость этой мембраны для калия. На процессы простой диффузии не затрачивается энергия клеточного метаболизма.

Скорость простой диффузии описывается уравнением Фика:

dm/dt = -kSΔC/x,

где dm/dt - количество вещества, диффундирующее за единицу времени; к - коэффициент диффузии, характеризующий проницаемость мембраны для диффундирующего вещества; S - площадь поверхности диффузии; ΔС — разность концентраций вещества по обе стороны мембраны; х — расстояние между точками диффузии.

Из анализа уравнения диффузии ясно, что скорость простой диффузии прямо пропорциональна градиенту концентрации вещества между сторонами мембраны, проницаемости мембраны для данного вещества, площади поверхности диффузии.

Очевидно, что наиболее легко перемещаться через мембрану путем диффузии будут те вещества, диффузия которых осуществляется и по градиенту концентраций, и по градиенту электрического поля. Однако важным условием для диффузии веществ через мембраны являются физические свойства мембраны и, в частности, ее проницаемость для вещества. Например, ионы Na+, концентрация которого выше вне клетки, чем внутри ее, а внутренняя поверхность плазматической мембраны заряжена отрицательно, должны были бы легко диффундировать внутрь клетки. Однако скорость диффузии ионов Na+ через плазматическую мембрану клетки в покое ниже, чем ионов К+, который диффундирует по концентрационному градиенту из клетки, так как проницаемость мембраны в условиях покоя для ионов К+ выше, чем для ионов Na+.

Поскольку углеводородные радикалы фосфолипидов, формирующих бислой мембраны, обладают гидрофобными свойствами, то через мембрану могут легко диффундировать вещества гидрофобной природы, в частности легко растворимые в липидах (стероидные, тиреоидные гормоны, некоторые наркотические вещества и др.). Низкомолекулярные вещества гидрофильной природы, минеральные ионы диффундируют через пассивные ионные каналы мембран, формируемые каналообразующими белковыми молекулами, и, возможно, через дефекты упаковки в мембране фосфолииидных молекул, возникающие и исчезающие в мембране в результате тепловых флуктуаций.

Диффузия веществ в тканях может осуществляться не только через мембраны клеток, но и через другие морфологические структуры, например из слюны в дентинную ткань зуба через его эмаль. При этом условия для осуществления диффузии остаются теми же, что и через клеточные мембраны. Например, для диффузии кислорода, глюкозы, минеральных ионов из слюны в ткани зуба их концентрация в слюне должна превышать концентрацию в тканях зуба.

В нормальных условиях проходить в значительных количествах через фосфолипидный бислой путем простой диффузии могут неполярные и небольшие по размерам электронейтральные полярные молекулы. Транспорт существенных количеств других полярных молекул осуществляется белками-переносчиками. Если для трансмембранного перехода вещества необходимо участие переносчика, то вместо термина «диффузия» часто используют термин транспорт вещества через мембрану.

Облегченная диффузии, так же, как и простая «диффузия» вещества, осуществляется по градиенту его концентрации, но в отличие от простой диффузии в переносе вещества через мембрану участвует специфическая белковая молекула — переносчик (рис. 2).

Облегченная диффузия — это вид пассивного переноса ионов через биологические мембраны, который осуществляется по градиенту концентрации с помощью переносчика.

Перенос вещества с помощью белка-переносчика (транспортера) основан на способности этой белковой молекулы встраиваться в мембрану, пронизывая ее и формируя каналы, заполненные водой. Переносчик может обратимо связываться с переносимым веществом и при этом обратимо изменять свою конформацию.

Предполагается, что белок-переносчик способен находиться в двух конформационных состояниях. Например, в состоянии а этот белок обладает сродством с переносимым веществом, его участки для связывания вещества повернуты внутрь и он формирует пору, открытую к одной из сторон мембраны.

Рис. 2. Облегченная диффузия. Описание в тексте

Связавшись с веществом, белок-переносчик изменяет свою конформацию и переходит в состояние 6. При этом конформационном превращении переносчик теряет сродство с переносимым веществом, оно высвобождается из связи с переносчиком и оказывается перемещенным в пору на другой стороне мембраны. После этого белок снова совершает возврат в состояние а. Такой перенос вещества белком-транспортером через мембрану называют унипортом.

Посредством облегченной диффузии могут транспортироваться такие низкомолекулярные вещества, как глюкоза, из интерстициальных пространств в клетки, из крови в мозг, реабсорбироваться некоторые аминокислоты и глюкоза из первичной мочи в кровь в почечных канальцах, всасываться из кишечника аминокислоты, моносахариды. Скорость транспорта веществ путем облегченной диффузии может достигать до 108 частиц за секунду через канал.

В отличие от скорости переноса вещества простой диффузией, которая прямо пропорциональна разности его концентраций по обе стороны мембраны, скорость переноса вещества при облегченной диффузии возрастает пропорционально увеличению разности концентраций вещества до некоторого максимального значения, выше которого она не увеличивается, несмотря на повышение разности концентраций вещества по обе стороны мембраны. Достижение максимальной скорости (насыщение) переноса в процессе облегченной диффузии объясняется тем, что при максимальной скорости в перенос оказываются вовлеченными все молекулы белков-переносчиков.

Обменная диффузия — при этом виде транспорта веществ может происходить обмен молекулами одного и того же вещества, находящимися по разные стороны мембраны. Концентрация вещества с каждой стороны мембраны остается при этом неизменной.

Разновидностью обменной диффузии является обмен молекулы одного вещества на одну или более молекул другого вещества. Например, в гладкомышечных клетках сосудов и бронхов, в сократительных миоцитах сердца одним из путей удаления ионов Са2+ из клеток является обмен их на внеклеточные ионы Na+. На три иона входящего Na+ из клетки удаляется один ион Са2+. Создается взаимообусловленное (сопряженное) движение Na+ и Са2+ через мембрану в противоположных направлениях (этот вид транспорта называют антипортом). Таким образом клетка освобождается от избыточного количества ионов Са2+, что является необходимым условием для расслабления гладких миоцитов или кардиомиоцитов.

Активный транспорт веществ

Активный транспорт веществ через клеточные мембраны — это перенос веществ против их градиентов, осуществляющийся с затратой метаболической энергии. Этот вид транспорта отличается от пассивного тем, что перенос осуществляется не по градиенту, а против градиентов концентрации вещества и на него используется энергия АТФ или другие виды энергии, на создание которых АТФ затрачивалась ранее. Если непосредственным источником этой энергии является АТФ, то такой перенос называют первично-активным. Если на перенос используется энергия (концентрационных, химических, электрохимических градиентов), ранее запасенная за счет работы ионных насосов, затративших АТФ, то такой транспорт называют вторично-активным, а также сопряженным. Примером сопряженного, вторично-активного транспорта являются абсорбция глюкозы в кишечнике и ее реабсорбция в почках с участием ионов Na и переносчиков GLUT1.

Благодаря активному транспорту могут преодолеваться силы не только концентрационного, но и электрического, электрохимического и других градиентов вещества. В качестве примера работы первично-активного транспорта можно рассмотреть работу Na+ -, К+ -насоса.

Активный перенос ионов Na+ и К+ обеспечивается белком- ферментом — Na+ -, К+ -АТФ-азой, способной расщеплять АТФ.

Белок Na К -АТФ-аза содержится в цитоплазматической мембране практически всех клеток организма, составляя 10% и более от общего содержания белка в клетке. На работу этого насоса тратится более 30% всей метаболической энергии клетки. Na+-, К+ -АТФ-аза может находиться в двух конформационных состояниях — S1 и S2. В состоянии S1 белок обладает сродством с ионом Na и 3 иона Na присоединяются к трем высокоаффинным местам его связывания, повернутым внутрь клетки. Присоединение иона Na" стимулирует АТФ-азную активность, и в результате гидролиза АТФ Na+ -, К+ -АТФ-аза фосфорилируется за счет переноса на нее фосфатной группы и осуществляет конформационный переход из состояния S1 в состояние S2 (рис. 3).

В результате изменения пространственной структуры белка места связывания ионов Na поворачиваются на внешнюю поверхность мембраны. Аффинность мест связывания к ионам Na+ резко уменьшается, и он, высвободившись из связи с белком, оказывается перенесенным во внеклеточное пространство. В конформационном состоянии S2 повышается аффинность центров Na+ -, К-АТФ-азы к ионам К и они присоединяют два иона К из внеклеточной среды. Присоединение ионов К вызывает дефосфорилирование белка и его обратный конформационный переход из состояния S2 в состояние S1. Вместе с поворотом центров связывания на внутреннюю поверхность мембраны два иона К высвобождаются из связи с переносчиком и оказываются перенесенными внутрь. Подобные циклы переноса повторяются со скоростью, достаточной для поддержания в покоящейся клетке неодинакового распределения ионов Na+ и К+ в клетке и межклеточной среде и, как следствие, поддержания относительно постоянной разности потенциалов на мембране возбудимых клеток.

Рис. 3. Схематическое представление работы Na+ -, К+-насоса

Вещество строфантин (оуабаин), выделяемое из растения наперстянка, обладает специфической способностью блокировать работу Na+-, К+ — насоса. После его введения в организм в результате блокады выкачивания иона Na+ из клетки наблюдаются снижение эффективности работы Na+ -, Са2 -обменного механизма и накопление в сократительных кардиомиоцитах ионов Са2+ . Это ведет к усилению сокращения миокарда. Препарат применяется для лечения недостаточности насосной функции сердца.

Кроме Na'-, К+-АТФ-азы имеются еще несколько типов транспортных АТФ-аз, или ионных насосов. Среди них насос, осуществляющий транспорт прогонов водорода (митохондрии клеток, эпителий почечных канальцев, париетальные клетки желудка); кальциевые насосы (пейсмекерные и сократительные клетки сердца, мышечные клетки поперечно-полосатой и гладкой мускулатуры). Например, в клетках скелетных мышц и миокарда белок Са2+ -АТФ-аза встроен в мембраны саркоплазматического ретикулума и благодаря его работе обеспечивается поддержание высокой концентрации ионов Са2+ в его внутриклеточных хранилищах (цистерны, продольные трубочки саркоплазматического ретикулума).

В некоторых клетках силы трансмембранной разности электрических потенциалов и градиента концентрации натрия, возникающие в результате работы Na+-, Са2+ -насоса, используются для осуществления вторично-активных видов переноса веществ через клеточную мембрану.

Вторично-активный транспорт характеризуется тем, что перенос вещества через мембрану осуществляется за счет градиента концентрации другого вещества, который был создан механизмом активного транспорта с затратой энергии АТФ. Различают две разновидности вторично активного транспорта: симпорт и антипорт.

Симпортом называют перенос вещества, который сопряжен с одновременным переносом другого вещества в том же направлении. Симпортным механизмом переносятся йод из внеклеточного пространства в тиреоциты щитовидной железы, глюкоза и аминокислоты при их всасывании из тонкой кишки в энтероциты.

Антипортом называют перенос вещества, который сопряжен с одновременным переносом другого вещества, но в обратном направлении. Примером антипортного механизма переноса является работа упоминавшегося ранее Na+-, Са2+ — обменника в кардиомиоцитах, К+ -, Н+ -обменного механизма в эпителии почечных канальцев.

Из приведенных примеров видно, что вторично-активный транспорт осуществляется за счет использования сил градиента ионов Na+ или ионов К+. Ион Na+ или ион К перемещается через мембрану в сторону его меньшей концентрации и тянет за собой другое вещество. При этом обычно используется встроенный в мембрану специфический белок-переносчик. Например, транспорт аминокислот и глюкозы при их всасывании из тонкого кишечника в кровь происходит благодаря тому, что белок-переносчик мембраны эпителия кишечной стенки связывается с аминокислотой (глюкозой) и ионом Na+ и только тогда изменяет свое положение в мембране таким образом, что переносит аминокислоту (глюкозу) и ион Na+ в цитоплазму. Для осуществления такого транспорта необходимо, чтобы снаружи клетки концентрация иона Na+ была гораздо больше, чем внутри, что обеспечивается постоянной работой Na+, К+ — АТФ-азы и затратой метаболической энергии.