III. Перенос веществ через мембраны

Любая молекула может пройти через липидный бислой, однако скорость пассивной диффузии веществ, т.е. перехода вещества из области| с большей концентрацией в область с меньшей может сильно отличаться. Для некоторых молекул это занимает столь длительное время, что можно говорить об их практической непроница­емости для липидного бислоя мембраны. Скорость диффузии веществ через мембрану зависит главным образом от размера молекул и их относи­тельной растворимости в жирах.

Легче всего проходят простой диффузией через липидную мембрану малые неполярные молеку­лы, такие как О₂, стероиды, тиреоидные гормоны, а также жирные кислоты. Малые полярные неза­ряженные молекулы — СО₂, NН₃, Н₂О, этанол, мочевина — также диффундируют с достаточно большой скоростью. Диффузия глицерола идёт значительно медленнее, а глюкоза практически не способна самостоятельно пройти через мембрану. Для всех заряженных молекул, независимо от раз­мера, липидная мембрана непроницаема.

Транспорт таких молекул возможен благода­ря наличию в мембранах либо белков, формиру­ющих в липидном слое каналы (поры), запол­ненные водой, через которые могут проходить вещества определённого размера простой диф­фузией, либо специфических белков-переносчи­ков, которые избирательно взаимодействуя с определёнными лигандами, облегчают их пере­нос через мембрану (облегчённая диффузия).

Кроме пассивного транспорта веществ, в клетках есть белки, активно перекачивающие определённые растворённые в воде вещества против их градиента, т.е. из меньшей концен­трации в область большей. Этот процесс, на­зываемый активным транспортом, осуществля­ется всегда с помощью белков-переносчиков и происходит с затратой энергии.

строение и функционирование БЕЛКОВЫХ КАНАЛОВ

Каналы в мембране формируются интеграль­ными белками, которые «прерывают» липидный бислой, образуя пору, заполненную водой. Стен­ки канала «выстилаются» радикалами аминокис­лот этих белков.

Если каналы различают вещества только по размеру и пропускают все молекулы меньше определённой величины, по градиенту концен­трации, т.е. служат фильтрами, то их называ­ют «неселективные каналы», или «поры». Такие поры есть в наружной мембране митохондрий, где молекулы белка-порина образуют широ­кие гидрофильные каналы. Через них могут проходить все молекулы с молекулярной мас­сой 10 кД и меньше, в том числе и небольшие белки.

Селективные каналы, как правило, участву­ют в переносе определённых ионов. Ионная селективность (избирательность) каналов оп­ределяется их диаметром и строением внут­ренней поверхности канала. Например, катионселективные каналы пропускают только катионы, так как содержат много отрицатель­но заряженных аминокислотных остатков.

Открытие или закрытие селективных ка­налов регулируется либо изменением концентрации специфических регуляторов, таких как медиаторы, гормоны, циклические нуклеотиды, N0, G-белки, либо изменением транс­мембранного электрохимического потенциа­ла. Воздействие регуляторного фактора вызывает конформационные изме­нения каналообразующих белков, канал от­крывается и ионы проходят по градиенту кон­центрации. Транспорт веществ через каналы не приводит к конформационным изменени­ям белков и зависит только от разности кон­центраций веществ по обе стороны мембра­ны. Поэтому скорость транспорта веществ через такие каналы может достигать 10⁶-10⁸ ионов в секунду.

облегчённая диффузия веществ

В мембранах клеток существуют белки-транслоказы. Взаимодействуя со специфическим лигандом, они обеспечивают его диффузию (транс­порт из области большей концентрации в область меньшей) через мембрану. В отличие от белко­вых каналов, транслоказы в процессе взаимодей­ствия с лигандом и переноса его через мембрану претерпевают конформационные изменения. Кинетически перенос веществ облегчённой диф­фузией напоминает ферментативную реакцию. Для транслоказ существует насыщающая концен­трация лиганда, при которой все центры связы­вания белка с лигандом заняты, и белки работа­ют с максимальной скоростью Vmax. Поэтому скорость транспорта веществ облегчённой диф­фузией зависит не только от градиента концент­раций переносимого лиганда, но и от количе­ства белков-переносчиков в мембране.

Существуют транслоказы, переносящие толь­ко одно растворимое в воде вещество с одной стороны мембраны на другую. Такой простой транспорт называют «пассивный унипорт». При­мером унипорта может служить функциониро­вание ГЛЮТ-1 — транслоказы, переносящей глюкозу через мембрану эритроцита.

Некоторые транслоказы могут переносить два разных вещества по градиенту концентраций в одном направлении — пассивный симпорт, или в противоположных направлениях — пассивный антипорт.

Примером транслоказы, работающей по ме­ханизму пассивного антипорта, может служить анионный переносчик мембраны эритроцитов.

Внутренняя митохондриальная мембрана со­держит много транслоказ, осуществляющих пас­сивный антипорт. В процессе тако­го переноса происходит эквивалентный обмен ионами, но не всегда эквивалентный обмен по заряду.

строение и функционирование БЕЛКОВ-ПЕРЕНОСЧИКОВ, ОСУЩЕСТВЛЯЮЩИХ АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ

Перенос некоторых лигандов (ионов, глюкозы, аминокислот) через мембраны происходит против градиента концентрации и сопряжён с затратой энергии (активный транспорт). Перенос лигандовчерез мембрану, связанный с затратой энерги АТФ, называют «первично-активный транспорт»

I. Первично-активный транспорт

Перенос некоторых неорганических ионов идёт против градиента концентрации при учас­тии транспортных АТФ-аз (ионных насосов) Все ионные насосы одновременно служат фер­ментами, способными к аутофосфорилированию и аутодефосфорилирова-нию. АТФ-азы различа­ются по ионной специфичности, количеству пе­реносимых ионов, направлению транспорта. В результате функционирования АТФ-азы переносимые ионы накапливаются с одной сто­роны мембраны. Наиболее распространены в плазматической мембране клеток человека Nа⁺,К⁺-АТФ-аза, Са²⁺-АТФ-аза и Н⁺,К⁺,-АТФ-аза слизистой оболочки желудка.

Nа⁺,К⁺-АТФ-аза

Этот фермент-переносчик катализирует АТФ-зависимый транспорт ионов Nа + и К⁺ через плазматическую мембрану. Na⁺,К⁺-АТФ-аза состоит из субъединиц α и β; α — каталитическая большая субъединица, а β — малая субъединица (гликопротеин). Активная форма транслолоказы тетрамер (αβ)₂.

Nа⁺,К⁺-АТФ-аза отвечает за поддержание высокой концентрации К⁺ в клетке и низкой концентрации Na⁺. Так как Na⁺,К⁺-АТФ-аза вы­качивает три положительно заряженных иона, а закачивает два, то на мембране возникает элек­трический потенциал с отрицательным значе­нием на внутренней части клетки по отноше­нию к её наружной поверхности.

Са²⁺-АТФ-аза

В цитозоле «покоящихся» клеток концент­рация Са²⁺ составляет ~10^-7 моль/л, тогда как вне клетки она равна ~2-10^-3 моль/л. Поддер­живает такую разницу в концентрации система активного транспорта ионов кальция; её основ­ные компоненты — кальциевые насосы — Са²⁺-АТФ-азы и Na⁺,Са²⁺ -обменники.

Са²⁺-АТФ-аза локализована не только в плаз­матической мембране, но и в мембране ЭР. Фер­мент состоит из десяти трансмембранных до­менов, пронизывающих клеточную мембрану. Между вторым и третьим доменами находятся несколько остатков аспарагиновой кислоты, участвующих в связывании кальция. Область между четвёртым и пятым доменами имеет центр для присоединения АТФ и аутофосфорилирования по остатку аспарагиновой кислоты. Са²⁺-АТФ-азы плазматических мембран некоторых клеток регулируются белком кальмодулином. Каждая из Са²⁺-АТФ-аз плазматической мемб­раны и ЭР представлена несколькими изоформами.

Работа Са²⁺-АТФ-азы цитоплазматической мембраны по стадиям представлена на рис.

Последовательность событий в процессе работы Са²+-АТФ-азы

1 – связывание двух ионов кальция участком АТФ-азы, обращенной в цитозоль; 2 – изменение заяда и конформации фермента (АТФ-азы), вызванное присоединением двух иоов кальция – приводит к повышению сродства к АТФ и активации аутофосфорилирования; 3- аутофосфорилирование – сопровождается конформационными изменениями, АТФ-аза закрывается с внутренней стороны мембраны и открывается с наружной; 4 – происходит снижение сродства центров связывания к ионам кальция и они отделяются от АТФ-азы; 5 – аутодефосфорилирование, активируется ионами магния, в результате Са-АТФ-за теряет фосфорный остаток и два иона магния; 6 – АТФ-аза возвращается в исходное состояние.

Нарушение активности Са²⁺-АТФ-азы при па­тологии. Одна из причин нарушения работы Са²⁺-АТФ-азы — активация перекисного окисления липидов (ПОЛ) мембран. Окислению подвергаются как ацильные остатки жирных кислот в составе фосфолипидов, так и SН-группы в активном центре фермента. Нарушение структуры липидного окружения и структуры активного центра приводит к изменению конформации АТФ-азы, потере сродства к ионам кальция и способности к аутофосфорилированию. АТФ-аза перестаёт выкачивать ионы кальция из цитозоля клетки, повышается кон­центрация внутриклеточного кальция; Са²⁺ усиливает мышечное сокращение, возрастает то­нус мышечной стенки, что приводит к повышению АД. Нарушение функционирования Са²⁺-АТФ-азы играет свою роль в развитии атеросклероза, рака, иммунных патологий.