Облегченная диффузия

Облегченную диффузию отличает наличие специфических структур, осуществляющих перенос вещества через мембрану. Наличие переносчиков изменяет кинетику транспорта, и она становится сходной с уравнениями ферментативного катализа, только в роли фермента выступает переносчик, а в роли субстрата – переносимое вещество (S):

j_s = j_max · [S]/(K_т + S),

где: К_т – константа транспорта соответствует константе Михаэлиса и равна концентрации S при j_s = j_max/2.

Представители систем облегченной диффузии ионов (симпорт, антипорт) с участием специфических переносчиков:

Облегченная диффузия происходит при участии молекул – переносчиков (рис.5.6).

Рис. 5.6. Схема облегченной диффузии: 1 – с подвижным переносчиком; 2 – с фиксированным переносчиком. А – переносимое вещество; Х – подвижный переносчик; Х₁ – Х₅ – фиксированные переносчики.

Диффузия с подвижным переносчиком (ионофором). Скорость проникновения в клетку таких веществ, как глюкоза, глицерин, аминокислоты, не имеет линейной зависимости от разности концентраций. При определенных значениях концентрации скорость проникновения намного больше, чем следует ожидать для простой диффузии. При диффузии с подвижным переносчиком скорость переноса вещества возрастает, если молекулы (А) этого вещества образуют комплекс с молекулами (Х) вспомогательного вещества. Вспомогательное вещество обладает повышенной растворимостью в липидах. На поверхности мембраны молекулы (А) соединяются с молекулами (Х) и в виде комплекса (АХ) проходят в клетку. В клетке комплекс разрушается, молекулы вещества (А) освобождаются, а переносчик (Х) захватывает у наружной поверхности мембраны новую молекулу переносимого вещества. Процесс переноса проходит до тех пор, пока концентрация переносимого вещества не выровняется по обе стороны мембраны (рис. 5.6, 1).

Облегченная диффузия с фиксированным переносчиком (каналообразующим ионофором). Цепочка молекул переносчика выстраивается внутри канала в мембране или выстилает канал. Молекула переносимого вещества (А) передвигается внутри канала от одного переносчика к другому. При этом предполагается, что пространство в канале недостаточно велико для прохождения частиц вещества, поэтому они связываются с молекулами переносчиков, передвигаясь от одного к другому (рис. 5.6, 2).

Унипорт. Ионофоры – небольшие гидрофобные молекулы, которые растворяются в липидном слое мембран и увеличивают проницаемость мембран для ионов. Большинство ионофоров синтезируется бактериями (в качестве оружия против своих конкурентов), некоторые являются антибиотиками. Широко используются в клеточной биологии.

Ионофоры делятся на следующие виды:

1.Подвижные переносчики. Имеют кольцеобразную структуру, и контактируют с липидным слоем: наружная часть – гидрофобная; внутренняя часть – гидрофильная содержит карбоксильные атомы кислорода.

2.Каналообразующие. Состоят из линейных полипептидов, которые имеют гидрофобные боковые цепи. Две таких молекулы образуют канал.

Ионные каналы (унипорт) классифицируют:

А).По типу ионов: натриевые, калиевые, кальциевые и хлорные каналы;

Б).По способу регуляции (рис. 5.7):

1).Потенциал–чувствительные;

2).Хемочувствительные (рецептор–управляемые);

3).Внутриклеточными веществами (ионами, физиологически активными веществами).

Рис. 5.7. Классификация ионных каналов по способу регуляции: 1 – потенциал–чувствительные; 2 – хемочувствительные (рецептор–управляемые); 3 – АТФ–чувствительные; 4 – кальций–зависимые.

Натриевые и калиевые каналы. Размеры ионных каналов меньше одного нанометра (0,2–0,4 нм). Эти структуры обеспечивают важнейшие электрофизиологические свойства клеток и тканей, обеспечивая прохождение в 1 секунду 106–109 ионов, регулируются мембранным потенциалом и биологически активными веществами. Через ионные каналы Na⁺ и K⁺ следуют совместно с одной молекулой воды – гидратной оболочкой, хотя в растворе у иона таких оболочек может быть несколько (до 10). Таким образом, при прохождении через ионный канал происходит дегидратация катиона, на что требуется энергия. Роль этой энергии выполняет градиент ионов, так как ионный транспорт относится к пассивному виду переноса веществ через мембрану. В процессе переноса катионов должны выполняться два основных условия (фактора):

1.Стерический – совпадение размеров катиона и гидратной оболочки с размерами канала.

2.Энергетический – взаимодействие катиона с карбоксильными (отрицательно заряженными группировками самого канала).

Кальциевые каналы. Кальциевые каналы делятся на потенциал-зависимые и рецептор-управляемые. В нормальных условиях внутри клетки [Ca²⁺]_in = 10^–7 – 10^–6 M.

Через кальциевый канал проникают только двухвалентные катионы в соответствии с рядом:

pKBa²⁺ > pKSr²⁺ > pKCa²⁺ > pKCo²⁺ > pKNi²⁺ > pKCd²⁺.

Селективный фильтр кальциевого канала содержит карбоксильную группу. Все двухвалентные катионы, которые связываются с этой группой слабее, чем кальций, проникают лучше (Ba²⁺ и Sr^2+). Катионы, которые связываются с этой группой сильнее, чем кальций, являются блокаторами кальциевых каналов (Co²⁺, Ni²⁺, Cd²⁺).

Регуляторный центр кальциевого канала располагается у внешнего устья. В бескальциевом растворе (с добавлением хелаторов Са²⁺: ЭДТА и др.) происходит модификация кальциевых каналов: они сохраняют потенциал– зависимость, но изменяют свою селективность и становятся селективными для натрия.

Процесс инактивации кальциевых каналов более сложный, чем натриевых каналов. У натриевых каналов происходит инактивация вследствие деполяризации мембраны. У кальциевых каналов инактивация зависит от силы кальциевого тока (I_Ca). Чем выше I_Ca, тем быстрее инактивация, которая развивается в результате увеличения внутриклеточной концентрации ионов кальция [Ca²⁺]_in до 10^–6 М.

Проводимость кальциевых каналов подвержена также метаболической регуляции – она зависит от содержания в цитоплазме циклического АМФ.

Кальциевые каналы подразделяют на группы:

– медленные (порог активации – 30 мВ; двухфазная инактивация; блокирование производными 1,4 – дигидропиридина);

– быстрые (порог активации – 70–60 мВ; быстрая инактивация; отсутствие чувствительности к 1,4 – дигидропиридинам).

Отличия облегченной диффузии от простой состоят в следующем:

1) перенос вещества с участием переносчика проходит значительно быстрее;

2) облегченная диффузия обладает свойством насыщения (рис. 5.8), то есть при увеличении концентрации вещества с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;

3) при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда переносчик несет разные вещества; при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других; например, из сахаров глюкоза переносится лучше, чем фруктоза, фруктоза лучше, чем ксилоза, ксилоза лучше, чем арабиноза;

4) есть вещества, блокирующие облегченную диффузию – они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика, например, флоридзин подавляет транспорт сахаров через мембрану.

Рис. 5.8. Зависимость плотности потока j_m вещества через мембрану в клетку от концентрации вещества снаружи клетки (С_НАР) при простой (1) и облегченной (2) диффузии.