Транспорт веществ через мембрану

Различают пассивный и активный транспорт.

Пассивный транспорт – осуществляется транспорт веществ по градиенту концентрации, т.е. из области большей концентрации в область меньшей концентрации без затраты энергии.

Различают простую и облегченную диффузию. Простой диффузией транспортируются кислород, углекислый газ, аммиак, мочевина, стероидные, тиреоидные гормоны, жирорастворимые витамины.

Облегченная диффузия – транспорт веществ с помощью белковых каналов. Таким путем транспортируется глюкоза из крови в мозг, печень, жировую ткань, мышцы.

Транспорт одного вещества в одном направлении называется унипортом, например транспорт глюкозы. Транспорт двух веществ в одном направлении называется симпортом, например транспорт ионов водорода и пирувата в митохондрии и из них. Транспорт двух веществ в противоположных направлениях называется антипорт, например перенос ионов хлора из эритроцитов, а гидрокарбонатных ионов в эритроциты, и наоборот.

Активный транспорт – осуществляется транспорт веществ против градиента концентрации, т.е. из области меньшей концентрации в область большей концентрации с затратой энергии.

Различают первично-активный и вторично-активный транспорт.

Первично-активный транспорт: а) Na+-K+- АТФ-аза – с помощью этого белка натрий удаляется из клетки, а калий входит в клетку; В состоянии покоя количество натрия вне клетки выше, а концентрация калия больше внутри клетки. При возникновении возбуждения на мембране натрий начинает поступать в клетку, а калий выходит из клетки. Далее наступает расслабление мембраны: для этого натрий необхидимо удалить из клетки, а калий закачать в клетку – для этого работает Na+-K+- АТФ-аза.

Механизм действия Na+-K+- АТФ-азы. Na+-K+- АТФ-аза открыта со стороны цитоплазмы, из цитоплазмы Na+-K+ - АТФ-аза захватывает ионы натрия, что вызывает распад АТФ до АДФ и фосфата, фосфат присоединяется к Na+-K+- АТФ-азе – фосфорилирование, что вызывает закрытие Na+-K+- АТФ-азы со стороны цитоплазмы и открытие со стороны внеклеточного пространства, выброс ионов натрия во внеклеточное пространство, захват ионов калия. После чего происходит отщепление фосфата от Na+-K+- АТФ-азы – дефосфорилирование и закрытие Na+-K+- АТФ-азы со стороны внеклеточного пространства и открытие со стороны цитоплазмы и выброс ионов калия.

б) Н+-К+-АТФаза – локализована на мембранах обкладочных клеток желудка, транспортирует ионы водорода в полость желудка для образования соляной кислоты, при этом калий идет в клетку желудка.

в) Са2+-АТФаза – локализована на мембранах клетки и эндоплазматического ретикулума. Транспортирует ионы кальция из цитоплазмы в эндоплазматический ретикулум, что важно для расслабления клетки после сокращения.

Механизм действия Са2+-АТФазы. Са2+-АТФаза открыта со стороны цитоплазмы, из цитоплазмы Са2+-АТФаза захватывает ионы кальция, что вызывает распад АТФ до АДФ и фосфата, фосфат присоединяется к Са2+-АТФазе – фосфорилирование, что вызывает закрытие Са2+-АТФазы со стороны цитоплазмы и открытие со стороны ЭПР, выброс ионов кальция в полость ЭПР. После чего происходит отщепление фосфата от Са2+-АТФазы – дефосфорилирование при участии ионов магния и закрытие Са2+-АТФазы со стороны ЭПР и открытие со стороны цитоплазмы, транспорт ионов кальция из клетки продолжается. Этот факт используется в медицине при применении магния сульфата для купирования судорожных приступов, которые вызваны снижением транспорта кальция из цитоплазмы, в результате чего уровень кальция в цитоплазме повышен, что вызывает повышение тонуса мышечных клеток и развитие судорог. Под действием магния, поступающем с магния сульфатом, кальций удаляется из цитоплазмы, происходит расслабление мышечных клеток, приступ купируется.

Вторично-активный транспорт – одно вещество идет по градиенту концентрации и тянет за собой другое вещество против градиента концентрации. Например,

А) транспорт глюкозы и аминокислот из полости кишечника или почечных канальцев в клетку кишечника или почечных канальцев. Сначала в клетку кишечника идет ион натрия по градиенту концентрации и тянет за собой молекулу глюкозы против градиента концентрации. Далее натрий удаляется из клетки кишечника в полость с помощью Na+-К+АТФазы. Таким образом, всасывание глюкозы в кишечнике или почечных канальцах зависит от концентрации натрия в полости кишечника или почечных канальцев. Если концентрация натрия снижена в полости кишечника или почечных канальцах, то перенос глюкозы в клетки кишечника и почечных канальцев снижается.

Б) Na+-Ca2+- ионообменник – после сокращения кальций удаляется из клетки против градиента, а натрий входит в клетку по градиенту. Далее натрий удаляется из клетки с помощью Na+-К+-АТФазы.

Эндоцитоз

Транспорт крупных молекул – белков, полисахаридов, сложных липидов - в клетку невозможен вышеописанными путями. Перенос крупных молекул в клетки осуществляется с помощью эндоцитоза. Например, сложные комплексы липопротеинов низкой плотности переносятся в клетки путем эндоцитоза. При этом сначала липопротеины взаимодействуют с рецепторами на поверхности клетки. Затем мембрана прогибается внутрь клетки в области взаимодействия липопротеинов с рецепторами, и постепенно липопротеины погружаются в клетку – эндоцитоз.

Экзоцитоз

Многие клетки секретируют сложные вещества в кровь, полость внутренних органов, межклеточное пространство. Например, железы внутренней секреции секретируют гормоны в кровь, железы внешней секреции секретируют ферменты в полость пищеварительного тракта, клетки фибробласты секретируют в межклеточное пространство белки соединительной ткани – коллаген. β-клетки островков Лангерганса поджелудочной железы содержат пузырьки с гормоном инсулином. При повышении концентрации глюкозы в крови – гипергликемии – в цитоплазме β-клеток поджелудочной железы увеличивается уровень кальция и калия, пузырьки, содержащие инсулин, подходят к клеточной мембране, мембраны пузырьков сливаются с клеточной мембраной, и инсулин секретируется в кровь – экзоцитоз.

Свободно-радикальные процессы в организме

Свободные радикалы – это вещества, содержащие неспаренный электрон – R*, в результате они являются химически активными. Могут атаковать другие вещества, вызывая образование новых радикалов.

Различают природные и чужеродные радикалы.

Природные радикалы делятся на:

- первичные; к ним относят супероксид-анион, нитроксид, семихинон;

Супероксид-анион – О₂*; образуется при присоединении к молекуле кислорода 4 электронов. Этот процесс активен в клетках и органоидах, где используется молекулярный кислород: эритроциты, фагоциты; органоиды – митохондрии, микросомы. Супероксид-анион выполняет антимикробную функцию: клетки фагоциты – моноциты, гранулоциты, макрофаги – содержат в мембране фермент НАДФН–оксидазу. При участии этого фермента протекает реакция

О₂ + НАДФН+Н⁺ О₂* + НАДФ⁺

В результате реакции образуется супероксид-анион, который повреждает клетки бактерий при сближении бактерий и фагоцитов.

О₂* повреждает мембраны самих фагоцитов, поэтому в составе фагоцитов присутствует фермент супероксиддисмутаза (СОД), который катализирует реакцию превращения О₂* в токсическое вещество – перекись водорода. СОД содержит кофермент – Сu ⁺²:

О₂* + Сu ⁺² О₂ + Сu ⁺

О₂* + Сu ⁺ + Н⁺ Н₂ О₂ + Сu ²⁺

Перекись водорода взаимодействует с ионами хлора, в результате образуется гипохлорит анион – HOCl^- - при участии фермента миелопероксидазы. Гипохлорит-анион также повреждает мембраны клеток бактерий.

Перекисное окисление липидов

Перекисное окисление липидов (ПОЛ) – процесс окисления липидов под действием активных радикалов и токсических веществ. Активными радикалами и токсическими веществами являются:

- супероксид-анион – активный радикал, образуется при присоединении к кислороду электронов. Это может происходить в митохондриях, микросомах, гемоглобине

- супероксид-анион превращается в токсическое вещество перекись водорода

- перекись водорода присоединяет электроны и протоны и образует гидроксид-анион – ОН- и гидроксильный радикал – ОН

Роль перекисного окисления липидов:

- участие в разрушении старых и синтезе новых фосфолипидов, что способствует обновлению мембран

- синтез стероидов

- обезвреживание токсических веществ

Активные радикалы атакуют полиненасыщенные жирные кислоты в составе фосфолипидов, отрывают от них электроны. При этом жирные кислоты сами становятся активными радикалами, которые могут атаковать другие жирные кислоты. Происходит цепная реакция. Эта реакция может прерываться при взаимодействии двух активных радикалов, при этом образуются пероксиды и гидроперекиси липидов. Кроме того, активность радикалов находится под контролем антиоксидантной системы (АОС). Аос представлена ферментативным и неферментативным звеном. Ферменты антиоксидантной системы:

- супероксиддисмутаза – содержит медь, участвует в обезвреживании супероксид-аниона, в результате образуется перекись водорода

- каталаза – разлагает перекись водорода на воду и кислород

- пероксидаза – разлагает перекись водорода и пероксиды липидов. В составе пероксидазы находится восстановленный глутатион, который при разложении перекиси водорода и пероксидов липидов окисляется

- глутатионредуктаза – восстанавливает окисленный глутатион.

Неферментативное звено антиоксидантной системы представлено витаминами – витамины С, Е, А. Витамин Е взаимодействует с активными радикалами, при этом радикалы снижают свою активность, а витамин Е окисляется. Восстановление витамина Е происходит при помощи аскорбиновой кислоты.

В норме существует баланс между ПОЛ и АОС. При сдвиге этого равновесия в сторону ПОЛ на фоне снижения активности АОС развиваются патологии.