Что осуществляет транспорт веществ в клетке
Транспорт веществ и мембран в клетке
Весь контент iLive проверяется медицинскими экспертами, чтобы обеспечить максимально возможную точность и соответствие фактам.
У нас есть строгие правила по выбору источников информации и мы ссылаемся только на авторитетные сайты, академические исследовательские институты и, по возможности, доказанные медицинские исследования. Обратите внимание, что цифры в скобках ([1], [2] и т. д.) являются интерактивными ссылками на такие исследования.
Если вы считаете, что какой-либо из наших материалов является неточным, устаревшим или иным образом сомнительным, выберите его и нажмите Ctrl + Enter.
Вещества циркулируют в клетке, будучи упакованными в мембраны («передвижение содержимого клетки в контейнерах»). Сортировка веществ и их передвижение связаны с наличием в мембранах комплекса Гольджи специальных белков-рецепторов. Транспорт через мембраны, в том числе и через плазматическую мембрану (цитолемму), является одной из важнейших функций живых клеток. Различают два типа транспорта: пассивный и активный. Пассивный транспорт не требует затрат энергии, активный транспорт энергозависимый.
Пассивный транспорт незаряженных молекул осуществляется по градиенту концентрации путем диффузии. Транспорт заряженных веществ зависит от разности потенциалов на поверхности цитолеммы. Как правило, внутренняя цитоплазматическая поверхность мембраны несет отрицательный заряд, что облегчает проникновение в клетку положительно заряженных ионов.
Переход ионов или молекул из зоны, где эти вещества находятся в более высокой концентрации, в зону с более низкой концентрацией получил название диффузии. Специфические транспортные белки, встроенные в мембрану, переносят через нее небольшие молекулы. Каждый транспортный белок осуществляет транспорт одного класса молекул или только одного соединения. Трансмембранные белки либо являются переносчиками, либо образуют «каналы». Диффузия может быть нейтральной, когда незаряженные вещества проходят между липидными молекулами или через белки цитолеммы, формирующие каналы. «Облегченная» диффузия происходит при участии специфических белков-переносчиков, связывающих вещество и переносящих его через мембрану. «Облегченная» диффузия протекает быстрее, чем нейтральная.
Характеристика транспортных процессов в клеточной мембране
» data-shape=»round» data-use-links data-color-scheme=»normal» data-direction=»horizontal» data-services=»messenger,vkontakte,facebook,odnoklassniki,telegram,twitter,viber,whatsapp,moimir,lj,blogger»>
ХАРАКТЕРИСТИКА ТРАНСПОРТНЫХ ПРОЦЕССОВ В МЕМБРАНЕ КЛЕТКИ
Одна из наиболее существенных функций биологических мембран – обеспечение избирательной проницаемости для веществ, транспортируемых в процессе жизнедеятельности как из клетки в среду, так и из среды во внутреннее пространство клетки. Отдельные части живой системы, разделенные мембраной, будь то разные клетки или отдельные компартменты внутриклеточной среды, функционируют как открытые системы. С помощью транспортных систем осуществляется регуляция объема клеток, величины рН и ионного состава цитоплазмы.
Среди многообразных явлений, протекающих в клетке, важное место занимают активный и пассивный транспорт веществ, осмос, фильтрация и биоэлектрогенез. Благодаря транспортным системам клетки накапливают метаболиты, важные для обеспечения энергетического цикла и метаболических процессов, выводят в окружающую среду токсические вещества, а также создают разность потенциалов на мембране. В настоящее время, очевидно, что все эти явления, так или иначе определяются барьерными свойствами клеточных мембран.
В зависимости от потребностей клетки транспорт веществ осуществляется или по или против концентрационного градиента. Способ проникновения через мембрану в значительной степени определяется свойствами вещества. Низкомолекулярные нейтральные вещества, такие, как газы, вода, аммиак, глицерин и мочевина, свободно диффундируют через биомембраны. Однако с увеличением размера молекулы теряют эту способность. К примеру, клеточные мембраны непроницаемы для глюкозы и других сахаров. Проницаемость биомембран зависит также от полярности веществ. Неполярные вещества, такие, как бензол, этанол, диэтиловый эфир и многие наркотики, способны проникать в клетку в результате диффузии. Напротив, для гидрофильных, особенно заряженных веществ, мембрана непроницаема. Однако во многих случаях именно такие вещества необходимы для функционирования клетки, поэтому в живых системах эволюционно сформировались специализированные транспортные системы для переноса таких веществ через мембрану.
Выделяют 5 разновидностей мембранного транспорта:
Перенос веществ через биологические мембраны осуществляется с помощью различных механизмов и протекает в основном без нарушения структурной целостности мембран. Если транспорт сопровождается уменьшением свободной энергии, он протекает самопроизвольно и называется пассивным.
Пассивный транспорт (пассивная или облегченная диффузия) происходит по направлению градиентов химического электрохимического) потенциала, результатом чего является уменьшение градиентов концентраций, если нет других процессов, которые обеспечивают их поддержание на постоянном уровне. Кроме указанных видов транспорта в мембране имеют место также процессы, не связанные со специфическими структурами. К таковым относится еще один вид транспорта.
Неспецифическая диффузия является процессом, не связанным со специфическими структурами – она осуществляется благодаря физико-химическим свойствам липидного бислоя. Объяснение механизма неспецифической диффузии через биологические мембраны малых молекул, таких как диметилформамид, вода или гидрофобные молекулы метанола, основано на представлении о динамических свойствах бислоя. Полагают, что малые молекулы могут достаточно быстро проникать через бислой вместе с кинками, возникающими в области дефектных зон в структуре бислоя. Такие короткоживущие мигрирующие образования нельзя считать порами, поскольку они не требуют специальных белковых образований. Неспецифическая диффузия осуществляется без участия специальных механизмов: вещества проникают через мембрану благодаря наличию кинков (от англ. kink – петля) или в области мембранных дефектов. Вследствие теплового движения хвостов молекул фосфолипидов кинки могут перемещаться поперек мембраны и переносить попавшие в них мелкие молекулы, в первую очередь, молекулы воды.
Облегченная диффузия требует для своего протекания наличия белков – порообразователей или переносчиков. Такими переносчиками служат антибиотики-каналоформеры (они различаются по специфичности: валиномицин высокоспецифичен для калия, иономицин – для кальция, грамицидин относительно мало специфичен для натрия) или белки порины, образующие поры для воды в наружной клеточной мембране (аквапорины) или в мембранах митохондрий (через них могут проникать даже низкомолекулярные белки).
Активный транспорт – процесс переноса веществ или ионов против их концентрационных градиентов, который так или иначе обеспечивается энергией метаболических процессов. Активный транспорт бывает первично-активным и вторично-активным. В случае ионного транспорта, обеспечиваемого транспортными АТФазами (их называют также ионными насосами), энергодающей стадией является гидролиз АТФ. Такой процесс называется первично-активным транспортом. Если же энергия обусловлена градиентом ионов, созданным независимо, например, в процессе первично-активного транспорта, этот процесс называется вторично-активным транспортом. Специальные мембранные структуры обеспечивают пассивный и активный транспорт, в число которых входят каналы, переносчики и ферменты, осуществляющие перемещение ионов (веществ) против их концентрационного градиента.
Кроме этих основных видов транспорта имеются специальные виды переноса веществ через мембрану, выделяемые в особую группу: они сопряжены с изменением структурной целостности мембран. Сюда относятся процессы высвобождения медиаторов при возбуждении синапсов (происходит слияние синаптических пузырьков с мембраной и высвобождение их содержимого в синаптическую щель), перенос генетического материала через ядерную мембрану, процессы пиноцитоза и экзоцитоза, а также деятельность пермеаз бактерий, обеспечивающих перемещение через клеточную стенку олигопептидов.
Перенос белков от одних органелл к другим происходит с помощью везикул. Везикулы отпочковываются от мембран одной органеллы, а затем исчезают, сливаясь с мембраной другой органеллы. Белки при этом находятся в полости пузырька или в составе мембран подобно интегральным белкам. Перенос через биомембраны белков со значительной молекулярной массой осуществляется специальными транспортными системами. Из цитоплазмы в ядро белки попадают через крупный (125000 кДа) заполненный водой пориновый комплекс. Транспорт белков через него энергозависим и поэтому может регулироваться. Ядерные белки несут одну или несколько сигнальных последовательностей, с помощью которых они связываются с пориновым комплексом и импортируются с сохранением третичной структуры. Импорт белков из цитоплазмы в органеллы осуществляется белками-переносчиками, которые представляют собой белковые комплексы, переносящие линейные полипептиды через биомембраны также энергозависимым образом. Специфичность процесса обеспечивается за счет связывания сигнальной последовательности с ближайшим рецептором. Процессы развертывания и вторичной укладки белков контролируются белками шаперонами.
Пассивный и активный виды транспорта ионов обеспечиваются специальными структурами. В их числе каналы, переносчики и ферменты, осуществляющие перемещение специфических ионов против их концентрационного градиента за счет энергии АТФ. Зачастую одни и те же механизмы могут использоваться и для пассивного, и для активного переноса, только в последнем случае они соединены с «биологическим трансформатором» энергии (АТФазой), обеспечивающим процесс активного транспорта энергией (рис. 40). Как пассивный, так и активный транспорт, в общем виде, подчиняется кинетике насыщения, что свидетельствует о наличии конечного числа участков переноса.
Движущими силами пассивного транспорта веществ через биологическую мембрану могут служить следующие градиенты: – концентрационный – для нейтральных молекул, – электрохимический – для ионов, – градиент гидростатического давления и осмотический градиент – для воды.
Трансмембранный градиент концентраций молекул различных веществ периодически возникает (или постоянно существует) на клеточной мембране в процессе жизнедеятельности. При определенных условиях через мембрану клетки осуществляется перемещение этих соединений в направлении их концентрационного градиента.
Следующие отличия характерны для облегченной диффузии:
Каналы, сформированные из матричных белков, значительно облегчают процесс переноса, но в отличие от белков-переносчиков, пронизывая мембрану насквозь, являются неподвижными.
Рис. 41. Зависимость скорости транспорта от концентрации транспортируемых молекул при канальном (I) и переносчиковом (II) механизме А – схема, Б – кинетическая зависимость.
Канальный и переносчиковый типы транспорта легко различить по концентрационной зависимости скорости транспортного процесса: канальный тип имеет линейную зависимость, а переносчиковый тип характеризуется кинетикой насыщения (рис. 42).
Ионные каналы играют очень важную роль в функционировании клеток. В частности, они обеспечивают передачу нервного импульса и мышечное сокращение. При исследовании бактерий Streptomyces lividans в 1998 г. Р. Маккиннон (лауреат Нобелевской премии по химии за 2003 год) показал, что калиевый канал состоит из белков, образующих тело канала, и «ионного фильтра», который в каждый момент времени занят двумя ионами калия. Размеры фильтра точно соответствуют размерам ионов калия, вследствие этого происходит их достаточно прочное связывание. Ионы проходят через канал по эстафетному механизму, когда связывание третьего иона в фильтре приводит к высвобождению первого иона с противоположной стороны канала.
Описанный механизм позволяет совместить высокую скорость с высокой избирательностью работы канала. Выявлены структурные особенности регуляции ионных каналов, которые обеспечивают их открывание и закрывание. За это свойство отвечает расположенная на противоположной стороне от ионного фильтра часть молекулы белка, которая имеет возможность осуществлять механические движения в ответ на приложение трансмембранной разности электрических потенциалов или связывание лиганда. Долгое время считалось, что для диффузии воды через клеточные мембраны достаточно ее естественной проницаемости через липидную часть мембран за счет движения кинков. В 1988 г. в лаборатории П. Агре (лауреата Нобелевской премии по химии за 2003 год) были описаны аквапорины – новый класс белков, которые высокоэффективно пропускают молекулы воды, будучи абсолютно непроницаемы ни для каких ионов, включая протоны.
В отличие от ионных каналов, аквапорины осуществляют избирательное пропускание воды через мембраны клеток. Аквапорины имеют молекулярную массу
30 кДа и находятся в мембране в виде тетрамеров (рис. 43). Они встречаются в клетках всех живых организмов и играют особенно важную роль в физиологии почек (у человека через них проходит до 170 л воды в сутки). Нарушения работы аквапоринов (например, в случае генетических дефектов этих белков) приводят к тяжелым патологиям.
Примером канального механизма переноса являются натриевые каналы возбудимых мембран. Иллюстрацией транспорта переносчикового типа является АТФ/АДФ-транслоказа, обеспечивающая перенос нуклеотидов через митохондриальую мембрану. Другой пример мембранных транспортеров представляют ионофоры – гидрофобные вещества, образующие с катионами жирорастворимые комплексы, способные встраиваться в мембрану. Эти молекулы могут функционировать по принципу как подвижных переносчиков, так и каналоформеров. Принцип действия ионофоров заключается в том, что они экранируют заряд транспортируемого иона, что позволяет ему пересекать по концентрационному градиенту гидрофобную область липидного бислоя биологической мембраны.
Примером ионофора, работающего как подвижный переносчик, может служить уже упоминавшийся депсипептид (пептид, который наряду с амидными участками содержит также и сложноэфирные связи) – валиномицин, продуцируемый одним из штаммов Streptomyces. Он способен образовывать комплексы с калием на 3 порядка более активно, чем с натрием. Это позволяет использовать валиномицин как специфический калиевый ионофор. В липидной фазе молекула валиномицина имеет форму манжетки, устланной изнутри полярными группами, а снаружи – неполярными гидрофобными остатками молекул валина (рис. 44). Образуя комплекс с ионами калия, попадающими внутрь молекулы-манжетки, валиномицин приобретает лучшую растворимость в липидной фазе мембраны. Ионы калия удерживаются внутри молекулы за счет межзарядных взаимодействий. Молекулы валиномицина, оказавшиеся у поверхности мембраны, могут захватывать из окружающей среды ионы калия и переносить его через мембрану, возвращаясь обратно с каким-нибудь противоионом (например, протоном). Таким образом, происходит челночный перенос ионов калия через мембрану.
Рис. 44. Валиномицин ([L-лактатL-валин-D-оксиизовалериановая кислота-D-валин]3) – циклический депсипептидпереносчик иона калия/ Ион калия фиксируется в центре за счет межзарядных взаимодействий с участием карбонильных групп пептида (кружки).
Примером челночного переносчика является ионофор А23186, транспортирующий двухвалентные катионы Са 2+ по принципу ионного обмена: на каждый двухвалентный катион, переносимый в клетку, он «выносит» из клетки 2 Н+. В конечном итоге работа этого переносчика не приводит к деполяризации мембраны. Другими словами, ионофор А23187 осуществляет электронейтральный антипорт. Этот ионофор часто используется в экспериментах для повышения концентрации свободного кальция в цитозоле.
К образованию каналов в мембране способны антибиотики трех групп: грамицидины, аламетицин и полиеновые антибиотики. Общим для них является то, что их молекулы амфифильны, благодаря чему они способны встраиваться в мембрану и образовывать поры, пронизывая мембрану (в виде одной молекулы или димера). Заряженные или полярные группы размещены в таких молекулах на одном конце молекулы. Таким образом, благодаря внутри- и межмолекулярным связям полярных групп они способны погружаться в мембрану, образуя в ней каналы. Известны и другие ионофоры, способные переносить как одно-, так и двухвалентные ионы: – нактины, энниатины, макроциклические полиэфиры (крауны), жирорастворимые слабые кислоты (протонофоры) и др.
Ионные каналы делятся на:
Потенциал-зависимые каналы устроены таким образом, что интегральный белок канальной структуры образует пору в мембране. В канале выделяют внутреннее и наружное устья и пору, которая с помощью воротного механизма может открываться и закрываться. Гидрофильные аминокислоты выстилают стенки поры, а гидрофобные – контактируют с липидной фазой мембраны. В канале имеются селективный фильтр, обеспечивающий специфичность канала, и сенсор градиента электрического потенциала на мембране. Открывание и закрывание воротного механизма каналов является результатом конформационных изменений в белке. При открывании ионного канала регистрируется резкое возрастание электрического тока через мембрану.
Проницаемость каналов составляет от 10 6 до 10 8 ионов в секунду, что на три порядка выше, чем транспорт ионов, осуществляемый ионными насосами или переносчиками, и на 11 порядков выше, чем простая диффузия ионов через мембрану. Отличительной особенностью ионных каналов является то, что в открытом состоянии они обеспечивают относительно постоянный поток ионов в одном направлении при конкретном значении мембранного потенциала и в определенной ионной среде. Односторонняя проницаемость – еще одна особенность транспорта ионов через каналы. В процессе транспорта через канал происходит взаимодействие иона с белком, поэтому передвижение ионов по каналам отличается от их транспорта через водные поры, в которых эти взаимодействия сведены до минимума.
В противоположность вышеописанным процессам активный транспорт осуществляется против градиента концентрации или заряда, поэтому он требует притока дополнительной энергии, которая обычно обеспечивается за счет гидролиза АТФ (иногда – за счет мембранного потенциала). Первично-активный транспорт ионов в большинстве случаев осуществляется транспортными АТФазами (ионными насосами), источником энергии для которых является гидролиз АТФ или пирофосфата. В мембранах хлоропластов и митохондрий при работе систем первично-активного ионного транспорта источником энергии является трансмембранный потенциал, создаваемый работой окислительно-восстановительных цепей. Некоторые транспортные процессы осуществляются за счет гидролиза других макроэргических соединений, как, например, фосфоенолпирувата, или же за счет энергии света.
Первично-активный транспорт отличается от пассивного тем, что одна из его стадий является энергозависимой. Первично-активный транспорт ионов мембранными ферментами часто демонстрирует отклонения от кинетики Михаэлиса – Ментен, которые могут быть обусловлены свойствами самой системы переноса. Типичный пример первично-активного транспорта – активный транспорт ионов. Он осуществляется специальными ионными насосами, которые представляют собой интегральные белки клеточных мембран. Функция ионных насосов заключается в переносе ионов через мембрану против электрохимического градиента за счет энергии гидролиза АТФ. В соответствии с этим ионные насосы обладают аденозинтрифосфат-фосфогидролазной активностью. Последняя специфически контролируется переносимыми насосом ионами и требует для своей работы ионов магния. Таким образом, ион-транспортирующие системы являются Mg-АТФазами, приобретшими способность дополнительной регуляции переносимыми ионами как кофакторами. В процессе их функционирования энергия химической связи АТФ превращается в энергию электрохимического градиента переносимых этими системами ионов. По этой причине понятно, почему синонимом термина «ионные насосы» стал термин «транспортные АТФазы». Транспортные АТФазы классифицируют по переносимым ими (и активирующим их работу) ионам. Четыре типа АТФаз имеют отношение к транспорту ионов – протонная (К,Н-зависимая)-АТФаза, анионная (НСО 3-)-АТФаза, Са-АТФаза и Na/K-АТФаза.
Активный транспорт ионов может быть электронейтральным или электрогенным. Транспортная система электронейтральна, если при ее функционировании происходит обмен внутриклеточных ионов на внеклеточные в эквивалентных (по заряду) количествах. Если транспорт веществ через мембрану не сопровождается накоплением заряда, то такой транспорт называют электронейтральным.
Транспорт может быть электронейтральным при соблюдении следующих условий:
В том случае, когда количество зарядов, переносимых за единицу времени в одном направлении, не компенсируется суммой зарядов, переносимых в противоположном направлении, транспортный механизм генерирует дополнительную разность потенциалов на мембране и называется электрогенным. Во время работы электрогенного насоса, например, Na/K-АТФазы, из клетки выносится 3 положительных заряда (3 иона Nа + ), а входят в клетку 2 положительных заряда (2 иона К + ), в результате чего в клетке происходит накопление положительных электрических зарядов, и на мембране возникает разность потенциалов. При работе электронейтрального насоса система активного транспорта является лишь средством поддержания концентрационных градиентов ионов и непосредственно не участвует в создании мембранного потенциала клетки. Существует классификация способов, которые обеспечивают транспорт веществ через клеточную мембрану (рис. 46).
Транспорт может идти по механизму унипорта (облегченной диффузии), согласно которому только одно вещество переносится через биомембрану в одном направлении с помощью канальных или транспортных белков (например, транспорт глюкозы в клетках печени). Примерами унипорта также являются транспорт ионов кальция через внутреннюю мембрану митохондрий. Транспортный процесс, который требует сопряженного переноса двух или более ионов (веществ) в одном направлении, называют симпортом, как, например, активный транспорт аминокислот или глюкозы вместе с ионами натрия в эпителиальных клетках кишечника протекает по механизму симпорта.
Таким образом, при симпорте и антипорте белки функционируют в режиме, при котором перенос одного растворенного вещества зависит от одновременного или последовательного переноса другого вещества. Указанные термины – антипорт и симпорт (котранспорт) – связывают не только с явлениями пассивного транспорта, осуществляющегося с помощью переносчика (например, симпорт анионов, осуществляющийся методом электрофореза), но и в случае, когда процесс сопряжен с энергозависимыми реакциями.
К вторично-активному транспорту относятся и процессы переноса, сопряженные с ферментативной модификацией переносимых соединений. Например, фосфотрансферазная система бактерий, отсутствующая у эукариот, фосфорилирует сахара в процессе их проникновения через мембрану, вовлекая их тем самым в клеточный метаболизм. У грам-отрицательных бактерий так переносятся D-глюкоза, D-фруктоза и D-глюкозамин. У грам- положительных бактерий набор переносимых веществ шире: сюда относятся также пентозы, сахароза, трегалоза, лактоза, глицерин. При этом лактоза и фруктоза фосфорилируются по С 1, остальные вещества – по концевому углероду.