Активният транспорт в тялото създава. Транспорт на вещества през клетъчните мембрани. Активен транспорт на вещества

Активният транспорт на веществата се осъществява срещу общия (генерализиран) градиент. Това означава, че преносът на вещество преминава от места с по-ниска стойност на електрохимичния потенциал към места с по-висока стойност.

Активният транспорт не може да протича спонтанно, а само във връзка с процеса на хидролиза на аденозинтрифосфат (АТФ), т.е. поради изразходването на енергия, съхранявана в макроергичните връзки на молекулата на АТФ.

Активният транспорт на веществата през биологичните мембрани е от голямо значение. Благодарение на активния транспорт в тялото се създават градиенти на концентрация, градиенти на електрически потенциал, градиенти на налягане и др., които поддържат жизнените процеси, тоест от гледна точка на термодинамиката активният транспорт поддържа тялото в неравновесно състояние , осигуряващи нормалното протичане на жизнените процеси.

В допълнение към източника на енергия е необходимо съществуването на определени структури, за да се осъществи активен пренос. Според модерни идеи, в биологичните мембрани има йонни помпи, които работят поради енергията на хидролизата на АТФ или така наречените транспортни АТФ-ази, представени от протеинови комплекси.

Понастоящем са известни три вида електрогенни йонни помпи, които извършват активен пренос на йони през мембраната. Това е K + -Na + -ATPase в цитоплазмените мембрани (K + -Na + -помпа), Ca 2+ - ATP-аза (Ca 2+ -помпа) и H + - ATP-аза в енергийно-свързващи митохондриални мембрани (H + - помпа или протонна помпа).

Прехвърлянето на йони чрез транспортни АТФази възниква поради конюгирането на процесите на пренос с химични реакции, дължащи се на енергията на клетъчния метаболизъм.

По време на работата на K + -Na + -ATPase, поради енергията, освободена по време на хидролизата на всяка ATP молекула, два калиеви йона се прехвърлят в клетката и три натриеви йона едновременно се изпомпват от клетката. По този начин се създава повишена концентрация на калиеви йони в клетката и намалена концентрация на натрий в сравнение с междуклетъчната среда, което е от голямо физиологично значение.

В Ca 2+ -ATPase два калциеви йона се пренасят поради енергията на хидролизата на АТФ и два протона се транспортират в Н + помпата.

Молекулярният механизъм на работата на йонните АТФази не е напълно разбран. Въпреки това се проследяват основните етапи на този сложен ензимен процес. В случая на K + -Na + -ATPase (ще го обозначим за краткост като E) има седем етапа на йонен трансфер, свързани с хидролизата на АТФ. Обозначенията E 1 и E 2 съответстват на местоположението на активния център на ензима върху вътрешната и външната повърхност на мембраната (ADP-аденозин дифосфат, P - неорганичен фосфат, звездичката показва активирания комплекс):

1) E + ATP à E*ATP,

2) E*ATP + 3Naà [E*ATP]*Na 3,

3) [E * ATP] * Na 3 à * Na 3 + ADP,

4) *Na 3 a *Na 3,

5) *Na 3 + 2K a *K 2 + 3Na,

6) *K 2 a *K 2,

7) *K 2 à E + P + 2K.

Схемата показва, че ключовите етапи от работата на ензима са: 1) образуването на ензимен комплекс с АТФ на вътрешната повърхност на мембраната (тази реакция се активира от магнезиевите йони); 2) свързване от комплекса от три натриеви йона; 3) фосфорилиране на ензима с образуването на аденозин дифосфат; 4) промяна в конформацията на ензима вътре в мембраната; 5) реакцията на йонен обмен на натрий за калий, протичаща на външната повърхност на мембраната; 6) обратна промяна в конформацията на ензимния комплекс с прехвърляне на калиеви йони в клетката и 7) връщане на ензима в първоначалното му състояние с освобождаване на калиеви йони и неорганичен фосфат. Така за пълен цикъл три натриеви йона се освобождават от клетката, цитоплазмата се обогатява с два калиеви йона и една молекула АТФ се хидролизира.

В допълнение към йонните помпи, разгледани по-горе, са известни подобни системи, в които натрупването на вещества е свързано не с хидролизата на АТФ, а с работата на редокс ензимите или фотосинтезата. Транспортът на вещества в този случай е вторичен, медииран от мембранния потенциал и (или) концентрационния градиент на йони в присъствието на специфични носители в мембраната. Този транспортен механизъм се нарича вторичен активен транспорт. В плазматичните и субклетъчните мембрани на живите клетки е възможно едновременното функциониране на първичен и вторичен активен транспорт. Такъв механизъм на прехвърляне е особено важен за онези метаболити, за които няма помпи (захари, аминокиселини).

Съвместният еднопосочен пренос на йони с участието на двуместен носител се нарича симпорт. Предполага се, че мембраната може да съдържа носител в комплекс с катион и анион и празен носител. Тъй като мембранният потенциал не се променя при такава схема на пренос, причината за преноса може да бъде разликата в концентрациите на един от йоните. Смята се, че натрупването на аминокиселини от клетките се извършва по схемата на симпорта.

Изводи и заключение.

В процеса на живот границите на клетката се пресичат от различни вещества, чиито потоци се регулират ефективно. Клетъчната мембрана се справя с тази задача с транспортни системи, вградени в нея, включително йонни помпи, система от молекули-носители и високо селективни йонни канали.

Такова изобилие от системи за пренос на пръв поглед изглежда излишно, тъй като работата само на йонни помпи позволява да се осигури характеристикибиологичен транспорт: висока селективност, пренос на вещества срещу силите на дифузия и електрическо поле. Парадоксът обаче е, че броят на потоците, които трябва да се регулират, е безкрайно голям, а помпите са само три. В този случай механизмите на йонна конюгация, наречени вторичен активен транспорт, в които дифузните процеси играят важна роля, придобиват особено значение. По този начин комбинацията от активен транспорт на вещества с явленията на дифузионен трансфер в клетъчната мембрана е основата, която осигурява жизнената активност на клетката.

Разработено от ръководителя на катедрата по биологична и медицинска физика, кандидат на физико-математическите науки, доцент Новикова Н.Г.

Активен транспорт - летлив трансмембранен транспорт срещу електрохимичен градиент. Разграничете първичния и вторичния активен транспорт. Извършва се първичен активен транспорт помпи(различни АТФази), вторични - симпортери(комбиниран еднопосочен транспорт) и антипортери(насрещен многопосочен трафик).

 Основно активен транспорт. Движещата сила на трансмембранния трансфер възниква от ензимната хидролиза на високоенергийните връзки на АТФ. Общ термин за такива АТФази (напр. Na + ,K + -, H + ,K + -, Ca 2+ ‑ATPase) - помпи.

 вторичен активен транспорт. Движеща сила за трансмембранен транспорт на едно вещество (или йони) срещу електрохимичен градиентвъзниква поради потенциалната енергия, съхранявана поради комбинирания трансфер на йони (обикновено Na +) по електрохимичния градиент. В повечето случаи навлизането на Na + в цитозола от междуклетъчното пространство осигурява вторичен активен транспорт на различни йони и вещества. Има 2 вида вторичен активен трансфер - симпорти антипорт(фиг. 2–6).

 Основно активен транспортосигуряват следните помпи - натриеви, калиеви АТФази, протонни и калиеви АТФази, Ca 2+ транспортиращи АТФази, митохондриални АТФази, лизозомни протонни помпи и др.

 Натрий, калиева АТФаза(Фиг. 2–11) регулира трансмембранните потоци на основни катиони (Na +, K +) и индиректно - вода (което поддържа постоянен клетъчен обем), осигурява Na + -свързан трансмембранен трансфер (симпорт и антипорт) на много органични и неорганични молекули, участва в създаването на MT на покой и генерирането на AP на нервни и мускулни елементи.

 Електрогенност. При всеки цикъл на хидролиза на АТФ, 3 Na + йона се изхвърлят от клетката и 2 K + йона навлизат в цитозола, общият ефект е освобождаването на един катион от клетката. С други думи, Na +,K + - помпата е електрогенна: нейната работа води до поддържане на положителен заряд върху външната (извънклетъчната) повърхност на мембраната.

 сърдечни гликозиди(например уабаин и дигоксин) блокират работата на Na +, K + -помпата, конкурирайки се с K +, взаимодействайки с K + свързващото място на външната повърхност на мембраната. В резултат на това при хипокалиемия (ниска кръвна плазма) се увеличава токсичността на сърдечните гликозиди.

Ориз. 2–11 . Na+,К+–помпа. Модел на Na +,K + -АТФаза, вградена в плазмената мембрана. Na + ,K + -помпа - интегрален мембранен протеин, състоящ се от 4 SE (каналобразуващи 2 каталитични субединици  и 2 гликопротеина ). Na + ,K + - помпа транспортира катиони срещу електрохимичния градиент ( X) - транспортира Na + от клетката в замяна на K + (по време на хидролизата на една ATP молекула 3 Na + йона изпомпва сеизвън клетката и 2 K+ йони се изпомпватв него). Отляво и отдясно на помпата стрелките показват посоките на трансмембранния поток от йони и вода в клетката (Na +) и извън клетката (K +, Cl - и вода) поради разликите в техните   X . ADP - аденозин дифосфат, Fn - неорганичен фосфат.

 Протони калиева АТФаза(H + ,K + ‑помпа). С помощта на този ензим париеталните клетки на жлезите на стомашната лигавица участват в образуването на солна киселина (електронеутрален обмен на 2 извънклетъчни K + йони за 2 вътреклетъчни H + йони по време на хидролизата на една ATP молекула).

 H + ,K + ‑ATPase - хетеродимер (2 високомолекулни ‑CE и 2 по-ниски молекулни тегла и силно гликозилиран ‑CE).

 ‑CE - основният Ag, към който при някои заболявания (например при витамин B 12 - анемия и атрофичен гастрит) циркулират антитела в кръвта.

 Ca 2+-транспортиращи АТФази(Ca 2+ -ATPase) изпомпват калциеви йони от цитоплазмата в замяна на протонисрещу значителен електрохимичен градиент Ca 2+.

 Ca 2+‑АТФази на плазмената мембранапренасят калциеви йони от цитоплазмата в извънклетъчното пространство в замяна на протони (1 H + в замяна на 1 Ca 2 + хидролиза на 1 молекула АТФ).

 Ca 2+‑АТФази в саркоплазмения ретикулум. Подобно на Ca 2+ -ATPase на плазмолемата, Ca 2+ -транспортираща ATPase на саркоплазмения ретикулум изпомпва калциевите йони от цитоплазмата(2 H+ в замяна на 2 Ca 2 + по време на хидролизата на 1 молекула АТФ), но не в извънклетъчното пространство, а в вътреклетъчни запаси от калций(в затворените междумембранни обеми на гладкия ендоплазмен ретикулум, наречен в скелетната MV и кардиомиоцитите - саркоплазмен ретикулум). Недостатъчността на Ca 2+ -ATPase на саркоплазмения ретикулум се проявява чрез симптоми на мускулна умора (миопатия) по време на тренировка.

 Митохондриална АТФазатип F (F 0 F 1) - АТФ-синтаза на вътрешната мембрана на митохондриите - катализират крайния етап на синтеза на АТФ (фиг. 2-12). Митохондриалните кристи съдържат АТФ синтаза, която свързва окислението в цикъла на Кребс и ADP фосфорилирането до АТФ. АТФ се синтезира, когато протоните се връщат обратно в матрицата през канал в АТФ-синтезиращия комплекс.

Химиосмотично свързване. Конюгирането на електронен трансфер и синтез на АТФ (механизъм, предложен от Питър Мичъл през 1961 г.) осигурява протонен градиент. Вътрешната мембрана е непропусклива за аниони и катиони. Въпреки това, когато електроните преминават през дихателната верига, H+ йони се изпомпват от митохондриалната матрица в междумембранното пространство (фиг. 2–12). Тази енергия на електрохимичния протонен градиент се използва за синтез на АТФ и транспорт на метаболити и неорганични йони в матрицата.

Ориз. 2–12 . Механизмът на хемиосмотичното свързване по време на образуването на АТФ в митохондриите. Когато електроните се транспортират по дихателната верига, Н + навлиза в интермембранното пространство на митохондриите от матрицата през вътрешната мембрана в интермембранното пространство на митохондриите. Създаденият по този начин електрохимичен градиент ( H) позволява на АТФ синтазата да катализира реакцията АДФ + неорганичен фосфат (Pn)  АТФ.

 Лизозомни протонни помпи(H+-АТФаза тип V [от Vesicular]), вградена в мембраните около лизозомите (също комплекса на Голджи и секреторните везикули), транспортира H+ от цитозола до тези мембранни органели. В резултат на това стойността на рН в тях намалява, което оптимизира функциите на тези структури.

 ABC конвейери(от А TP- б inding ° С assette - ATP-свързваща последователност) - или ATP хидролизиращи помпи за активен транспорт на различни йони и молекули, или йонни канали или регулатори на йонни канали. Да ген CFTR(от трансмембранен регулатор на кистозна фиброза - трансмембранен регулатор на кистозна фиброза) кодира структурата на хлоридния канал (едновременно регулатор на функционирането на други канали), чиято мутация води до развитие на кистозна фиброза (муковисцидоза).

 вторичен активен транспорт. Има 2 форми на активен вторичен транспорт: комбиниран ( симпорт) и брояч ( антипорт) (виж Фиг. 2–6).

 Symport- комбиниран трансфер (котранспорт, комбиниран транспорт) - движението на две вещества през мембраната с помощта на един и същ носител (симпортер).

 Антипорт- едновременно трансмембранно движение на две вещества, но в противоположна посока (насрещен транспорт) с помощта на един и същ носител (антипортер, обменник).

 Symportреализират интегрални мембранни протеини. Прехвърлянето на веществото X срещу неговия електрохимичен градиент ( X) в повечето случаи става поради навлизането в цитозола от междуклетъчното пространство по дифузионния градиент на натриевите йони (т.е. поради  Na), а в някои случаи - поради навлизане в цитозола от междуклетъчното пространство по градиента на протонна дифузия (т.е. поради  H). В резултат на това както йони (Na + или H +), така и вещество X (например глюкоза, аминокиселини, неорганични аниони, калиеви и хлоридни йони) се преместват от междуклетъчното вещество към цитозола.

 Усвояване на глюкозанастъпва през апикалните повърхности на клетките, граничещи с лумена на проксималните извити тубули на бъбреците и тънките черва, използвайки комбиниран транспорт с Na + йони. Различните изоформи на транспортера пренасят Na+ и глюкоза в съотношение 1:1 или 2:1. Изчисленията показват, че максималната концентрация на глюкоза в клетката може да бъде 100 или 10 4 пъти по-висока от концентрацията й в кръвната плазма.

активен транспорт- това е пренасяне на вещество от места с по-ниска стойност на електрохимичния потенциал към места с по-голяма стойност.

Активният транспорт в мембраната е придружен от увеличаване на енергията на Гибс, той не може да премине спонтанно, а само във връзка с процеса на хидролиза на аденозинтрифосфорна киселина (АТФ), т.е. поради изразходването на енергия, съхранявана в макроергичните облигации на ATP.

Активният транспорт на веществата през биологичните мембрани е от голямо значение. Благодарение на активния транспорт в тялото се създават градиенти на концентрация, градиенти на електрически потенциал, градиенти на налягане и др., Които поддържат жизнените процеси, т.е. от гледна точка на термодинамиката активният трансфер поддържа организма в неравновесно състояние, поддържа живота.

Наличието на активен транспорт на вещества през биологични мембрани е доказано за първи път в експериментите на Ussing (1949), като се използва примерът за пренос на натриеви йони през кожата на жаба (фиг. 12).

Ориз. 12.Схема на експеримента на Using (A - амперметър, V - волтметър, B - батерия, P - потенциометър)

Експерименталната камера на Ussing, пълна с нормален разтвор на Ringer, беше разделена на две части с прясно изолирана жабешка кожа. На фиг. 12, отляво - външната мукозна повърхност на кожата, отдясно - вътрешната серозна. През кожата на жабата се наблюдават потоци от натриеви йони: отляво надясно от външната към вътрешната повърхност и отдясно наляво от вътрешната към външната повърхност.

От уравнението на Теорел, описващо пасивния транспорт, следва Уравнение на Узинг-Теорелза съотношението на тези потоци в случай на пасивен транспорт:

J m , ext / j m , ext = (С ext / С ext)×e ZF j / RT

Върху кожата на жаба, която отделя разтвора на Рингер, възниква потенциална разлика (j ext -j nar) - вътрешната страна на кожата има положителен потенциал спрямо външната. Инсталацията на Ussing (фиг. 12) имаше устройство за компенсиране на напрежението, с помощта на което потенциалната разлика върху кожата на жабата беше настроена на нула, което се контролираше от волтметър. Същата концентрация на йони се поддържа от външната и вътрешната страна C nar = C ext.

При тези условия, ако преносът на натрий през кожата на жаба се определя само от пасивен транспорт, тогава според уравнението на Ussing-Theorell потоците j m ,in и j m ,ex са равни един на друг: j m ,in = j m ,пр

Общият поток през мембраната ще бъде нула.

С помощта на амперметър беше установено, че при условията на експеримента (отсъствието на градиенти на електрически потенциал и концентрация) електрически ток I протича през кожата на жаба, следователно, еднопосочен трансфер на заредени частици възниква. Установено е, че през кожата протича ток от външната среда към вътрешната.

Експерименталните данни неоспоримо свидетелстват, че преносът на натриеви йони през кожата на жаба не се подчинява на уравнението на пасивния транспорт. Следователно се извършва активен трансфер.

Електрогенни йонни помпи

Според съвременните представи биологичните мембрани съдържат йонни помпи,работещи поради свободната енергия на хидролизата на АТФ - специални системи от интегрални протеини (транспортни АТФази).

Понастоящем са известни три вида електрогенни йонни помпи, които извършват активен пренос на йони през мембраната (фиг. 13).

Прехвърлянето на йони чрез транспортни АТФази възниква поради конюгирането на процесите на пренос с химични реакции, дължащи се на енергията на клетъчния метаболизъм.

По време на работата на K + -Na + -ATPase, поради енергията, освободена по време на хидролизата на всяка ATP молекула, два калиеви йона се прехвърлят в клетката и три натриеви йона едновременно се изпомпват от клетката. По този начин се създава повишена концентрация на калиеви йони в клетката и намалена концентрация на натрий в сравнение с междуклетъчната среда, което е от голямо физиологично значение.

В Ca 2+ -ATPase два калциеви йона се пренасят поради енергията на хидролизата на АТФ и два протона се транспортират в Н + помпата.

Фиг.13. Видове йонни помпи: а) K + -Na + - АТФаза в цитоплазмените мембрани

(K + -Na + -помпа); б) - Ca 2+ -ATPase (Ca 2+ -помпа); в) - H + -ATPase в енергийно-свързващите мембрани на митохондриите, хлоропластите (H + -помпа или протонна помпа)

Молекулярният механизъм на работата на йонните АТФази не е напълно разбран. Въпреки това основните етапи на този сложен ензимен процес могат да бъдат проследени. В случая на K + -Na + -ATPase има седем етапа на йонен трансфер, свързани с хидролизата на АТФ.

Диаграмата показва, че ключовите етапи на ензима са:

1) образуването на ензимен комплекс с АТФ върху вътрешната повърхност на мембраната (тази реакция се активира от магнезиеви йони);

2) свързване от комплекса от три натриеви йона;

3) фосфорилиране на ензима с образуването на аденозин дифосфат;

4) флип (флип-флоп) на ензима вътре в мембраната;

5) реакцията на йонен обмен на натрий за калий, протичаща на външната повърхност на мембраната;

6) обратен оборот на ензимния комплекс с прехвърляне на калиеви йони в клетката;

7) връщането на ензима в първоначалното му състояние с освобождаване на калиеви йони и неорганичен фосфат (P).

Така за пълен цикъл три натриеви йона се освобождават от клетката, цитоплазмата се обогатява с два калиеви йона и една молекула АТФ се хидролизира.

Вторичен активен транспорт на йони.

В допълнение към йонните помпи, разгледани по-горе, са известни подобни системи, в които натрупването на вещества е свързано не с хидролизата на АТФ, а с работата на редокс ензимите или фотосинтезата. Транспортът на вещества в този случай е вторичен, медииран от мембранния потенциал и/или градиента на концентрацията на йони в присъствието на специфични носители в мембраната. Този транспортен механизъм се нарича вторичен активен транспорт. Този механизъм е разгледан най-подробно от Peter Mitchell (1966) в хемиосмотичната теория за окислителното фосфорилиране. В плазматичните и субклетъчните мембрани на живите клетки е възможно едновременното функциониране на първичен и вторичен активен транспорт. Пример за това е вътрешната мембрана на митохондриите. Инхибирането на АТФ-аза в него не лишава частицата от способността да натрупва вещества поради вторичен активен транспорт. Този метод на натрупване е особено важен за тези метаболити, за които няма помпи (захари, аминокиселини).

В момента са проучени задълбочено три схеми на вторичен активен транспорт. Нека разгледаме транспортирането на едновалентни йони с участието на молекули-носители. Това означава, че носителят в натоварено или ненатоварено състояние еднакво добре преминава през мембраната. Източникът на енергия е мембранният потенциал и/или концентрационният градиент на един от йоните. Схемите са показани на фиг.14. Нарича се еднопосочен транспорт на йон в комплекс със специфичен носител унипорт . В този случай зарядът се прехвърля през мембраната или от комплекс, ако молекулата на носителя е електрически неутрална, или от празен носител, ако преносът се осигурява от зареден носител. Резултатът от преноса ще бъде натрупването на йони поради намаляване на мембранния потенциал. Този ефект се наблюдава по време на натрупването на калиеви йони в присъствието на валиномицин в енергизирани митохондрии.

Нарича се обратен пренос на йони с участието на едноместна молекула носител антипорта . Тук се приема, че молекулата носител образува силен комплекс с всеки от прехвърлените йони. Трансферът се извършва на два етапа: първо, един йон пресича мембраната отляво надясно, след това вторият йон пресича мембраната в обратна посока. Мембранният потенциал не се променя. Каква е движещата сила зад този процес? Очевидно разликата в концентрациите на един от прехвърлените йони. Ако първоначално не е имало разлика в концентрацията на втория йон, тогава прехвърлянето ще доведе до натрупване на втория йон поради намаляване на разликата в концентрациите на първия. Класически пример за антипорт е преносът на калиеви и водородни йони през клетъчната мембрана с участието на молекулата на антибиотика нигерицин.

Нарича се съвместен еднопосочен транспорт на йони с участието на двуместен носител симпорт . Предполага се, че мембраната може да съдържа две електрически неутрални частици: носител в комплекс с катион и анион и празен носител. Тъй като мембранният потенциал не се променя при такава схема на пренос, причината за преноса може да бъде разликата в концентрациите на един от йоните. Смята се, че натрупването на аминокиселини от клетките се извършва по схемата на симпорта. Калиево-натриевата помпа (фиг. 13) създава начален концентрационен градиент на натриеви йони, които след това, според схемата на симпорта, допринасят за натрупването на аминокиселини. От схемата на симпорта следва, че този процес трябва да бъде придружен от значителна промяна в осмотичното равновесие, тъй като две частици се транспортират през мембраната в един цикъл в една посока.

Фиг.14. Основни схеми на вторичен активен йонен транспорт

В процеса на живот границите на клетката се пресичат от различни вещества, чиито потоци се регулират ефективно. Клетъчната мембрана се справя с тази задача с транспортни системи, вградени в нея, включително йонни помпи, система от молекули-носители и високо селективни йонни канали.

На пръв поглед такова изобилие от системи за пренос изглежда излишно, тъй като работата само на йонни помпи позволява да се осигурят характерните характеристики на биологичния транспорт: висока селективност, пренос на вещества срещу дифузионни сили и електрическо поле. Парадоксът обаче е, че броят на потоците, които трябва да се регулират, е безкрайно голям, а помпите са само три. В този случай механизмите на йонна конюгация, наречени вторичен активен транспорт, в които дифузните процеси играят важна роля, придобиват особено значение. По този начин комбинацията от активен транспорт на вещества с явленията на дифузионен трансфер в клетъчната мембрана осигурява жизнената активност на клетката.

Мембранните транспортни протеини участват в транспорта на йони през плазмалемата. Тези протеини могат да провеждат едно вещество в една посока (uniport) или няколко вещества едновременно (symport), а също така, заедно с внасянето на едно вещество, премахват друго от клетката (antiport). Глюкозата, например, може да се импортира в клетките заедно с Na+ йона. Йонният транспорт може да се осъществи по градиент на концентрация, т.е. пасивно, без допълнителна консумация на енергия. В случай на пасивен транспорт, някои мембранни транспортни протеини образуват молекулни комплекси, канали, през които молекулите на разтвореното вещество преминават през мембраната чрез проста дифузия по градиент на концентрация. Някои от тези канали са постоянно отворени, други могат да се затварят или отварят в отговор или на свързване със сигнални молекули, или на промени във вътреклетъчната концентрация на йони. В други случаи специални мембранни протеини-носители избирателно се свързват с определен йон и го пренасят през мембраната (улеснена дифузия). Концентрацията на йони в цитоплазмата на клетките се различава рязко не само от концентрацията във външната среда, но дори и от кръвната плазма, която къпе клетките в тялото на висшите животни. Общата концентрация на едновалентни катиони както вътре в клетките, така и извън тях е почти еднаква (150 mM), изотонична. Но в цитоплазмата концентрацията на K + е почти 50 пъти по-висока, а Na + е по-ниска, отколкото в кръвната плазма, и тази разлика се поддържа само в жива клетка: ако клетката е убита или метаболитните процеси са потиснати в нея, след известно време йонните разлики от двете страни на плазмената мембрана ще изчезнат. Можете просто да охладите клетките до +2 o C и след известно време концентрациите на K + и Na + от двете страни на мембраната ще станат еднакви. Когато клетките се нагреят, тази разлика се възстановява. Това явление се дължи на факта, че в клетките има мембранни протеинови носители, които работят срещу концентрационния градиент, като същевременно изразходват енергия поради хидролиза на АТФ. Този вид пренос на вещества се нарича активен транспорт и се осъществява с помощта на протеинови йонни помпи. Плазмената мембрана съдържа молекула от две субединици (K + + Na +) - помпа, която също е АТФаза. Тази помпа изпомпва 3 Na+ йона в един цикъл и изпомпва 2 K+ йона в клетката срещу градиента на концентрация. В този случай се изразходва една молекула АТФ, която отива за фосфорилиране на АТФаза, в резултат на което Na + се прехвърля през мембраната от клетката, а K + получава възможност да се свърже с протеиновата молекула и след това да бъде прехвърлен в клетка. В резултат на активен транспорт с помощта на мембранни помпи, концентрацията на двувалентни катиони Mg 2+ и Ca + също се регулира в клетката, също с консумацията на АТФ. В комбинация с активен транспорт на йони, различни захари, нуклеотиди и аминокиселини проникват през плазмената мембрана. По този начин активният транспорт на глюкоза, която симпортно (едновременно) навлиза в клетката заедно с потока на пасивно транспортирания Na+ йон, ще зависи от активността на (K+, Na+) помпата. Ако тази помпа бъде блокирана, тогава скоро разликата в концентрацията на Na + от двете страни на мембраната ще изчезне, докато дифузията на Na + в клетката ще намалее и в същото време потокът на глюкоза в клетката ще Спри се. Веднага щом работата на (K + + Na +) -ATPase се възстанови и се създаде разлика в концентрацията на йони, дифузният поток на Na + незабавно се увеличава и в същото време транспортът на глюкоза. Като този

осъществява се транспорт на аминокиселини, които се транспортират през мембраната от специални протеини-носители, които работят като симпортни системи, като едновременно с това транспортират йони. Активният транспорт на захари и аминокиселини в бактериалните клетки се дължи на градиент на водородни йони. Само по себе си участието на специални мембранни протеини в пасивния или активен транспорт на нискомолекулни съединения показва високата специфичност на този процес. Дори в случай на пасивен транспорт на йони, протеините „разпознават“ даден йон, взаимодействат с него, свързват се специфично, променят своята конформация и функция. Следователно, вече в примера за транспортиране на прости вещества, мембраните действат като анализатори, като рецептори. Рецепторната функция на мембраната се проявява особено, когато клетката абсорбира биополимери.

Междуклетъчни контакти.

В многоклетъчните организми, поради междуклетъчните взаимодействия, се образуват сложни клетъчни ансамбли, поддържането на които се осъществява по различни начини. В зародишните, ембрионални тъкани, особено в ранните стадии на развитие, клетките остават свързани една с друга поради способността на техните повърхности да се слепват. Този имот адхезия(свързване, адхезия) на клетките може да се определи от свойствата на тяхната повърхност, които специфично взаимодействат една с друга. Понякога, особено при еднослоен епител, плазмените мембрани на съседните клетки образуват множество инвагинации, наподобяващи дърводелски шев. Това създава допълнителна здравина на междуклетъчната връзка. В допълнение към тази проста адхезивна (но специфична) връзка, има редица специални междуклетъчни структури, контакти или връзки, които изпълняват определени функции. Това са заключващи, анкерни и комуникационни връзки. Заключващ или стегнатвръзката е характерна за еднослоен епител. Това е зоната, където външните слоеве на двете плазмени мембрани са възможно най-близо. Трислойната мембрана често се вижда в този контакт: двата външни осмиофилни слоя на двете мембрани изглежда се сливат в един общ слой с дебелина 2–3 nm. На равнинни препарати на фрактури на плазмената мембрана в зоната на плътен контакт, използвайки метода на замразяване и отрязване, беше установено, че точките на контакт на мембраните са глобули (най-вероятно специални интегрални протеини на плазмената мембрана), подредени в редове. Такива редици от глобули или ивици могат да се пресичат по такъв начин, че да образуват вид решетка или мрежа на повърхността на разцепването.Тази структура е много характерна за епитела, особено за жлезистия и чревния. В последния случай плътният контакт образува непрекъсната зона на сливане на плазмени мембрани, обграждащи клетката в нейната апикална (горна, гледаща в чревния лумен) част. По този начин всяка клетка от слоя е, така да се каже, заобиколена от лента на този контакт. Такива структури със специални петна могат да се видят под светлинен микроскоп. Те са получили от морфолозите името на затварящите плочи. В този случай ролята на затварящия плътен контакт е не само в механичното свързване на клетките една с друга. Тази контактна зона е слабо пропусклива за макромолекули и йони и по този начин заключва, блокира междуклетъчните кухини, изолира ги (а с тях и вътрешната среда на тялото) от външната среда (в този случай чревния лумен). Въпреки че всички тесни връзки са бариери за макромолекулите, тяхната пропускливост за малки молекули варира в различните епители. Анкериране (съединител)връзки или контакти се наричат ​​така, защото не само свързват плазмените мембрани на съседни клетки, но също така се свързват с фибриларните елементи на цитоскелета. Този тип съединения се характеризират с наличието на два вида протеини. Един от тях е представен от трансмембранни линкерни (свързващи) протеини, които участват или в действителната междуклетъчна връзка, или във връзката на плазмалемата с компонентите на извънклетъчния матрикс (епителна базална мембрана, извънклетъчни структурни протеини съединителната тъкан). Вторият тип включва вътреклетъчни протеини, които свързват или закотвят мембранните елементи на такъв контакт с цитоплазмените фибрили на цитоскелета. Междуклетъчни точкови закрепващи връзки са открити в много неепителни тъкани, но структурата на закрепващите (адхезивни) връзки е по-ясно описана. ленти, или колани, в еднослоен епител. Тази структура обхваща целия периметър на епителната клетка, подобно на това, което се случва в случай на тясна връзка. Най-често такъв колан или лента лежи под плътната връзка. На това място плазмените мембрани се сближават и дори донякъде се отдалечават на разстояние 25–30 nm, а между тях се вижда зона с повишена плътност. Това не е нищо повече от местата на взаимодействие на трансмембранните гликопротеини, които с участието на Ca ++ йони специфично се прилепват един към друг и осигуряват механична връзка на мембраните на две съседни клетки. Свързващите протеини принадлежат към кадхерините, рецепторни протеини, които осигуряват специфично разпознаване на хомогенни мембрани от клетките. Разрушаването на слоя гликопротеини води до изолиране на отделни клетки и разрушаване на епителния слой. От цитоплазмената страна, близо до мембраната, се вижда натрупване на плътно вещество, към което приляга слой от тънки (6–7 nm) нишки, лежащи по дължината на плазмената мембрана под формата на сноп, който минава по целия периметър на клетката. Тънките нишки са актинови фибрили; те се свързват с плазмената мембрана чрез протеина винкулин, който образува плътен перимембранен слой. Функционалното значение на лентовото съединение се състои не само в механичната адхезия на клетките една към друга: със свиването на актиновите нишки в лентата, формата на клетката може да се промени. Фокални контакти или плаки на съединителя, се намират в много клетки и са особено добре проучени във фибробластите. Те са изградени по общ план с лепенки, но са изразени под формата на малки зони - плаки върху плазмалемата. В този случай трансмембранните линкерни протеини се свързват специфично с извънклетъчни матрични протеини, като фибронектин. От страна на цитоплазмата същите тези гликопротеини са свързани с мембранни протеини, които също включват винкулин, който от своя страна е свързан със сноп от актинови нишки. Функционалното значение на фокалните контакти се състои както в закрепването на клетката към извънклетъчните структури, така и в създаването на механизъм, който позволява на клетките да се движат. Дезмозоми, които приличат на плаки или копчета, също свързват клетките една с друга. В междуклетъчното пространство тук също се вижда плътен слой, представен от взаимодействащи интегрални мембранни гликопротеини - дезмоглеини, които също, в зависимост от Ca ++ йони, свързват клетките една с друга. От страна на цитоплазмата, слой от десмоплакинов протеин е в съседство с плазмолемата, с която са свързани междинните нишки на цитоскелета. Десмозомите се намират най-често в епитела, като в този случай междинните нишки съдържат кератини. Клетките на сърдечния мускул, кардиомиоцитите, съдържат десминови фибрили като част от дезмозоми. В съдовия ентотел десмозомите съдържат виментинови междинни нишки. Хемидесмозоми - сходни по структура с десмозомата, но са връзка на клетки с междуклетъчни структури. Функционалната роля на десмозомите и хемидесмозомите е чисто механична: те свързват клетките една с друга и с подлежащия извънклетъчен матрикс. За разлика от плътния контакт, всички видове съединителни контактипропускливи за водни разтвори и не играят роля за ограничаване на дифузията. Празни контактисе считат за комуникационни връзки на клетките. Тези структури участват в директния трансфер на химикали от клетка на клетка. Този тип контакти се характеризират със сближаване на плазмените мембрани на две съседни клетки на разстояние 2 - 3 nm. Използване на метода на замразяване - чипиране. Оказа се, че зоните на свързване на празнини (с размер от 0,5 до 5 μm) върху разцепванията на мембраните са осеяни с частици с диаметър 7–8 nm, подредени шестоъгълно с период от 8–10 nm и с около 2 широки ямки в центъра на канала. Тези частици се наричат ​​коннексони. Може да има от 10-20 до няколко хиляди коннексона в контактните зони на празнините, в зависимост от функционалните характеристики на клетките. Конексоните бяха изолирани препаративно. Те са изградени от шест субединици на конектин, протеин. Комбинирайки се един с друг, коннектините образуват цилиндричен агрегат - коннексон, в центъра на който има канал. Индивидуалните коннекси са вградени в плазмената мембрана по такъв начин, че я пробиват. Един конексон на плазмената мембрана на клетката се противопоставя точно на конексон на плазмената мембрана на съседната клетка, така че каналите на двата конексона образуват едно цяло. Конексоните играят ролята на директни междуклетъчни канали, през които йони и вещества с ниско молекулно тегло могат да дифундират от клетка в клетка. Конексоните могат да се затварят, променяйки диаметъра на вътрешния канал и по този начин да участват в регулирането на транспорта на молекули между клетките. Нито протеините, нито нуклеиновите киселини могат да преминат през празнини. Способността на празнините да пропускат съединения с ниско молекулно тегло е в основата на бързото предаване на електрически импулс (вълна на възбуждане) от клетка на клетка без участието на нервен медиатор. Синаптичен контакт (синапси). Синапсите са области на контакт между две клетки, специализирани за еднопосочно предаване на възбуждане или инхибиране от един елемент към друг. Този тип контакти са характерни за нервната тъкан и се осъществяват както между два неврона, така и между неврони и друг елемент - рецептор или ефектор. Пример за синаптичен контакт е и нервно-мускулно окончание. Междуневронните синапси обикновено изглеждат като крушовидни разширения (плаки). Синаптичните плаки могат да контактуват както с тялото на друг неврон, така и с неговите процеси. Периферните процеси на нервните клетки (аксоните) образуват специфични контакти с ефекторни клетки (мускулни или жлезисти) или рецепторни клетки. Следователно синапсът е специализирана структура, която се образува между областите на две клетки (както и десмозомата). В местата на синаптични контакти клетъчните мембрани са разделени от междуклетъчно пространство - синаптична цепнатина с ширина около 20 - 30 nm. Често в лумена на процепа се вижда фин влакнест материал перпендикулярно на мембраните. Мембраната на една клетка, която предава възбуждане в областта на синаптичния контакт, се нарича пресинаптична, мембраната на друга клетка, която получава импулса, се нарича постсинаптична. В близост до пресинаптичната мембрана се разкриват огромен брой малки вакуоли - синаптични везикули, пълни с невротрансмитери. Съдържанието на синаптичните везикули по време на преминаване на нервния импулс се изхвърля чрез екзоцитоза в синаптичната цепнатина. Постсинаптичната мембрана често изглежда по-дебела от обикновените мембрани поради натрупването на много тънки фибрили около нея от страната на цитоплазмата. Плазмодесма.Този тип междуклетъчна комуникация се среща в растенията. Плазмодесматите са тънки тубулни цитоплазмени канали, свързващи две съседни клетки. Диаметърът на тези канали обикновено е 20 - 40 nm. Мембраната, която ограничава тези канали, директно преминава в плазмените мембрани на съседните клетки. Плазмодесматите преминават през клетъчната стена, която разделя клетките. Мембранните тубулни елементи могат да проникнат вътре в плазмодесмата, свързвайки цистерните на ендоплазмения ретикулум на съседни клетки. Плазмодесмите се образуват по време на деленето, когато се изгражда първичната клетъчна стена. В новоразделените клетки броят на плазмодесматите може да бъде много голям (до 1000 на клетка). С остаряването на клетките техният брой намалява поради разкъсвания с увеличаване на дебелината на клетъчната стена. Липидните капчици могат да се движат по плазмодесмата. Плазмодесматите заразяват клетките с растителни вируси.

Транспортирането на вещества в клетката и извън нея, както и между цитоплазмата и различни субклетъчни органели (митохондрии, ядро ​​и др.) се осигурява от мембрани. Ако мембраните бяха сляпа бариера, тогава вътреклетъчното пространство би било недостъпно за хранителни вещества и отпадъчните продукти не биха могли да бъдат отстранени от клетката. В същото време при пълна пропускливост натрупването на определени вещества в клетката би било невъзможно. Транспортните свойства на мембраната се характеризират с полупропускливост : някои съединения могат да проникнат в него, докато други не могат:

Пропускливост на мембраната за различни вещества

Една от основните функции на мембраните е регулирането на транспорта на вещества. Има два начина за транспортиране на вещества през мембраната: пасивен и активен транспорт:

Транспорт на вещества през мембрани

Пасивен транспорт. Ако дадено вещество се движи през мембраната от област с висока концентрация към ниска концентрация (т.е. по градиента на концентрация на това вещество), без да консумира енергия от клетката, тогава такъв транспорт се нарича пасивен, или дифузия . Има два вида дифузия: просто и лек .

проста дифузияхарактерни за малки неутрални молекули (H2O, CO2, O2), както и за хидрофобни нискомолекулни органични вещества. Тези молекули могат да преминат без никакво взаимодействие с мембранните протеини през порите или каналите на мембраната, докато се поддържа градиентът на концентрация.

Улеснена дифузия. Характерно е за хидрофилни молекули, които също се транспортират през мембраната по концентрационен градиент, но с помощта на специални мембранни белтъци – носители. Улеснената дифузия, за разлика от простата дифузия, се характеризира с висока селективност, тъй като протеинът-носител има свързващ център, комплементарен на транспортираното вещество, и трансферът е придружен от конформационни промени в протеина. Един възможен механизъм за улеснена дифузия може да бъде следният: транспортен протеин ( транслоказа ) свързва веществото, след това се приближава до противоположната страна на мембраната, освобождава това вещество, приема първоначалната конформация и отново е готов да изпълни транспортната функция. Малко се знае за това как се извършва движението на самия протеин. Друг възможен механизъм на пренос включва участието на няколко белтъка-носители. В този случай самото първоначално свързано съединение преминава от един протеин в друг, като последователно се свързва с един или друг протеин, докато се окаже от противоположната страна на мембраната.

активен транспортвъзниква, когато прехвърлянето се извършва срещу градиент на концентрация. Такъв трансфер изисква разход на енергия от клетката. Активният транспорт служи за натрупване на вещества вътре в клетката. Източникът на енергия често е АТФ. За активен транспорт, освен източник на енергия, е необходимо участието на мембранни протеини. Една от активните транспортни системи в животинската клетка е отговорна за преноса на Na+ и K+ йони през клетъчната мембрана. Тази система се нарича Na+ - K+ - помпа. Той е отговорен за поддържането на състава на вътреклетъчната среда, в която концентрацията на K + е по-висока от Na +:

Механизъм на действие на Na+, K+-АТФаза

Концентрационният градиент на калий и натрий се поддържа чрез прехвърлянето на K + в клетката и Na + навън. И двата транспорта се извършват срещу концентрационен градиент. Това разпределение на йони определя съдържанието на вода в клетките, възбудимостта на нервните и мускулните клетки и други свойства на нормалните клетки. Na+ ,K+ -помпата е протеин - транспортна ATR-аза . Молекулата на този ензим е олигомер и прониква през мембраната. По време на пълния цикъл на помпата три Na + йона се прехвърлят от клетката към междуклетъчното вещество, а два K + йона се прехвърлят в обратна посока. Това използва енергията на АТФ молекулата. Има транспортни системи за пренос на калциеви йони (Са2+ - АТФ-ази), протонни помпи (Н+ - АТФ-ази) и др. Symport Това е активното пренасяне на вещество през мембрана, осъществявано за сметка на енергията на концентрационния градиент на друго вещество. Транспортната АТФ-аза в този случай има места за свързване и за двете вещества. Антипорт е движението на вещество срещу градиента на неговата концентрация. В този случай другото вещество се движи в обратна посока по своя концентрационен градиент. Symport и антипорт може да възникне по време на абсорбцията на аминокиселини от червата и реабсорбцията на глюкоза от първичната урина. В този случай се използва енергията на концентрационния градиент на Na+ йони, създаден от Na+, K+-ATP-аза.

Да се мембранни протеини"Протеини" включват протеини, които са вградени в или свързани с клетъчната мембрана или мембраната на клетъчен органел. Около 25% от всички протеини са мембранни протеини.

[покажи]

Класификация[редактиране | редактиране на wiki текст]

Мембранните протеини могат да бъдат класифицирани според топологични или биохимични принципи. Топологичната класификация се основава на това колко пъти протеинът пресича липидния двоен слой. Според този критерий протеините се класифицират на монотопен, биотопичени политопичен:

· монотопенпротеините взаимодействат с една повърхност на мембраната и не я пресичат;

· биотопиченпроникват през мембраната и взаимодействат с двете й повърхности;

· политопиченпроникват през мембраната няколко пъти (повтарящо се взаимодействие с липидите).

Ясно е, че първите принадлежат към периферните протеини, а вторите и третите към интегралните.

Различни категории политопни протеини. Мембранно свързване чрез (1) единична трансмембранна алфа спирала, (2) множество трансмембранни алфа спирали, (3) структура на бета лист.

Различни категории интегрални монотопни протеини. Мембранно свързване чрез (1) амфипатична алфа спирала, успоредна на равнината на мембраната, (2) хидрофобна бримка, (3) ковалентно свързан остатък от мастна киселина, (4) електростатично взаимодействие (директно или медиирано от калций).

Топологична класификация[редактиране | редактиране на wiki текст]

По отношение на мембраната мембранните протеини се делят на поли- и монотопни.

· Политопни или трансмембранни протеининапълно проникват в мембраната и по този начин взаимодействат с двете страни на липидния двоен слой. Обикновено трансмембранен фрагмент на протеин е алфа спирала, състояща се от хидрофобни аминокиселини (възможно от 1 до 20 такива фрагмента). Само в бактериите, както и в митохондриите и хлоропластите, трансмембранните фрагменти могат да бъдат организирани като бета-листова структура (от 8 до 22 оборота на полипептидната верига).

· Интегрални монотопни протеинитрайно вградени в липидния двоен слой, но свързани с мембраната само от едната страна, без да проникват в противоположната страна.

Биохимична класификация[редактиране | редактиране на wiki текст]

Според биохимичната класификация мембранните протеини се разделят на интегралнаи периферен.

· Интегрални мембранни протеиниса здраво вградени в мембраната и могат да бъдат отстранени от липидната среда само с помощта на детергенти или неполярни разтворители. По отношение на липидния двоен слой интегралните протеини могат да бъдат трансмембранни политопни или интегрални монотопни.

· Протеини на периферната мембранаса монотопни протеини. Те са или свързани чрез слаби връзки към липидната мембрана, или са свързани с интегрални протеини чрез хидрофобни, електростатични или други нековалентни сили. По този начин, за разлика от интегралните протеини, те се дисоциират от мембраната, когато се третират с подходящ воден разтвор (напр. ниско или високо pH, висока концентрация на сол или хаотропен агент). Тази дисоциация не изисква разрушаване на мембраната.

Мембранните протеини могат да бъдат вградени в мембраната поради остатъци от мастна киселина или пренил или гликозилфосфатидилинозитол, прикрепен към протеина по време на тяхната пост-транслационна модификация.

7) Въглехидратната част на гликолипидите и гликопротеините на плазмената мембрана винаги е разположена на външната повърхност на мембраната, в контакт с междуклетъчното вещество. Въглехидратите на плазмената мембрана действат като специфични лиганди за протеините. Те образуват места за разпознаване, към които се прикрепят специфични протеини; прикрепеният протеин може да промени функционалното състояние на клетката.

Функции на въглехидратите.

Във външната мембрана на еритроцитите някои полизахариди съдържат N-ацетилневраминова киселина в краищата на веригите. Ако еритроцитите се изолират от кръвта, третират се in vitro с невраминидаза, която разцепва N-ацетилневраминовата киселина от мембранните въглехидрати, и се въвеждат отново в кръвта на същото животно, се установява, че полуживотът на такива еритроцити в кръвта намалява няколко пъти. пъти: те се задържат в далака и се унищожават. Както се оказа, в клетките на далака има рецептор, който разпознава въглехидрат, който е загубил крайните остатъци на невраминова киселина. Възможно е такъв механизъм да осигурява селекция от далака на "остарели" еритроцити и тяхното унищожаване.
Известно е, че в суспензия от клетки, изолирани от всяка тъкан, след известно време се образуват агрегати от клетки и всеки агрегат, като правило, съдържа клетки от същия тип. Например, в суспензия от клетки, получени от гаструла, се образуват три вида агрегати: всеки от тях съдържа клетки, принадлежащи към един и същ зародишен лист - ектодерма, мезодерма или ендодерма. Разпознаването между клетките се осигурява по-специално чрез взаимодействието на мембранните въглехидрати на една клетка с рецепторните протеини на друга клетка (фиг. 9.39). Тези механизми за разпознаване могат да бъдат включени в процеси като хистогенеза и морфогенеза. Съществуват обаче и други механизми, които осигуряват междуклетъчните контакти.
Полизахаридите на клетъчната мембрана, заедно с протеините, играят ролята на антигени в развитието на клетъчния имунитет, включително отхвърлянето на трансплантант. Те също така служат като места за разпознаване, когато са заразени с патогенни вируси и микроорганизми. Например, грипният вирус, когато прониква в клетка, първо се прикрепя към нейната мембрана, взаимодействайки с полизахарид с определена структура.

8) клетъчните мембрани имат селективна пропускливост: глюкозата, аминокиселините бавно дифундират през тях, мастна киселина, глицерол и йони, а самите мембрани до известна степен активно регулират този процес - някои вещества преминават, а други не. Има четири основни механизма за навлизане на вещества в клетката или тяхното отстраняване от клетката навън: дифузия, осмоза, активен транспорт и екзо- или ендоцитоза. Първите два процеса са пасивни по природа, тоест не изискват енергия; последните два са активни процеси, свързани с потреблението на енергия.

Селективната пропускливост на мембраната по време на пасивен транспорт се дължи на специални канали - интегрални протеини. Те проникват в мембраната през и през, образувайки един вид проход. Елементите K, Na и Cl имат свои собствени канали. По отношение на концентрационния градиент, молекулите на тези елементи се движат навътре и извън клетката. При дразнене натриевите йонни канали се отварят и се получава рязък приток на натриеви йони в клетката. Това води до дисбаланс на мембранния потенциал. След това мембранният потенциал се възстановява. Калиевите канали са винаги отворени, през които калиевите йони бавно навлизат в клетката