Механизмы мембранного транспорта

Липидные бислои в значительной степени непроницаемы для подавляющего большинства веществ, и поэтому перенос через липидную фазу требует значительных энергетических затрат.

Различают активный транспорт и пассивный транспорт (диффузию).

Пассивный транспорт – это перенос молекул по концентрационному или электрохимическому градиенту, т.е. он определяется только разностью концентраций переносимого вещества на противоположных сторонах мембраны или направлением электрического поля и осуществляется без затраты энергии АТФ. Возможны два типа диффузии: простая и облегченная (рис. 4.5).

1. Простая диффузия. Происходит без участия мембранного белка. Скорость простой диффузии хорошо описывается обычными законами диффузии для веществ, растворимых в липидном бислое. Скорость движения молекулы определяется концентрационным градиентом и растворимостью молекулы в липидах. Механизм диффузии водорастворимых веществ менее изучен. Перенос вещества через липидный бислой, например, таких соединений, как этанол, возможен через временные поры в мембране, образованные разрывами в липидном слое при движении мембранных липидов. В мембранах также существуют каналы, образованные белками, через которые могут двигаться молекулы. По механизму простой диффузии осуществляется трансмембранный перенос газов (например, О₂ и СО₂), воды, некоторых простых органических ионов и ряда низкомолекулярных жирорастворимых соединений. Следует помнить, что простая диффузия осуществляется неизбирательно и отличается низкой скоростью.

Рис. 4.5. Механизмы пассивного транспорта.

2. Облегченная диффузия – движение молекул по градиенту концентрации с использованием специфических мембранных белков-переносчиков. Следовательно, облегченная диффузия – это диффузионный процесс, сопряженный с химической реакцией взаимодействия транспортируемого вещества с белком-переносчиком. Этот процесс специфичен и протекает с более высокой скоростью, чем простая диффузия. Скорость переноса определяется концентрационным градиентом через мембрану и количеством молекул переносчика.

Известны два типа мембранных транспортных белков: белки-переносчики, называемые транслоказами или пермеазами, и белки каналообразующие.

3. Активный транспорт – это транспорт веществ против градиента концентрации, с использованием переносчика и затратой энергии. Источником энергии может быть АТФ, градиент концентрации или солнечная энергия. Различают первичный активный транспорт и вторичный активный транспорт.

В первичном активном транспорте используется энергия гидролиза АТФ. Известны три основных типа первичного активного транспорта:

1) Натрий-калиевый насос – Na/K⁺- аденозинтрифосфатаза (Na/K⁺-АТФ-аза) переносит ионы натрия из клетки, а калия – в клетку.

2) Кальциевый насос – Ca²⁺-АТФ-аза, который транспортирует Са²⁺ из клетки или цитозоля в саркоплазматический ретикулум.

3) Н⁺-АТФ-аза – протонный насос, функционирующий в сопрягающих мембранах, в том числе в митохондриальной мембране.

Для активного транспорта, как и для облегченной диффузии, характерны высокая специфичность, эффект насыщения транспортных белков транспортируемыми молекулами, а также действие ингибиторов.

В качестве примера первичного активного транспорта можно привести транспорт, осуществляемый Na⁺,K⁺-АТФ-азой, как одной из наиболее важных и широко распространенных активных транспортных систем в плазматической мембране животных- клеток.

Клетка содержит низкую концентрацию Na⁺ (в 10 раз ниже) и высокую концентрацию К⁺ (в 30 раз выше), чем в окружающей среде. Na⁺,K⁺-АТФ-аза была открыта в 1957 г. Й.Скоу во фракции плазматических мембран нервов краба, впоследствии она была обнаружена во всех исследованных клетках животных, особенно велико ее содержание в органах, осуществляющих солевой обмен (почки) или выполняющих электрическую работу (мозг, нервы).

Na⁺,K⁺-АТФ-азой является интегральным мембранным белков (м.м. 250 000). Состоит из 2-х α и 2-х β субъединиц. α-Субъединица пронизывает мембрану насквозь и имеет центры связывания для АТФ и Na⁺ на цитоплазматической стороне мембраны и центры для связывания с К⁺ на внешней стороне. β-субъединицы содержат углеводные группы, расположенные на наружной стороне плазматической мембраны. Она способствует правильной ориентации ферментов в липидном бислое. Перенос ионов происходит за счет изменения конформации фермента при его фосфорилировании-дефосфорилировании за счет АТФ.

По общепринятому представлению, механизм действия АТФ-азы включает несколько стадий.

1. Присоединение 3Na⁺ вызывает активацию АТФ-азы, происходит гидролиз АТФ и фосфорилирование фермента.

2. Фосфорилирование фермента вызывает изменение конформации и открытие канала снаружи. АТФ-аза теряет сродство к ионам натрия и 3Na⁺ выводятся через канал на наружную сторону.

3. Два иона К⁺ присоединяется к ионсвязывающим центрам фосфорилированного белка.

4. Происходит (возможно, самопроизвольный) гидролиз фосфоэфирной связи и дефосфорилирование фермента, что вызывает его переход в исходную конформацию (открытие канала внутри).

5. Происходит снижение сродства к ионам К⁺ и выход их в цитозоль и вновь присоединяется АТФ и 3 Na⁺.

Неравнозначный перенос заряженных ионов (частиц) через мембрану вызывает ее поляризацию: появление «+» снаружи и «-» изнутри. Создаваемый градиент используется для вторичного активного транспорта, например, глюкозы в клетки. Переносчик глюкозы обеспечивает транспорт глюкозы в клетку кишечника за счет входа в клетку ионов Na⁺ под действием электрохимического градиента (концентрация Na⁺ высокая в просвете кишечника и низкая в цитозоле клеток). Глюкоза из клетки переходит во внеклеточную жидкость по механизму облегченной диффузии. Nа⁺,К⁺-АТФаза поддерживает эту концентрацию Na⁺ за счет его откачки в межклеточное пространство в обмен на ионы К⁺ с затратой АТФ.