Вторичный транспорт

Вторичный транспорт- это переход различных частиц и моле­кул воды за счет ранее запасенной (потенциальной) энергии. По­тенциальная энергия создается в виде электрического и концен­трационного градиентов, что обеспечивает транспорт веществ через клеточную мембрану нейронов. Ко вторичному относятся следующие виды транспорта.

А. Диффузия.Согласно законам диффузии, частицы переме­щаются из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Частицы с одноименными электрическими заря­дами отталкиваются, с разноименными - притягиваются друг к другу. Направление диффузии определяется взаимодействием электрического и концентрационного (химического) градиентов. Если частицы не заряжены, то направление их диффузии опреде­ляется только градиентом концентрации. Скорость диффузии за­висит от проницаемости клеточной мембраны, а также градиента концентрации для незаряженных частиц; электрического и кон­центрационного градиентов для заряженных частиц. Направле­ния действия электрического и концентрационного градиентов могут не совпадать. Например, ионы Nа⁺ в процессе возникнове­ния возбуждения продолжают поступать в клетку, когда она внутри уже заряжена положительно. Этот переход ионов обеспе­чивается концентрационным градиентом вопреки электрическому градиенту. Совокупность химического (концентрационного) и электрического градиентов называют электрохимическим гради­ентом.Различают простую и облегченную диффузии и осмос как частный случай диффузии.

1. Простая диффузия осуществляется либо непосредственно через липидный бислой, либо через каналы. Заряженные части­цы движутся согласно электрохимическому градиенту, а незаря­женные - согласно только химическому градиенту. Через липид­ный бислой проходят жирорастворимые частицы. Если они на­ходятся в воде по одну сторону мембраны, то могут внедряться в липидную оболочку благодаря тепловому движению (при этом необходимо освободиться от гидратной оболочки). Частицы-неэлектролиты обычно легко освобождаются от гидратной обо­лочки (разрыв водородных связей). Естественно, с уменьшением молекулярной массы способность перехода частиц через мем­брану возрастает. Примером простой диффузии через липидный слой может служить диффузия малых незаряженных полярных молекул: этанола, кислорода, углекислого газа, стероидных гормонов и других липидов, тироксина, мочевины, а также чуж­дых клетке веществ, в частности ядов и лекарственных средств. Этот процесс происходит слишком медленно и плохо контроли­руется.

В ходе эволюции сформировались специальные каналы, по кото­рым могут проходить различные частицы, причем ионы очень быстро - за 0,5-1 мс. Каналы заполнены водой, и кроме ионов через них могут проходить малые молекулы неэлектролитов (этанол, мочевина), заряженные молекулы. Диаметр этих кана­лов 0,3-0,8 нм. Скорость диффузии определяется электрохими­ческим градиентом и проницаемостью клеточной мембраны для данного вещества. С течением времени скорость простой диффу­зии изменяется мало, пока существует движущая сила (элек­трический или концентрационный градиент), так как по одному и тому же каналу или через липидный бислой после прохожде­ния одной частицы сразу же может следовать другая (подробнее о каналах см. раздел 2.6.4).

2. Облегченная диффузия осуществляется также согласно кон­центрационному градиенту и обеспечивает перенос веществ, спо­собных образовывать комплексы с молекулами—переносчиками мембранных белков. Переносчик должен свободно переходить с одной стороны мембраны на другую. Этот транспорт осуществля­ется очень быстро, поскольку переносчик облегчает переход 1ранспортируемого вещества через мембрану. Движущей силой является градиент транспортируемого вещества. С помощью про­стой диффузии не могут проходить через мембрану даже неболь­шие полярные молекулы; моносахариды, аминокислоты. Облег­ченная диффузия имеет ряд особенностей:

• наличие специфических переносчиков для отдельных или не­скольких веществ, близких по строению. Вещества, имеющие сходные по строению молекулы, могут переноситься одним и тем же переносчиком и конкурировать за переносчика;

• у молекулы-переносчика может быть особый канал, пропус­кающий вещество только одного определенного типа;

• с увеличением концентрации вещества с одной стороны мем­браны скорость облегченной диффузии возрастает только до определенного предела в отличие от простой диффузии. Пре­кращение нарастания облегченной диффузии при увеличении концентрации вещества свидетельствует о том, что все пере­носчики уже заняты, - явление насыщения.

Выделяют специфическое стимулирование и ингибирование облегченной диффузии: например, флоридзин, введенный в про­свет кишечника, специфически подавляет транспорт Сахаров, не затрагивая переноса аминокислот; инсулин активирует перенос глюкозы в клетки организма. Переносчиками являются белковые молекулы, которые совершают челночные движения через мем-

брану либо встраиваются в нее. В последнем случае образуется канал, по которому проходят транспортируемые вещества, в ос­новном сахара, аминокислоты.

В случае предполагаемых челночных движений белковых молекул-переносчиков возникает вопрос: какая сила обеспечивает транспорт самих переносчиков? Если это одностороннее движение, то оно быстро прекра­тится после уравнивания концентрации самих переносчиков по обе стороны клеточной мембраны. На этот вопрос ответа пока нет. Мы полагаем, что возможны два механизма. Во-первых, за счет создания градиента концен­трации самого переносчика, с помощью концентрационного градиента транспортируемого вещества. Если, например, концентрация глюкозы или аминокислоты больше вне клетки, чем в клетке, то она может переходить в клетку согласно своему градиенту концентрации. Образование комплекса молекул глюкоза - переносчик лишь улучшает прохождение глюкозы через мембрану согласно концентрационному градиенту глюкозы. Движущей силой является концентрационный градиент глюкозы. На внутренней сто­роне клеточной мембраны комплекс распадается, поэтому концентрация молекул-переносчиков возрастает и они, согласно своему концентрацион­ному градиенту, переходят на наружную сторону клеточной мембраны, снова соединяются с глюкозой и ускоряют ее переход в клетку. Во-вторых, челночные движения переносчика могут осуществляться с помощью ионов К⁺. Известно, что К+ постоянно диффундирует из клетки согласно концен­трационному градиенту. При этом в клетке может образоваться комплекс ион К⁺ - молекула переносчика, который и перейдет с внутренней стороны клеточной мембраны на наружную сторону. В этом случае движущей силой является концентрационный градиент иона К⁺, который затем переносится в клетку Ма/К-помпой с непосредственной затратой энергии, т.е. первично активно. Напомним, что энергия здесь затрачивается только на транспорт иона N3* - экономичность транспорта веществ. Переносчик транспортиру­ется вторично активно, если не будет работать Ка/К-помпа, челночные движения переносчика согласно такому представлению прекратятся.

3. Осмос - это частный случай диффузии: движение воды (растворителя) через полупроницаемую мембрану в область с большей концентрацией частиц, т.е. с большим осмотическим давлением. Осмотическое давление - это диффузионное давле­ние, обеспечивающее движение растворителя через полупрони­цаемую мембрану. Измеряется минимальной величиной механи­ческого давления на раствор (например, с помощью поршня), препятствующего движению растворителя через полупроницае­мую мембрану. Осмотическое давление одномолярного раство­ра чрезвычайно велико - 22,4 атм, в плазме крови оно сущест­венно ниже - 1,6 атм, несколько больше внутри клетки, что иобеспечивает ее упругость вследствие поступления воды в клетку и растяжения ее мембраны. Осмос продолжается до выравнива­ния осмотического давления по обе стороны полупроницаемой мембраны или выравнивания осмотического давления и гидро­статического противодавления. Поэтому при подавлении мета­болизма клетки быстро набухают, так как внутри клетки осмо­тическое давление сохраняется повышенным: внутрь клеток по­ступает вода и они становятся более упругими. Вода поступает в клетку через водные каналы и временные поры, образующиеся между молекулами липидов и при смещении белков. Через вод­ные каналы могут проходить также малые незаряженные моле­кулы: кислород, углекислый газ, этанол, мочевина.

Б. НатриГоависимый транспорт. Вэтом случае энергия затра­чивается на создание градиента натрия. Различают два варианта данного механизма транспорта.

Первый вариант: направление движения транспортиру­емого вещества совпадает с направлением движения натрия соглас­но его электрохимическому градиенту (симпорт). Глюкоза связыва­ется с белком-переносчиком мембраны, последний соединяется с ионом Ыа⁺, а Ка⁺,, согласно концентрационному и электрическому градиентам, диффундирует в клетку и несет с собой глюкозу. На внутренней стороне клеточной мембраны комплекс распадается, ион 1Ча^н" выводится помпой с непосредственной затратой энергии из клетки в интерстиций вопреки электрохимическому градиенту -первично активно. С помощью натриевого механизма обеспечива­ется обратный захват (реабсорбция) медиатора в прссинаптическую терминаль из синаптической щели в синапсах ЦНС. Транспорт ве­ществ с помощью иона Ыа⁺ осуществляется согласно законам диф­фузии для ионов Ыа*. Транспортируемое вещество при этом может поступать в клетку вопреки собственному концентрационному гра­диенту. Движущей силой является электрохимический градиент ио­нов N3*. Глюкоза вместе с ионом Ка⁺ попадает в клетку даже в том случае, если ее концентрация в клетке больше, чем в среде, если, конечно, электрохимический градиент Ка⁺ превосходит концен­трационный градиент глюкозы.

Второй вариант: перемещение транспортируемых час­тиц направлено в противоположную движению ионов Ма⁺ сто­рону - это антипорт (противотранспорт). С помощью этого об­менного механизма регулируется, например, содержание ионов Са²⁺ в клетке, рН внутри клетки за счет выведения иона Н⁺ в обмен на внеклеточный ион Ка⁺. Внутриклеточная концентра­ция иона Са²⁺ на несколько порядков ниже внеклеточной. На­триевый концентрационный градиент участвует в выведении иона Са²⁺ из клетки. Об этом свидетельствует, в частности, следующий факт. Выведение иона Са²⁺ из клетки снижается, если удалить из внеклеточной среды ион На⁺. Это позволяет предпо­ложить, что ион Са2+ выводится из клетки в обмен на посту­пающий в нее ион На⁺ и противоположно направленные потоки этих ионов сопряжены друг с другом; обеспечивается данный транспорт переносчиком обменником. Исходным источником энергии этого процесса опять является градиент Ка⁺, который в конечном счете формируется за счет АТФ-завнсимого активного транспорта ионов 1Ча⁺. Поэтому во всех случаях, когда ток ионов Ка⁺ в клетку уменьшается, снижается и выведение ионов Са²⁺ из клетки. Это наблюдается в следующих случаях: при ингибировании Ш/К-АТФазы, уменьшении внеклеточной концентрации ионов Ыа⁺ и в бескалиевой среде (когда Ка⁺ выводится недостаточно из клетки). При этом Ка/Са-обменник блокируется, в результате чего увеличивается внутриклеточная концентрация ионов Са²⁺.

Однако конкретный механизм работы переносчика-обменника не ясен. Переносчик может транспортировать ионы Са²⁺ и Н⁺ вопреки их электриче­ским и концентрационным градиентам только в том случае, если сам пере­носчик имеет собственный градиент - его концентрация на внутренней сто­роне клетки больше, чем на наружной. Этот градиент должен постоянно поддерживаться, иначе перенос ионов Са²⁺ и Н⁺ прекратится. Мы полагаем, что выведение ионов Са²⁺ и Н+ из клетки в результате диффузии иона Ыа⁺ в клетку (противотранспорт) осуществляется следующим образом. Ион N3* постоянно диффундирует в клетку согласно своему электрохимическому градиенту и транспортирует с собой (в комплексе) молекулы-переносчики, что и ведет к созданию их концентрационных градиентов. Ионы Са²⁺ и Н⁺ на внутренней стороне клетки соединяются со своими переносчиками и транспортируются из клетки в виде комплексов согласно градиентам своих переносчиков. Именно поэтому, например, блокада ^/К-насоса ведет к накоплению ионов Са²* в клетках (транспорт ионов Са²⁺ из клетки уменьша­ется). Это примеры вторичного транспорта вещества за счет первичного транс­порта иона На⁺_т который с помощью помпы выводится из клетки. Перенос­чики совершают челночные движения за счет работы Nа/К-насоса - вто­рично активно и транспортируют с собой ионы Са²⁺ и Н*.

В. Транспорт веществ нз кровеносных сосудов в интерстиций ЦНС осуществляется с помощью диффузии, осмоса, фильтрации и трансцитоза.Фильтрация - переход раствора через полупроницае­мую мембрану (стенку сосуда) под действием градиента гидроста­тического давления между жидкостями по обе стороны этой мем­браны. Градиент гидростатического давления создается либо дея­тельностью сердца (фильтрация в артериальном конце капилляра всех органов и тканей организма, а также образование первичной мочи в почке), либо гладкими мышцами пищеварительного трак-та и мышечного пресса, обеспечивающих повышение гидростати­ческого давления в полости желудка и кишечника, что способст­вует всасыванию веществ в кровь.

Таким образом, механизмы вторичного транспорта веществ весьма разнообразны. Вторичный транспорт ионов осуществляет­ся, как правило, с помощью простой диффузии через специальные ионные каналы.

Ионные каналы

Ионные каналы образованы белками, они весьма разнообраз­ны по устройству и механизму действия. Известно более 50 кана­лов различных клеток, каждая нервная клетка содержит более пя­ти разных каналов.

А. Классификация ионных каналов. Классифицируют ионные каналы по нескольким признакам.

1. По возможности управления функцией различают неуправ­ляемые (каналы утечки ионов) и управляемые каналы. Через не­управляемые каналы ионы перемещаются постоянно, но медленно, естественно, при наличии электрохимического гради­ента, как и в случае быстрого перемещения ионов по управляе­мым каналам. Последние могут быть быстрыми и медленными. Потенциал действия в нейроне возникает в основном вследствие активации быстрых Ка-и К-каналов. Управляемые кана­лы имеют ворота с механизмами их управления, поэтому ионы через них могут проходить только при открытых воротах.

2. В зависимости от стимула, активирующего или инактиви-рующего управляемые ионные копалы, основными каналами нейро­нов ЦНС являются потенциалчувствительные и х е -мочувствительные каналы. При взаимодействии медиа­тора (лиганда) с рецепторами хемочувствительного канала, расположенного на поверхности клеточной мембраны, может про­исходить открытие его ворот, поэтому хемочувствительный канал называют также рецепторуправляемым каналом. Лиганд - это био­логически активное вещество или фармакологический препарат, активирующий или блокирующий рецептор. Открытие хемочувст-вительных каналов происходит в результате конформационных из­менений рецепторного комплекса. Ворота потенциалзависимых каналов открываются и закрываются при изменении величины мембранного потенциала. Поэтому в конструкции их воротного механизма должны быть частицы, несущие электрический заряд.

3. В зависимости от селективности различают ионоселективные каналы, пропускающие только один ион, и каналы, не обла­дающие селективностью. В нейронах имеются N3-, К-, Са- и С1-

селективные каналы. Есть каналы, пропускающие несколько ио­нов, например Ма⁺, К⁴ и Са²⁺, т,е. не обладающие селективно­стью. Наиболее высока степень селективности потенциалчувствительных (потенциалзависимых) каналов, несколько ниже она у хемочувствительных (рецепторзависимых) каналов, постсинапти-ческих мембран, через каналы которых могут одновременно про­ходить ионы N3+ и К⁺.

4. Для одного и того же иона может быть несколько видов ка­налов. Наиболее важными из них для формирования биопотен­циалов являются следующие.

Каналы для ионов К*. Калиевые неуправляемые каналы покоя (каналы утечки), через которые постоянно выходит К⁺ из клетки, что является главным фактором в формировании мембранного потен­циала (потенциала покоя). Потенциалчувствительные управляемые К-каналы, сравнительно медленно активирующиеся при возбужде­нии клетки в фазу деполяризации с последующим ускорением акти­вации, что обеспечивает быстрый выход ионов К^ из клетки и ре-поляризацию ее {см. раздел 3.4).

Каналы для ионов Ла*. Они бывают быстрые и медленные (утечки). Быстрые №-каналы потенциалчувствительны, быст­ро активируются при уменьшении мембранного потенциала, что обеспечивает вход иона Ыа* в клетку во время ее возбуждения (восходящая часть). Затем эти каналы быстро инактивируются. Медленные неуправляемые Ка-каналы - каналы утечки, через которые ион N3+ постоянно диффундирует в клетку и переносит с собой другие молекулы, например глюкозу, аминокислоты, моле­кулы-переносчики. Таким образом, Ка-каналы утечки обеспечи­вают вторичный транспорт веществ и участие ионов Ка⁺ в фор­мировании мембранного потенциала (см. раздел 3.3).

Б. Устройство ионных каналов и их функционирование. Кана­лы имеют устье и селективный фильтр, а управляемые каналы -и воротный механизм. Они заполнены жидкостью, размеры ка­налов 0,3-0,8 им. Селективность ионных каналов определяется их размером и наличием в канале заряженных частиц. Эти час­тицы имеют заряд, противоположный заряду иона, который они притягивают, что обеспечивает проход иона через данный канал (одноименные заряды, как известно, отталкиваются). Через ион­ные каналы могут проходить и незаряженные частицы. Ионы, проходя через канал, должны избавиться от гидратной оболоч­ки, иначе их размеры будут больше размеров канала. Например, диаметр иона N3+ с гидратной оболочкой равен 0,3 нм, а без гидратной оболочки — 0,19 нм. Слишком мелкий ион, проходя через селективный фильтр, не может отдать гидратную оболоч­ку, поэтому он не может пройти через канал. Однако, по-видимому, имеются и другие механизмы селективности клеточ­ной мембраны. Гипотеза «просеивания» не в состоянии объяс­нить, например, почему ион К⁺ не проходит через открытые Ма-каналы в начале цикла возбуждения клетки, но тем не менее она дает удовлетворительное, а в некоторых случаях и абсолютно убедительное объяснение избирательной (селективной) прони­цаемости клеточных мембран для разных частиц и ионов.

В. Особенности функционирования различных видов управляе­мых каналов.Такие каналы отличаются по степени селективно­сти. Наиболее высока степень селективности лотенциалчувстви-тельных (потенциалзависимых) каналов. У каналов разных видов может наблюдаться или отсутствовать взаимодействие между со­бой. Так частичная деполяризация клеточной мембраны за счет активации хемочувствителъных каналов может привести к акти­вации потенциалчувствительных каналов, например, для ионов N3+, что обеспечивает возбуждение нейрона. Однако активация потенциалчувствительных каналов не влияет на функцию хемо-чувствительных каналов нейронов.

Г. Ионные каналы блокируютсяспецифическими веществами и фармакологическими препаратами.Новокаин, например, как. ме­стный анестетик снимает болевые ощущения потому, что он, бло­кируя Ка-каналы, прекращает проведение возбуждения по нерв­ным волокнам.