АТФ-насосы: Все АТФ-насосы являются трансмембранными белками с одним или

Активный транспорт

АТФ-насосы: Все АТФ-насосы являются трансмембранными белками с одним или

Активный транспорт — энергозависимыйтрансмембранный переноспротивэлектрохимическогоградиента.Различают первичный и вторичный активныйтранспорт. Первичный активный транспортосуществляютнасосы(различныеАТФазы), вторичный —симпортёры(сочетанный однонаправленный транспорт)иантипортёры(встречныйразнонаправленный транспорт).

 Первичныйактивныйтранспорт.Движущая сила трансмембранного переносавозникает при ферментативном гидролиземакроэргических связей АТФ. Родовойтермин для таких АТФаз (например, Na+,K+-,H+,K+-, Ca2+‑АТФазы) —насосы.

 Вторичныйактивныйтранспорт.

Движущая сила для трансмембранногопереноса одного вещества (или ионов)противэлектрохимическогоградиентавозникает за счётпотенциальной энергии, запасённой засчёт сочетанного переноса ионов (какправило, Na+)поэлектрохимическомуградиенту.

В большинстве случаевпоступление Na+в цитозоль измежклеточного пространства и обеспечиваетвторичный активный транспорт разныхионов и веществ. Известно 2 типа вторичногоактивного переноса —симпортиантипорт(рис. 2–6).

· Первичныйактивныйтранспортобеспечивают следующие насосы —натрий, калиевые АТФазы, протонные икалиевые АТФазы, Са2+-транспортирующиеАТФазы, митохондриальные АТФазы,лизосомальные протонные насосы и др.

 Натрий,калиеваяАТФаза(рис. 2–11) регулирует трансмембранныепотоки основных катионов (Na+, K+)и опосредованно — воды (что поддерживаетпостоянный объём клетки), обеспечиваетNa+–связанный трансмембранныйперенос (симпорт и антипорт) множестваорганических и неорганических молекул,участвует в создании МП покоя и генерацииПД нервных и мышечных элементов.

 Электрогенность. При каждомцикле гидролиза АТФ 3 иона Na+выбрасываются из клетки, а 2 иона K+поступают в цитозоль, суммарный эффект —выброс из клетки одного катиона. Другимисловами, Na+,K+‑насособладает электрогенностью: его работаприводит к поддержанию положительногозаряда наружной (внеклеточной) поверхностимембраны.

 Сердечныегликозиды(например, уабаин и дигоксин) блокируютработу Na+,K+–насоса, конкурентнос K+взаимодействуя с участкомсвязывания K+на наружной поверхностимембраны. В результате при гипокалиемии(низкий [K+] плазмы крови) увеличиваетсятоксичность сердечных гликозидов.

Рис.2–11.Na+,K+насос[7]. Модель Na+,K+–АТФазы,встроенной в плазматическую мембрану.Na+,K+–насос — интегральныймембранный белок, состоящий из 4 СЕ(формирующие канал 2 каталитическиесубъединицы a и 2 гликопротеина b).

Na+,K+‑насос осуществляеттранспорт катионов против электрохимическогоградиента (mX) — транспортируетNa+из клетки в обмен на K+ (пригидролизе одной молекулы АТФ 3 иона Na+выкачиваютсяиз клетки, и 2 иона K+закачиваютсяв неё).

Слева и справаот насоса при помощи стрелок показанынаправления трансмембранного потокаионов и воды в клетку (Na+) и изклетки (K+, Cl–и вода) в силуразличий их DmX. АДФ —аденозиндифосфат, Фн — неорганическийфосфат.

 ПротоннаяикалиеваяАТФаза(H+,K+‑насос). При помощиэтого фермента париетальные клеткижелёз слизистой оболочки желудкаучаствуют в образовании соляной кислоты(электронейтральный обмен 2 внеклеточныхионов K+на 2 внутриклеточных ионаH+при гидролизе одной молекулыАТФ).

 H+,K+‑АТФаза —гетеродимер (2 высокомолекулярных a‑СЕи 2 меньшей мол. массы и сильногликозилированной b‑СЕ).

 b‑СЕ — главный Аг, к которомупри некоторых заболеваниях (например,при витамин B12–анемиях и атрофическомгастрите) в крови циркулируют АТ.

 Са2+транспортирующиеАТФазы(Са2+‑АТФазы)выкачиваютионыкальцияизцитоплазмывобменнапротоныпротивзначительного электрохимическогоградиента Са2+.

 Са2+АТФазыплазмолеммыпереносят ионы кальцияиз цитоплазмы во внеклеточное пространствов обмен на протоны (1 H+в обмен на1 Ca2+при гидролизе 1молекулы АТФ).

 Са2+АТФазысаркоплазматическогоретикулума.

Как и Са2+‑АТФазы плазмолеммы,Са2+-транспортирующие АТФазысаркоплазматического ретикулумаоткачиваютионыкальцияизцитоплазмы(2 H+в обмен на 2Ca2+при гидролизе 1молекулы АТФ), но не во внеклеточноепространство, а вовнутриклеточныедепокальция(в замкнутые межмембранныеобъёмы гладкой эндоплазматическойсети, именуемой в скелетных МВ икардиомиоцитах — саркоплазматическийретикулум). Недостаточность Са2+‑АТФазысаркоплазматического ретикулумапроявляется симптомами мышечнойусталости (миопатия) при физическойнагрузке.

 МитохондриальнаяАТФазатипа F (F0F1) — АТФ–синтазавнутренней мембраны митохондрий —катализируют конечный этап синтеза АТФ(рис. 2–12). Кристы митохондрий содержатАТФ-синтазу, сопрягающую окисление вциклеКребсаи фосфорилирование АДФ до АТФ. АТФсинтезируется при обратном токе протоновв матрикс через канал в АТФ-синтезирующемкомплексе.

Хемиосмотическоесопряжение.Сопряжение переноса электронов и синтезаАТФ (механизм предложилПитерМитчеллв 1961 г.) обеспечивает протонныйградиент. Внутренняя мембрана непроницаемадля анионов и катионов.

Но при прохожденииэлектронов по дыхательной цепи ионы H+откачиваются из матрикса митохондрийв межмембранное пространство (рис.2–12).

Эта энергия электрохимическогопротонного градиента и используетсядля синтеза АТФ и транспорта метаболитови неорганических ионов в матрикс.

Рис.2–12.МеханизмхемиосмотическогосопряженияприобразованииАТФвмитохондриях[11].

При транспортеэлектронов по дыхательной цепи изматрикса через внутреннюю мембрану вмежмембранное пространство митохондрийпоступает H+.

Созданный такимобразом электрохимический градиент(DmH) позволяет АТФ-синтазекатализировать реакцию АДФ + неорганическийфосфат (Фн) ® АТФ.

 Лизосомальныепротонныенасосы(H+‑АТФазы типа V [отVesicular]), встроенные в мембраны, окружающиелизосомы (также комплексГольджии секреторные пузырьки), транспортируютH+из цитозоля в эти мембранныеорганеллы. В результате в них понижаетсязначение pH, что оптимизирует функцииэтих структур.

 ТранспортёрыABC(отATP-BindingCassette — АТФ-связывающаяпоследовательность) — либо гидролизующиеАТФ насосы для активного транспортаразных ионов и молекул, либо ионныеканалы или регуляторы ионных каналов.

Так, генCFTR(от cystic fibrosis transmembraneregulator — трансмембранный регуляторкистозного фиброза) кодирует структурухлорного канала (одновременно регуляторфункционирования других каналов),мутации которого приводят к развитиюмуковисцидоза (кистозного фиброза).

· Вторичныйактивныйтранспорт.Известны 2 формы активного вторичноготранспорта: сочетанный (симпорт) ивстречный (антипорт) (см. рис. 2–6).

 Симпорт— сочетанный перенос(котранспорт, сочетанный транспорт) —движение двух веществ сквозь мембранупри помощи одного и того же переносчика(симпортёра).

 Антипорт— одновременноетрансмембранное перемещение двухвеществ, но в противоположном направлении(встречный транспорт) при помощи одногои того же переносчика (антипортёра,обменника).

 Симпортреализуют интегральныемембранные белки. Перенос вещества Хпротив его электрохимического градиента(mХ) в большинстве случаев происходитза счёт поступления в цитозоль измежклеточного пространства по градиентудиффузии ионов натрия (т.е.

за счёт DmNa),а в ряде случаев — за счёт поступленияв цитозоль из межклеточного пространствапо градиенту диффузии протонов (т.е. засчёт DmH).

В итоге и ионы (Na+или H+), и вещество Х (например,глюкоза, аминокислоты, неорганическиеанионы, ионы калия и хлора) перемещаютсяиз межклеточного вещества в цитозоль.

 Всасываниеглюкозыпроисходитчерез верхушечные поверхности клеток,окаймляющих просвет проксимальныхизвитых канальцев почки и тонкогокишечника при помощи сочетанноготранспорта с ионами Na+.

Разныеизоформы транспортёра переносят Na+и глюкозу в соотношении 1:1 или 2:1. Расчётыпоказывают, что максимальная концентрацияглюкозы в клетке может в 100 или в 104раз превышать её концентрацию в плазмекрови.

 При стехиометрии 1:1 движущая силаравна сумме разностей электрохимическогопотенциала для Na+(DmNa) ихимического потенциала для глюкозы(Dmглюкоза). Равновесие достигается,когда DmNaв одном направлениистановится равным Dmглюкозавпротивоположном направлении:

Уравнение2–5

–DmNa= Dmглюкоза

Выражая «DmNa» через концентрацииNa+снаружи (сн) и изнутри (вн)мембраны и МП (Vm), а «Dmглюкоза»через концентрации глюкозы снаружи(сн) и изнутри (вн) мембраны, можновычислить максимально возможныйтрансмембранный градиент концентрацииглюкозы:

Уравнение2–6

 Для эпителиальной клетки градиентконцентрации Na+десятикратен (этосоответствует десятикратному градиентуконцентрации глюкозы), а значение МПдля внутренней поверхности мембраны–60мВ (это соответствует ещё десятикратномуградиенту концентрации глюкозы).

При стехиометрии 2:1:

Уравнение2–7

2DmNa = –Dmглюкоза

получаем максимальный теоретическийтрансмембранный градиент концентрацииглюкозы в 104.

 Всасываниеаминокислотэпителиальными клетками проксимальныхизвитых канальцев нефрона и энтероцитамитонкого кишечника происходит присочетанном транспорте вместе с Na+.

 Неорганическиеанионы(фосфаты, сульфаты, бикарбонаты)транспортируют разные переносчики всочетании с транспортом Na+.

 Калийихлор. Известнонесколько Na+‑котранспортёровK+и Cl–. В частности, вплазмолемму свободной поверхностиэпителия восходящего отдела петлиХенлевстроены ингибируемые фуросемидом(петлевой диуретик) переносчики (все 3иона транспортируются в цитозоль). В тоже время выход K+и Cl–изклетки осуществляет не зависящий отNa+K+,Cl–‑котранспортёр.

 Разныепротонныекотранспортёрыосуществляют одновременный с H+перенос в цитозоль олигопептидов(эпителий проксимальных извитых канальцевпочки), лактата и пирувата (многиеклетки), дивалентных металлов (например,Fе2+ в канальцах нефрона и тонкомкишечнике).

 Антипорт(встречный, или обменныйтранспорт), как правило, перемещаетанионы в обмен на анионы и катионы вобмен на катионы. Движущая сила обменникаформируется за счёт поступления в клеткуNa+.

 Na+-Ca2+-обменниквмонтирован в плазмолемму всех клетоки вместе с Ca2+‑насосом плазмолеммыприводит к практически полному удалениеCa2+из цитозоля (в обмен на поступлениев цитозоль 3 ионов натрия). Эта стехиометрияобмена (3:1) обеспечивает трансмембраннуюразницу (DmCa) на 4 порядка величин.

 Na+-H+-обменникосуществляет обмен внеклеточного Na+на внутриклеточный H+в соотношений1:1, что важно для поддержания внутриклеточногоpH, объёма клеток, секреции кислот (H+)и абсорбции Na+.

 Na+-Cl–-HCO3-обменникэлектронейтрален и сочетает однонаправленныйвход в клетку 1 Na+и 2 HCO–3и транспорт из клетки 1 Cl–. Как иNa+-H+-обменник, этот транспортёрсдвигает значение внутриклеточного pHв щёлочную сторону.

 Cl–-HCO3-обменник(обменник анионов) функционируетнезависимо от потока Na+. Направленныйвнутрь клетки градиент Cl–одновременно транспортирует НСО–3из клетки.

Этот анионный обменник важендля обеспечения функции дыхания: черезобменник в лёгких НСО–3поступает в эритроциты, тогда как втканях НСО–3выходит изэритроцитов.

Потоки НСО–3важны для регуляции внутриклеточногоpH, а потоки Cl–для регуляцииклеточного объёма.

 Обменникиорганическиханионовобеспечивают поглощениегепатоцитами билирубина и жёлчныхкислот, различными клетками —простаноидов (ПгE2, ПгF2a,тромбоксанаB2), клетками почечных канальцев —органических анионов, антибиотиков,парааминогиппуровой кислоты.

Источник: https://studfile.net/preview/1351913/page:4/

Транспорт в мембранной упаковке

АТФ-насосы: Все АТФ-насосы являются трансмембранными белками с одним или

Пассивный транспорт.Диффузия – это движение частиц среды, приводящее к переносу ве­щества из зоны, где его концентрация высока в зону с низкой концентра­цией. При диффузионном транспорте мембрана функционирует как осмотический барьер. Скорость диффузии зависит от величины молекул и их относительной растворимости в жирах.

Чем меньше раз­меры молекул и чем более они жирорастворимы (липофильны), тем быстрее произойдет их перемещение через липидный бислой. Диффузия может быть нейтральной (перенос незаряженных молекул) и облегченной (с помощью специальных белков пере­носчиков). Скорость облегченной диффузии выше, чем нейтральной.

Максимальной проникающей способностью обладает вода, так как ее молекулы малы и незаряже­ны. Диффузия воды через клеточ­ную мембрану называется осмо­сом. Предполагается, что в клеточ­ной мембране для проникновения воды и некоторых ионов существу­ют специальные “поры”. Число их невелико, а диаметр составляет около 0,3-0,8 нм.

Наиболее быст­ро диффундируют через мембра­ну легко растворимые в липидном бислое молекулы, например О, и незаряженные полярные молеку­лы небольшого диаметра (СО, мо­чевина).
Перенос полярных молекул (сахаров, аминокислот), осуще­ствляемый с помощью специальных мембранных транспортных белков называется облегченной диффузией.

Такие белки обна­ружены во всех типах биологических мембран, и каждый конкрет­ный белок предназначен для переноса молекул определенного клас­са. Транспортные белки являются трансмембранными, их полипеп­тидная цепь пересекает липидный бислой несколько раз, формируя в нем сквозные проходы.

Это обеспечивает перенос специфичес­ких веществ через мембрану без непосредственного контакта с ней. Существует два основных класса транспортных белков: белки-переносчики (транспортеры) и каналообразующие белки (бел­ки-каналы). Белки-переносчики переносят молекулы через мембра­ну, предварительно изменяя их конфигурацию.

Каналообразующие белки формируют в мембране заполненные водой поры. Когда поры открыты, молекулы специфических веществ (обычно неорганические ионы подходящего размера и заряда) про­ходят сквозь них. Если молекула транспортируемого вещества не имеет заряда, то направление транспорта определяется градиентом концентрации.

Если молекула заряжена, то на ее транспорт, кроме градиента кон­центрации, влияет и электрический заряд мембраны (мембранный потенциал). Внутренняя сторона плазмалеммы обычно заряжена от­рицательно по отношению к наружной. Мембранный потенциал об­легчает проникновение в клетку положительно заряженных ионов и препятствует прохождению ионов заряженных отрицательно.

Активный транспорт.Активным транспортом называется перенос веществ против элек­трохимического градиента. Он всегда осуществляется белками-транспортерами и тесно свя­зан с источником энергии. В белках-перенос­чиках имеются участки связывания с транспор­тируемым веществом.

Чем больше таких учас­тков связывается с веще­ством, тем выше ско­рость транспорта. Селективный перенос одного вещества называется унипортом. Перенос нескольких веществ осуществляют котранспортные системы. Если перенос идет в одном направлении – это симпорт, если в противоположных – антипорт.

Так, например, глюкоза из внеклеточной жидкости в клетку переносится унипортно. Перенос же глюкозы и Na+ из полости кишечника или канальцев почек соответственно в клетки кишечника или кровь осу­ществляется симпортно, а перенос С1~ и НСО антипортно.

Предпо­лагается, что при переносе возникают обратимые конформационные изменения в транспортере, что и позволяет премещать соединенные с ним вещества.

Примером белка-переносчика, использующего для транспорта веществ энергию выделившуюся при гидролизе АТФ, является Na+/К+- насос, обнаруженный в плазматической мембране всех клеток. Na+-K насос работает по принципу антипорта, перекачи­вая Na+ из клетки и К+ внутрь клетки против их электрохимических градиентов.

Градиент Na+ создает осмотическое давление, поддер­живает клеточный объем и обеспечивает транспорт сахаров и ами­нокислот. На работу этого насоса тратится треть всей энергии не­обходимой для жизнедеятельности клеток. При изучении механизма действия Na+/K+- насоса было установ­лено, что он является ферментом АТФазой и трансмембранным ин­тегральным белком.

В присутствии Na+ и АТФ под действием АТФа-зы от АТФ отделяется концевой фосфат и присоединяется к остатку аспарагиновой кислоты на молекуле АТФазы. Молекула АТФазы фосфорилируется, изменяет свою конфигурацию и Na+ выводится из клетки. Вслед за выведением Na из клетки всегда происходит транс­порт К+ в клетку.

Для этого от АТФазы в присутствии К отщепляется ранее присоединенный фосфат. Фермент дефосфорилируется, восста­навливает свою конфигурацию и К+ “закачивается” в клетку.

АТФаза образована двумя субъединицами, большой и малой. Большая субъединица состоит из тысячи аминокислотных остатков, пересекающих бислой несколько раз.

Она обладает каталитической активностью и способна обратимо фосфорилироваться и дефосфорилироваться.

Большая субъединица на цитоплазматической сторо­не имеет участки для связывания Na+ и АТФ, а на внешней стороне -участки для связывания К+ и уабаина. Малая субъединица является гликопротеином и функция его пока неизвестна.

Na+-K насос обладает электрогенным эффектом. Он удаляет три положительно заряженных иона Naf из клетки и вносит в нее два иона К+. В результате через мембрану течет ток, образующий элект­рический потенциал с отрицательным значением во внутренней час­ти клетки по отношению к ее наружной поверхности.

Na+/K+-насос регулирует клеточный объем, контролирует концентрацию веществ внутри клетки, поддерживает осмотическое давление, участвует в создании мембранного потенциала.
Транспорт в мембранной упаковке.

Перенос через мембрану макромолекул (белков, нуклеиновых кис­лот, полисахаридов, липопротеидов) и других частиц осуществляет­ся посредством последовательного образования и слияния окружен­ных мембраной пузырьков (везикул). Процесс везикулярного транспор­та проходит в две стадии. Вначале мембрана пузырька и плазмалемма слипаются, а затем сливаются.

Для протекания 2 стадии необхо­димо чтобы молекулы воды были вы­теснены взаимодействующими липидными бислоями, которые сближаются до расстояния 1-5 нм. Считает­ся, что данный процесс активизируют специальные белки слияния (они выделены пока только у вирусов).

Везикулярный транспорт имеет важную особенность – поглощенные или секретируемые макромолекулы, находящиеся в пузырьках, обычно не смешиваются с другими макромоле­кулами или органеллами клетки. Пу­зырьки могут сливаться со специфи­ческими мембранами, что и обеспе­чивает обмен макромолекулами меж­ду внеклеточным пространством и содержимым клетки. Аналогично происходит перенос макромолекул из одного компартмента клетки в другой.

Транспорт макромолекул и частиц в клетку называется эндоцитозом. При этом транспортируемые вещества обволакиваются ча­стью плазматической мембраны, образуется пузырек (вакуоль), ко­торый перемещается внутрь клетки.

В зависимости от размера обра­зующихся пузырьков различают два вида эндоцитоза – пиноцитоз и фагоцитоз.
Пиноцитоз обеспечивает поглощение жидкости и растворенных веществ в виде небольших пузырьков (d=150 нм).

Фагоцитоз – это поглощение больших частиц, микроорганизов или обломков органелл, клеток. При этом образуют­ся крупные пузырьки, фагосомы или вакуоли (d-250 нм и более).

Рецепторная функция плазмалеммы.Это однаиз главных, универсальных для всех клеток, является рецепторная функция плазмалеммы. Она определяет взаимодействие клеток друг с другом и с внешней средой.

Всё многообразие информационных межклеточных взаимодей­ствий схематически можно представить как цепь последовательных реакций сигнал-рецептор-вторичный посредник-ответ (концепция сигнал-ответ).

Передачу информации от клетки к клетке осуществляют сигналь­ные молекулы, которые вырабатываются в одних клетках и специ­фически влияют на другие, чувствительные к сигналу (клетки-ми­шени).

Сигнальная молекула – первичный посредник связыва­ется с находящимися на клетках-мишенях рецепторами, реагирую­щими только на определенные сигналы.

Предыдущая123456789Следующая

Дата добавления: 2015-10-19; просмотров: 3269; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

ПОСМОТРЕТЬ ЁЩЕ:

Источник: https://helpiks.org/5-80405.html

025. Классификация систем активного транспорта

АТФ-насосы: Все АТФ-насосы являются трансмембранными белками с одним или

Активный транспорт – перенос ионов против их электрохимических градиентов с использованием энергии метаболизма.
Существует несколько систем активного транспорта ионов в плазматической мембране (ионные насосы):

  • Натрий-калиевый насос.
  • Кальциевый насос.
  • Водородный насос.

Натрий-калиевый насос существует в плазматических мембранах всех животных и растительных клеток. Он выкачивает ионы натрия из клеток и загнетает в клетки ионы калия. В результате концентрация калия в клетках существенно превышает концентрацию ионов натрия.
Натрий-калиевый насос – один из интегральных белков мембраны.

Он обладает энзимными свойствами и способен гидролизовать аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ), являющуюся основным источником и хранилищем энергии метаболизма в клетке. Благодаря этому указанный интегральный белок называется натрий-калиевой АТФазой.

Молекула ATФ распадается на молекулу аденозиндифосфорной кислоты (АДФ) и неорганический фосфат.

Таким образом, натрий-калиевый насос выполняет трансмембранный антипорт ионов натрия и калия. Молекула насоса существует в двух основных конформациях, взаимное преобразование которых стимулируется гидролизом ATФ. Эти конформации выполняют функции переносчиков натрия и калия.

При расщеплении натрий-калиевой АТФазой молекулы ATФ, неорганический фосфат присоединяется к белку. В этом состоянии натрий-калиевая АТФаза связывает три иона натрия, которые выкачиваются из клетки. Затем молекула неорганического фосфата отсоединяется от насоса-белка, и насос превращается в переносчик калия.

В результате два иона калия попадают в клетку. Таким образом, при расщеплении каждой молекулы ATФ, выкачиваются три иона натрия из клетки и два иона калия закачиваются в клетку. Один натрий-калиевый насос может перенести через мембрану 150- 600 ионов натрия в секунду.

Следствием его работы является поддержание трансмембранных градиентов натрия и калия.

Через мембраны некоторых клеток животного (например, мышечных) осуществляется первично-активный транспорт ионов кальция из клетки (кальциевый насос), что приводит к наличию трансмембранного градиента указанных ионов.

Водородный ионный насос действует в мембране бактериальных клеток и в митохондриях, а также в клетках желудка, перемещающего водородные ионы из крови в его полость.

Существуют системы транспорта через мембраны, которые переносят вещества из области их низкой концентрации в область высокой концентрации без непосредственного расхода энергии метаболизма клетки (как в случае первично-активного транспорта). Такой вид транспорта называется вторично- активным транспортом.

Вторично-активный транспорт некоторого вещества возможен только тогда, когда он связан с транспортом другого вещества по его концентрационному или электрохимическому градиенту. Это симпортный или антипортный перенос веществ.

При симпорте двух веществ ион и другая молекула (или ион) связываются одновременно с одним переносчиком прежде, чем произойдёт конформационное изменение этого переносчика.

Так как ведущее вещество перемещается по градиенту концентрации или электрохимическому градиенту, управляемое вещество вынуждено перемещаться против своего градиента.
Ионы натрия являются обычно ведущими веществами в системах симпорта клеток животного.

Высокий электрохимический градиент этих ионов создаётся натрий-калиевым насосом. Управляемыми веществами являются сахара, аминокислоты и некоторые другие ионы.

Макромолекулы – белки и нуклеиновые кислоты – не могут проникнуть через плазматическую мембрану с помощью механизмов транспорта, рассмотренных выше, из-за своих больших размеров.

При трансмембранном транспорте больших молекул сама плазматическая мембрана подвергается согласованным перемещениям, вследствие которых часть жидкой внеклеточной поглощается (эндоцитоз) или часть внутренней среды клетки выделяется (экзоцитоз).

В процессе эндоцитоза плазматическая мембрана окружает часть внешней среды, формируя вокруг неё оболочку, в результате чего образуется везикула, которая поступает внутрь клетки. При пиноцитозе образуются небольшие, заполненные жидкостью везикулы.

В процессе фагоцитоза формируются большие везикулы, которые содержат твердый материал, например, клетки бактерий.
При экзоцитозе транспортируемое вещество синтезируется в клетке, связывается мембраной в везикулы и экспортируется из клетки.

Таким образом транспортируются из клетки специфические белки, нуклеиновые кислоты, нейромедиаторы и т.п.

Источник: https://vseobiology.ru/biofizika/1219-025-klassifikatsiya-sistem-aktivnogo-transporta

1_2 Транспортные механизмы мембраны

АТФ-насосы: Все АТФ-насосы являются трансмембранными белками с одним или

Транспортёры мембраны – АТФазы

Ионные каналы

Транспортные структуры мембраны – это специальные белковые структуры, встроенные в мембрану и обеспечивающие трансмембранный транспорт, т.е. перенос веществ через мембрану.

Мы уже сказали в предыдущем разделе 1_1 Строение клеточной мембраны, что многие вещества могут проходить сквозь клеточную мембрану самостоятельно, за счёт простой диффузии. Они “автоматически” перемещаются из зоны своей повышенной концентрации в зону пониженной концентрации, т. к.

стремятся уравнять свою концентрацию по обе стороны мембраны. Так обычно ведут себя все вещества в растворах: они стремятся равномерно распределиться по всему объёму жидкости, пытаясь преодолеть разделяющую раствор на отсеки преграду.

В принципе, любая молекула может пройти через липидный бислой клеточной мембраны, потому что составляющие его молекулы липидов сохраняют некоторую подвижность относительно друг друга и могут временами раздвигаться в стороны, пропуская различные вещества.  Однако скорость такой пассивной диффузии, т.е.

перехода вещества через мембрану из области с большей концентрацией в область с меньшей, может сильно различаться для разных веществ. Для многих веществ диффузия занимает столь длительное время, что можно говорить о практической непроницаемости для них мембраны.

Скорость диффузии различных веществ через мембрану зависит главным образом от размера их молекул, электрического заряда (полярности) и их относительной растворимости в жирах.

Легче и лучше всего через мембрану пассивно проникают жирорастворимые неполярные мелкие молекулы.

Так, легче всего с помощью  простой диффузиейпроходят через мембрану малые неполярные молекулы, такие как О2, стероиды, тиреоидные гормоны, а также жирные кислоты. Несколько медленнее диффундируют через липидный слой малые полярные незаряженные молекулы: СО2, NH3, Н2О, этанол, мочевина.

Диффузия глицерола идёт уже значительно медленнее, а глюкоза практически не способна самостоятельно пройти через мембрану. Для всех заряженных молекул, независимо от размера, липидная мембрана практически непроницаема.

Таким образом, свободно проникать сквозь мембрану в клетку и обратно могут только жирорастворимые вещества, способные растворяться в жировом (липидном) слое мембраны. Транспорт других веществ через мембрану требует особых механизмов.

Какие же вещества необходимо протаскивать через мембрану «насильно»? Это  все полярные молекулы, не растворимые в жирах: молекулы воды, ионы (электролиты), а также более крупные молекулы питательных веществ, таких как глюкоза и аминокислоты.

Для транспорта в клетку веществ, слабо способных к диффузии через липидный слой мембраны, необходимы специальные транспортные структуры

Виды транспортных структур мембраны:

1. Ионные каналы – это специальные молекулярные трубочки с порами (дырочками) в мембране, образованные канальными белками, позволяющие ионам проходить через мембрану в обоих направлениях: как внутрь, так и наружу. Ионные каналы могут открываться при определённых условиях, в этом случае они являются управляемыми этими условиями.

2. Транслоказы, – специальные мембранные белки, облегчающие переход вещества через мембрану за счёт своего временного связывания с диффундирующим веществом. Не требуют энергии, работают в обоих направлениях в зависимости от концентрации переносимого вещества.

3. Транспортёры – белковые структуры, насильно протаскивающие определённые вещества сквозь клеточную мембрану в определённом направлении с затратами энергии. Ионные насосы – это транспортёры ионов.

По способу использования энергии для своей работы транспортёры можно разделить на “симпортные” и “антипортные”.

Симпортные транспортёры используют совместный транспорт в одном направлении двух веществ: одно из них должно иметь большую потенциальную энергию для движения через мембрану.

Например, симпорт в клетку с помощью ионов натрия глюкозы,  или симпорт ионов кальция с помощью ионов натрия. Антипортные транспортёры (обменники) используют встречный транспорт двух веществ с разной потенциальной энергией диффузии. Так работает, например, натрий-калиевый ионный насос.

Итак, перенос веществ через клеточную мембрану происходит различными путями.

Механизмы транспорта веществ через мембрану

1. Простая диффузия жирорастворимых (гидрофобных) веществ через жировой слой мембраны. Это пассивный процесс под действием градиента (перепада) концентрации вещества по разные стороны мембраны. (Смотрите видео 1: пассивный транспорт через мембрану).

2. Неуправляемая диффузия (неуправляемый пассивный перенос) водорастворимых веществ через постоянно открытые ионные каналы мембраны.

3. Управляемая диффузия (управляемый пассивный перенос) водорастворимых веществ через управляемые ионные каналы мембраны. (Смотри: Ионные каналы мембраны)

4. Активный транспорт водорастворимых веществ с помощью специальных белковых транспортных структур (транспортёров) за счёт использования энергии расщепления АТФ. (Смотрите видео 2: активный транспорт через мембрану).

5. Эндоцитоз крупных частиц за счёт образования мембранных пузырьков.

3: Эндоцитоз и экзоцитоз

4: Фагоцитоз (эндоцитоз) бактерий макрофагом

Как это происходит? Вот этот вопрос мы сейчас и рассмотрим.

анимация 5: Пассивный мембранный транспорт

6: Мембрана и транспорт веществ

7: Мембранный транспорт

1. Транспортёры мембраны – ферменты по имени АТФазы

Одна из самых главных транспортных структур мембраны — это фермент АТФаза (произносится как “а\тэ\эф\аза”). АТФазы разных видов транспортируют через мембрану ионы. Они переносят их как внутрь клетки, так и, наоборот, наружу.

Название АТФаза означает, что это фермент, нацеленный на расщепление АТФ, его полное название – аденозинтрифосфатаза.

Только не надо думать, что АТФаза существует в единственном варианте! В настоящее время уже обраружено множество различных видов транспортных АТФаз. Они схожи между собой по строению и механизму действия, но имеют разную специализацию, т.е.

каждый их вид перетаскивает через мембрану что-то своё.

В настоящее время достаточно хорошо изучены Na+/K+-АТФаза, Ca2+-АТФаза, H+-АТФаза, H+,K+-АТФаза, Mg2+-АТФаза, которые обеспечивают перемещение соответственно ионов Na+, K+, Ca2+, H+, Mg2+ изолированно или сопряжённо: например, Na+ сопряжённо с К+; Н+ сопряжённо с К+.

В чём принцип работы АТФазы?

Эти ферменты расщепляют АТФ и высвобождают химическую энергию, заключённую в молекулах АТФ. Эта освобождённая энергия тратится тут же на какую-то полезную работу.

Транспортные мембранные АТФазы тратят её на доставку определённого вещества на противоположную сторону мембраны «силой».

Различные АТФазы, встроенные в мембрану, выполняет функцию переносчиков для различных веществ и являются, таким образом, молекулярными транспортёрами, «насильно» переносящими вещества сквозь мембрану. Такой перенос называется активным транспортом.

Самой главной мембранной АТФазой по праву можно считать Na,K-АТФазу (натрий-калиевую аденозинтрифосфатазу).

По своей структуре она является представителем гетеродимерных АТФаз Р-типа.

Na,K-АТФаза образует в мембране «ионный натрий-калиевый насос», который разносит по разные стороны мембраны ионы Na+ и K+. Важно понять, что этот насос работает как обменник.

На внутренней стороне мембраны активный центр фермента (АТФазы) захватывает 3 иона натрия и выбрасывает их уже на внешней стороне. А выбросив ионы натрия наружу, АТФаза на их место захватывает снаружи 2 иона калия.

Затем фермент выворачивается внутрь клетки и перемещает ионы калия на внутреннюю сторону мембраны. Там он отпускает их, а вместо них опять захватывает 3 иона натрия.

При этом следует помнить, что, как истинный фермент, Na,K-АТФаза параллельно расщепляет АТФ, получая от этого энергию на свою транспортную деятельность.

Далее цикл повторяется.

Гипотеза работы Na,K-АТФазы рассмотрена подробнее здесь: Механизм натрий-калиевого насоса

Какие есть ещё АТФазы?

Н+,К+-АТФазы обеспечивают секрецию соляной кислоты париетальными клетками желудка. Они перемещают на наружную сторону мембраны ионы водорода, которые создают кислую среду в желудке.

Этот транспорт тоже работает по принципу обменника, т.к. меняет  внутриклеточные ионы водорода на внеклеточные ионы калия.

Кстати, в мембрану боковой и базальной поверхности этих клеток встроен хлорно-бикарбонатный анионообменни, через который анионы: Cl- вводятся в клетку в обмен на HCO3-

Н+-АТФаза растений обеспечивает поглощение из почвы солей корнями растений. Принцип действия тот же: обмен одних ионов на другие за счёт энергии, полученной из АТФ. Из клеток корня в почву выделяются ионы водорода Н+, а на их место в клетку переносятся ионы солей.

Протонная АТФаза грибка Neurospora crassa состоит из 920 аминокислот (источник: Hager et al. 1986).

Са2+-АТФаза саркоплазматического ретикулюма в мышечных клетках обеспечивает транспорт кальция из цитоплазмы мышечных клеток во внутриклеточные цистерны  для депонирования (запасания) кальция.

 Выводы

Специальные транспортные ферменты АТФазы, встроенные в клеточную мембрану, работают как транспортёры для различных веществ. Они насильно переносят вещества в клетку и из клетки. При этом АТФазы получают на свой активный транспорт энергию за счёт расщепления АТФ.

Активный транспорт веществ через мембрану клетки – это насильственный перенос вещества с затратой энергии. Он возможен даже против градиента концентрации вещества, т.е. из зоны пониженной концентрации в зону повышенной концентрации.

На рисунке справа – структура кальциевой АТФазы по Toyoshima et al. Nature 405 (2000) 647-655 PDB ID: 1EUL.pdb

 2. Транспортёры глюкозы

Глюкозные транспортёры– это белки, переносящие глюкозу через мембрану. Их называют белками-переносчиками, а также рецепторами глюкозы. Эти белки образуют гидрофильные трансмембранные каналы.

Глюкозные трнанспортёры делятся на две группы.

1. Na+-глюкозные ко-транспортёры (симпортёры). Эти транспортёры занимаются активным транспортом глюкозы с помощью ионов Na+ и их работа зависит от градиента концентрации натрия. Они работают только в почечных канальцах и кишечнике, обеспечивая всасывание глюкозы против градиента её концентрации.

2. Транспортные белки семейства ГЛЮТ. Они отличаются от сходных по функции белков, транспортирующих глюкозу через мембрану в кишечнике и почках, и обеспечивают облегчённую диффузию, а не активный транспорт. Белки ГЛЮТ обнаружены во всех тканях и их существует несколько разновидностей.

Все 5 типов ГЛЮТ имеют сходную первичную структуру и доменную организацию.

  • ГЛЮТ-1 (эритроцитарный тип) обеспечивает стабильный поток глюкозы в глиальные клетки мозга.
  • ГЛЮТ-2 (печёночный тип) обнаружен в клетках органов, выделяющих глюкозу в кровь. Именно при участии ГЛЮТ-2 глюкоза переходит в кровь из энтероцитов и печени. ГЛЮТ-2 участвует в транспорте глюкозы в β-клетки поджелудочной железы. В то же время ГЛЮТ-2 обеспечивает проникновение глюкозы из крови в клетки печени (гепатоциты) по механизму облегчённой диффузии. Там глюкоза превращается в активное вещество глюкозо-6-фосфат, участвующее в обмене углеводов, жиров и в энергообмене.
  • ГЛЮТ-3 (мозговой тип) обладает большим, чем ГЛЮТ-1, сродством к глюкозе. Он также обеспечивает постоянный приток глюкозы к клеткам нервной и других тканей.
  • ГЛЮТ-4 (мышечно-жировой тип) – главный переносчик глюкозы в клетки мышц и жировой ткани. Это единственный переносчик, регулируемый инсулином, поэтому мышцы и жировую ткань называют инсулинзависимыми тканями.
  • ГЛЮТ-5 (кишечный тип) встречается, главным образом, в клетках тонкого кишечника.

Влияние инсулина на транспортёры ГЛЮТ

Все типы ГЛЮТ могут находиться как в наружной мембране клетки, так и в цитозольных везикулах. ГЛЮТ-4 (и в меньшей мере ГЛЮТ-1) почти полностью находятся в цитоплазме клеток.

Влияние инсулина на такие клетки приводит к перемещению везикул, содержащих ГЛЮТ, к плазматической мембране, слиянию с ней и встраиванию этих белков-транспортёров в мембрану. После этого становится возможным облегчённый транспорт глюкозы в эти клетки. Скорость потребления глюкозы возрастает в 30-40 раз.

После снижения концентрации инсулина в крови транспортёры глюкозы снова перемещаются в цитоплазму, и поступление глюкозы в клетку прекращается.

8: Транспорт веществ в клетку

  9: Виды клеточного транспорта (англ.яз.)

© 2009-2018 Сазонов В.Ф. © 2009-2016 kineziolog.bodhy.ru © 2016-2018 kineziolog.su

Источник: http://kineziolog.su/content/12-transportnye-mekhanizmy-membrany

Натрий-калиевый насос

АТФ-насосы: Все АТФ-насосы являются трансмембранными белками с одним или

(Nа+ + К+)-АТРаза представляет собой тетрамер α2β2 массой 270 кДа. Большая а-субъединица (95 кДа) содержит участок, осуществляющий гидролиз АТР, и участок связывания кардиотонических стероидных ингибиторов. Меньшая β-субъединица (40 кДа) содержит углеводные группы.

Между двумя α-субъединицами или между α и β-субъединицами (но не между двумя β-субъединицами) легко образуются поперечные мостики. Исходя из этого факта, можно было предположить, что α-субъеди- ницы контактируют друг с другом, тогда как β-субъединицы пространственно разделены.

Как уже упоминалось, гидролиз АТР протекает на той стороне мембраны, которая обращена к цитозолю, а участок связывания стероидных ингибиторов находится на наружной стороне мембраны. Следовательно, каждая α-субъединица пронизывает мембрану насквозь (рис. 36.7).

Углеводные цепи β-субъединиц расположены на наружной стороне плазматической мембраны, как это вообще свойственно мембранным гликопротеинам (разд. 10.12).

Рис. 36.7. Схематическое изображение субъединичной структуры и расположения в мембране (Nа+ + К+)-насоса

Любопытно отметить, что рассматриваемый ферментный комплекс обладает одним участком связывания стероидных ингибиторов, одним участком фосфорилирования и тремя участками связывания Na+.

Как же получается, что тетрамер с субъединичной структурой α2β2 содержит нечетное число связывающих участков? Одна из возможностей состоит в том, что участки связывания расположены между субъединицами, в месте их контактов.

Вспомним, что α2β2-тетрамер гемоглобина содержит единственный участок связывания бисфосфоглицерата, находящийся в полости, расположенной в центре молекулы (разд. 4.14).

Однако существует и иная возможность, а именно такое взаимодействие двух ар-половин фермента, при котором связывание в одном из двух участков препятствует связыванию в другом. В самом деле, целый ряд олигомерных ферментов проявляет такую половинную реакционноспособность.

36.7. Модель механизма действия натрий-калиевого насоса

Почему фосфорилирование и дефосфорилирование АТРазы приводят к переносу Na+ и К+ через мембрану? Структура этого насоса еще не настолько изучена, чтобы можно было детально описать механизм его действия.

Все же полезно рассмотреть простую модель работы насоса, предложенную Олегом Ярдецким (Oleg Jardetzky). Согласно этой модели, структура белка, функционирующего в качестве насоса, должна отвечать трем условиям.

1. В белке должна быть полость такой величины, чтобы в ней умещались небольшая молекула или ион.

2. Белок должен существовать в двух конформациях, причем при одной из них полость должна быть открыта со стороны, обращенной внутрь, а при другой – со стороны, обращенной наружу.

3. Указанные конформации должны иметь разное сродство к транспортируемым компонентам.

Рассмотрим эту модель применительно к транспорту Nа+ и К+ (рис. 36.8). Две конформации белка – это формы Е1 и Е2, уже описанные ранее. Постулировано, что 1) связывающая ионы полость на Е1 обращена внутрь клетки, а на Е2 – наружу и 2) Е1 обладает высоким сродством к Nа+, а Е2 – к К+.

Модель исходит также из двух установленных фактов, а именно 1) Nа+ запускает фосфорилирование, а К+ – дефосфорилирование, 2) фосфорилирование стабилизирует форму Е2, а дефосфорилирование – форму Е1. На рис. 36.8 Е1 и Е2изображены совершенно разными по конформации.

Нужно, однако, подчеркнуть, что структурные различия между этими двумя формами вовсе необязательно должны быть большими. Сдвига нескольких атомов на расстояние 2 А может оказаться достаточно, чтобы изменить ориентацию полости и сродство к Nа+ или К+.

Существует множество прецедентов, позволяющих считать, что фосфорилирование способно вызвать изменения такого масштаба. Вспомним влияние фосфорилирования на свойства гликоген-фосфорилазы и гликоген-синтазы или на изменение сродства гемоглобина к кислороду при нековалентном связывании бисфосфоглицерата.

Рис. 36.8. Схематическое изображение предполагаемого механизма действия (Na+ + К+)-насоса.

На верхней половине рисунка последовательность реакций, направленных на выведение трех ионов Nа+; ниже — последовательность реакций, обеспечивающих вход двух ионов К+.

Формы Е1 (желтый цвет) и Е2 (синий цвет) на рисунке сильно различаются по конформации. На самом деле конформационные различия могут быть очень небольшими

36.8. Кардиотонические стероиды – специфические ингибиторы (Na+ + К+)-АТРазы и (Nа+ + К+)-насоса

Некоторые стероиды растительного происхождения являются мощными ингибиторами (Nа+ + К+)-АТРазы и насоса. Полумаксимальное ингибирование обоих процессов наблюдается при концентрации ингибитора порядка 10-8 М.

Представители этого класса ингибиторов, в частности дигитоксигенин и уабаин, называются кардиотоническими стероидами в связи с их выраженным действием на сердечную деятельность (рис. 36.9).

Активность кардиотонических стероидов определяется наличием в их структуре 5- или 6-членного ненасыщенного лактонного кольца с β-конфигурацией при С-17. Существенное значение имеют также гидроксильная группа при С-14 и цис-конфигурация сочленения колец С и D.

В молекуле уабаина и ряда других кардиотонических стероидов при С-3 находится остаток сахара, однако этот сахар не имеет значения для ингибирования АТРазы.

Рис. 36.9. Кардиотонические стероиды, например, дигитоксигенин и уа- баин, ингибируют (Na+ + К+)-насос

Как уже упоминалось, кардиотонические стероиды ингибируют реакцию дефосфорилирования (Na+ + К+)-АТРазы. Ингибирование присходит только в том случае, если кардиотонические стероиды локализованы на наружной стороне мембраны. Таким образом, подавление дефосфорилирования этими стероидами пространственно так же асимметрично, как и активация дефосфорилирования ионами калия.

Кардиотонические стероиды, например, дигиталис, имеют огромное значение в медицине. Дигиталис повышает силу сокращения сердечной мышцы и потому служит основным средством лечения острой сердечной, недостаточности.

Ингибирование дигиталисом (Na+ + К+)-насоса приводит к повышению содержания Na+ в клетках сердечной мышцы. Это сопровождается увеличением внутриклеточной концентрации Са2+, что в свою очередь повышает сократительную активность миокарда.

Любопытно отметить, что дигиталис (алкалоид наперстянки) успешно использовался задолго до открытия (Na+ + К+)-АТРазы. В 1785 г.

врач и ботаник Уильям Уитеринг (William Withering) опубликовал «Описание наперстянки и некоторые способы ее применения в медицине», где рассказывает, каким образом он впервые узнал об использовании дигиталиса для лечения острой сердечной недостаточности.

«В 1775 г. меня спросили, каково мое мнение о домашнем способе лечения водянки. При этом сообщили, что этот способ был известен одной старухе в Шропшире и она долго держала его в секрете. Старуха иногда вылечивала больных, которым не могли помочь врачи…

Ее снадобье состояло из 20 или более различных трав, однако разбирающемуся в этом предмете нетрудно было заметить, что активным началом могла быть только наперстянка…

Наперстянка влияет на биение сердца в большей степени, чем какое-либо из других лекарств, и это действие можно с успехом использовать для исцеления больного».

Источник: https://lifelib.info/biochemistry/strajer_2/107.html

Medic-studio
Добавить комментарий