IV. Транспорт веществ через мембрану

1.Первично активный транспорт - это перенос отдельных ионов вопреки концентрационному и электрическому градиентам с помощью специальных ионных насосов, а также с помощью эндоцитоза, экзоцитоза и трансцитоза.

Насосы локализуются на клеточных мембранах или на мембранах клеточных органелл.

Основными характеристиками мембранных насосов являются:

- специфичность (селективность);

- постоянная работа;

Специфичность насосов (селективность) заключается в том, что они обычно переносят какой-то определенный ион или два иона. Например, Na/К-насос (объединенный насос для Nа+ и К+) не способен переносить ион лития, хотя по своим свойствам последний очень близок к натрию.

Натрий-калиевый насос (Nа/К-АТФаза) — это интегральный белок клеточной мембраны. Этот насос изучен наиболее хорошо, он имеется в мембранах всех клеток и создает характерный признак живого — градиент концентрации Nа+ и К+ внутри и вне клетки, что обеспечивает формирование мембранного потенциала и вторичный транспорт веществ.

Его специфическими блокаторами являются строфантины, особенно уабаин. Работа натриевого насоса после удаления К+ из среды сильно нарушается.

Кальциевый насос (Са2+-АТФаза) локализуется в саркоплазматическом ретикулуме мы-шечной ткани, в эндоплазматическом ретикулуме других клеток, клеточной мембране. Насос обеспечивает транспорт Сa2+ и строго контролирует содержание Са2+ в клетке. Насос переносит Са2+ либо во внеклеточную среду, например, в клетках сердечной и скелетных мышц, либо в цистерны ретикулума и митохондрии.

Протонный насос (Н+-АТФаза) имеется в мембране обкладочных клеток в желудке, где играет важную роль в выработке соляной кислоты; в почке он участвует в регуляции рН внутренней среды организма; этот насос постоянно работает во всех митохондриях.

Постоянная работа насосов необходима для поддержания концентрационных градиентов ионов, связанного с ними электрического заряда клетки и движения воды и незаряженных частиц в клетку и из клетки вторично активно, в частности согласно законам диффузии и осмоса. Совокупность этих процессов обеспечивает жизнедеятельность клетки.

Механизм работы ионных насосов.Nа+/К+-насос — молекула интегрального белка, пронизывающая всю толщу клеточной мембраны. Молекула имеет участок, который связывает либо Na+, либо К+, — это активный участок. Белковая молекула активной своей частью обращена внутрь клетки и обладает сродством к Nа+, который присоединяется к белку, в результате чего активируется АТФаза, обеспечивающая гидролиз АТФ и освобождение энергии. Последняя обеспечивает конформацию молекулы белка: она превращается в форму Е2, в результате чего активный ее участок уже обращен наружу клеточной мембраны. Теперь белок теряет сродство к Na+, последний отщепляется от него, а белок-помпа приобретает сродство к иону К+ и соединяется с ним. Это ведет снова к изменению конформации переносчика: форма Е2 переходит в форму Е1, когда активный участок белка снова обращен внутрь клетки. При этом он теряет сродство к иону К+, и тот отщепляется, а белок приобретает снова сродство к иону Na+ — это один цикл работы помпы. Затем цикл повторяется. Насос является электрогенным, поскольку за один цикл выводится из клетки 3 иона Nа+, а возвращается в клетку 2 иона К+. На один цикл работы Na/К-насоса расходуется одна молекула АТФ, причем энергия расходуется только на перенос Na+.

Эндоцитоз, экзоцитоз и трансцитоз (микровезикулярный транспорт) — это еще три вида первично-активного транспорта, близких по механизму друг к другу, посредством которых различные материалы переносятся через мембрану либо в клетку (эндоцитоз), либо из клетки (экзоцитоз), либо через клетку (трансцитоз). С помощью этих механизмов транспортируются крупномолекулярные вещества (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты), которые не могут транспортироваться по каналам или с помощью насосов.

Различают два типа эндоцитоза — фагоцитоз (поглощение твердых частиц) и пиноцитоз — поглощение жидкого материала (раствор, коллоидный раствор, в том числе и белков, суспензия). Пиноцитоз характерен для клеток, таких как лейкоциты, клетки зародыша, клетки печени и некоторые клетки почек, участвующие в водно-солевом обмене, в обмене белков: они обеспечивают пиноцитоз белков из первичной мочи в клетки проксимальных канальцев и их лизис. С помощью пиноцитоза новорожденные получают с молоком матери иммуноглобулины. Процесс эндоцитоза имеет место при всасывании веществ в желудочно-кишечном тракте.

Экзоцитоз — процесс, обратный эндоцитозу; это наиболее распространенный механизм секреции. Таким способом различные материалы выводятся из клеток: из пресинаптических окончаний — медиатор, из пищеварительных вакуолей удаляются оставшиеся непереваренными частицы, а из секреторных клеток путем экзоцитоза выводится их жидкий секрет (слизь, гормоны, ферменты), из гепатоцитов — альбумины.

Экзоцитозные пузырьки образуются в аппарате Гольджи. Низкомолекулярные вещества (медиаторы, некоторые гормоны) попадают в везикулы преимущественно с помощью вторичного транспорта. Пузырьки транспортируются сократительным аппаратом клетки, со-стоящим из нитей актина, миозина и микротрубочек, к клеточной мембране, сливаются с ней, и содержимое клеток выделяется во внеклеточную среду.

Трансцитоз сочетает в себе элементы эндо- и экзоцитоза: это перенос частиц через клетку, например, молекул белка в виде везикул — через эндотелиальную клетку капилляров на другую ее сторону. В этом случае эндоцитозные пузырьки не взаимодействуют с лизосомами. При этом пузырьки могут сливаться друг с другом, образуя каналы, пересекающие всю клетку.

2.Вторично активный транспорт

Переход различных частиц и молекул воды за счет ранее запасенной (потенциальной) энергии. Потенциальная энергия создается в виде электрического, концентрационного и гидростатического градиентов (это обеспечивает диффузию, осмос, следование за растворителем) и градиента гидростатического давления жидкости, обеспечивающего фильтрацию, что создается деятельностью сердца, скелетных и гладких мышц. К вторичному транспорту относятся следующие виды транспорта.

Диффузия - частицы перемещаются из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Частицы с одноименными электрическими зарядами отталкиваются, с разноименными зарядами — 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. Различают простую, облегченную диффузию и осмос как частный случай диффузии.

Простая диффузия осуществляется либо непосредственно через липидный бислой, либо через каналы. При этом заряженные частицы движутся согласно электрохимическому градиенту, а незаряженные — согласно только химическому градиенту. 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 лекарств. Этот процесс происходит слишком медленно и плохо контролируется.

Облегченная диффузия осуществляется также согласно концентрационному градиенту и обеспечивает перенос веществ, способных образовывать комплексы с другими молекулами-переносчиками. Переносчик — специфический мембранный белок должен свободно переходить с одной стороны мембраны на другую. Этот транспорт осуществляется очень быстро.

Осмос — это частный случай диффузии: движение воды (растворителя) через полупроницаемую мембрану в область с большей концентрацией частиц, т.е. с большим ос-мотическим давлением.

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 гладкой мускулатурой желудочно-кишечного тракта и мышечного пресса, обеспечивающих повышение гидростатического давления в полости желудка и кишечника, что способствует всасыванию веществ в кровь.

В процессе фильтрации поток воды через мембрану увлекает за собой растворенные вещества, свободно проходящие через полупроницаемую мембрану, при этом частицы переходят через мембрану в неизмененной концентрации.

Натрийзависимый транспорт - в этом случае энергия затрачивается на создание градиента натрия. Имеется два варианта данного механизма транспорта.

Первый вариант, когда направление движения транспортируемого вещества совпадает с направлением движения натрия согласно его электрохимическому градиенту (симпорт), например перенос глюкозы в проксимальных канальцах нефрона в клетку канальца из первичной мочи.

Второй вариант натрийзависимого транспорта, когда перемещение транспортируемых частиц направлено в противоположную по отношению к движению Nа+ сторону, — это антипорт (противотранспорт). Этим обменным механизмом регулируется, например, содержание Са2+ в клетке, рН внутри клетки за счет выведения Н+-иона в обмен на внеклеточный Nа+.

V. Механизмы проведения возбуждения нервными волокнами (рис.4)