Транспорт молекул через мембраны

Обмен веществ между клеткой и средой определяется транспортной функцией ПАК. В своей деятельности клетка использует несколько видов транспорта молекул и веществ через ПАК:

1. Свободный транспорт, или простая диффузия.
2. Пассивный транспорт, или облегченная диффузия
3. Активный транспорт
4. Транспорт в мембранной упаковке или цитоз.

Свободный транспорт – осуществляется только при наличии электрического градиента по обе стороны мембраны. Этот градиент существует только при разности концентрации и\или зарядов транспортируемых молекул.

Величина градиента определяет направление и скорость свободного транспорта. Такое направление транспорта называют транспортом по градиенту концентрации. При этом скорость свободного транспорта прямолинейна величине градиента. Транспорт по градиенту концентрации приводит к уменьшению разности концентраций и постепенному снижению скорости свободного транспорта.

Биологическая роль свободного транспорта ограничена. Это определяется его недостаточной избирательностью. Через билипидный слой могут проходить любые гидрофобные молекулы. Большинство биологически активных молекул являются гидрофильными, поэтому их свободный транспорт через билипидный слой затруднен.

Пассивный транспорт – облегченная диффузия – также осуществляется только по градиенту концентраций и без затрат АТФ. Скорость пассивного транспорта намного больше, чем свободного. При увеличении разности концентраций наступает момент, когда скорость становится постоянной. Транспорт осуществляется специальными молекулами – переносчиками. С их помощью через мембрану по градиенту концентрации транспортируются крупные гидрофильные молекулы (сахара, аминокислоты). В ПАК имеются пассивные переносчики для различных ионов (К⁺, Na⁺, Ca²⁺, Cl^-, HCO₃^-).

Особенностью пассивных переносчиков является их высокая специфичность (избирательность) по отношению к транспортируемым молекулам. Вторая особенность – высокая скорость транспорта, которая может составлять 10⁴ молекул в секунду и более. Клетка может регулировать количественный и качественный набор переносчиков в своем ПАК. Это позволяет клетке дифференцироваться и реагировать на изменения условий.

Механизм действия переносчиков основан на их способности образовывать каналы, специфические для определенных молекул. Например: пассивный переносчик глюкозы.

Изменять параметры пассивного транспорта в клетке можно с помощью лекарственных препаратов, антибиотиков. Антибиотики выступают в роли пассивных переносчиков. У эукариотичекких клетках нарушение пассивного транспорта могут вызывать некоторые токсины и яды.

Активный транспорт – характеризуется переносом молекул против градиента концентрации, т.е. из области с низкой концентрацией молекул в область с более высокой концентрацией молекул. Для этого необходимы затраты АТФ. При отсутствии АТФ этот вид транспорта прекращается или не начинается. Работу по переносу молекул против градиента концентрации осуществляют специальные молекулы – переносчики. Такие молекулы получили название “ насосы ”, или “ помпы ”. Многие активные переносчики обладают АТФ-азной активностью: способны расщеплять АТФ и получать энергию для своей работы.

Активный транспорт ионов необходим клеткам для создания соответствующих градиентов ионов. В нервных клетках градиенты ионов (K⁺, Na⁺) необходимы для возникновения и проведения нервных импульсов. Энергию градиента ионов клетка может использовать для активного транспорта других молекул. Такой вид транспорта получил название вторичного активного транспорта. Вторичный активный транспорт также осуществляется с помощью переносчика. Но такой переносчик транспортирует молекулы не одного вещества, а двух или более. Пример: переносчик глюкозы в эпителиальных клетках почечных канальцев. Переносчик способен транспортировать ионов Na⁺ по градиенту концентрации и молекулы глюкозы против градиента концентрации – осуществлять сопряженный транспорт молекул.

С помощью Na⁺-насоса клетка создает градиент с более высокой концентрацией Na⁺ вне клетки. В результате Na⁺ с сопряженным переносчиком, активирует его, открывает канал глюкозы снаружи и Na⁺ попадает в клетку вместе с молекулой глюкозы. Затем натрий снова выкачивается наружу. Градиент натрия все время сохраняется и обеспечивает вторичный транспорт глюкозы.

Сопряженный транспорт, сопровождается движением обоих молекул в одном направлении, называют симпортом. В ПАК обнаруживаются переносчики, способные транспортировать разные молекулу в разном направлении, т.е. осуществлять антипорт. Пример: К⁺-Na⁺-насос.

Цитоз

Цитоз или транспорт в мембранной упаковке используется клеткой для транспорта крупных молекул или частиц различных веществ. Этот вид транспорта характеризуется тем, что транспортируемая частица оказывается окруженной (упакованной) мембранным пузырьком. Если цитоз происходит в клетку его называют эндоцитозом. Цитоз из клетки обозначают как экзоцитоз. Для некоторых клеток характерен цитоз, при котором частицы проходят через нее. Такой вид цитоза получил название диацитоз, или трансцитоз.

Эндоцитоз.

Частица “проходит” к ПАК и окружается участком плазмолеммы. В результате Частица оказывается в гиалоплазме в мембранном пузырьке, или эндосоме.

Различают 3 вида эндоцитоза:

1. Фагоцитоз. Для фагоцитоза характерен транспорт относительно крупных частиц. При этом виде эндоцитоза частица подходит к ПАК и взаимодействует со специальными компонентами кликокаликса (рецепторами). Это служит сигналом для активации субмембранного опорно-сократительного аппарата, который использует энергию АТФ. Вокруг частицы образуются выросты (выпячивания) участков плазмалеммы, которые окружают частицу со всех сторон. Этот процесс оканчивается образованием в периферической гиалоплазме эндесомы, которая называется фагосомой. Фагосома покрывается внутренней стороной плазмолеммы и оказывается в цитоплазме.

2. Макропиноцитоз – не имеет принципиальных отличий от фагоцитоза. Этому виду транспорта подвергаются более мелкие частицы. Образование эндосомы, которую называют пиносомой, осуществляется не выпячиванием, а впячиванием (углублением) участка плазмолеммы. После этого происходит рецепция частиц, а затем – образование и отрыв пиносомы. В этом участвует субмембранный опорно-сократительный аппарат и необходим АТФ. Некоторые вещества, например гормоны, поступают в клетку путем эндоцитоза с большей, чем обычно скоростью, за счет белков – клатринов.

3. Микропиноцитоз – сходен с макропиноцитозом, но при этом виде цитоза клетка не затрачивает АТФ. Микропиноцитоз является температуро-зависимым процессом. Он прекращается при понижении температуры. У животных микропиноцитоз встречается редко и используется как начальный этап диацитоза. При этом виде цитоза в клетки поступают наиболее мелкие частицы. У млекопитающих микропиноцитоз зарегистрирован к клетках эпителия капилляров и почечных канальцев.

4. Кроме обычного эндоцитоза возможен еще один вариант. При этом в ПАК проходит частица уже упакованная в мембранный пузырек. Затем происходит слияние участков мембран пузырька и плазмолеммы, и частица попадает в клетку. В этом случае частица оказывается в гиалоплазме без мембранной упаковки. Так в клетки животных транспортируется холестерин из плазмы крови

Экзоцитоз.

При экзоцитозе транспортируемое вещество упаковывается мембранным материалом в цитоплазме. Для этого используются мембраны эндоплазматической сети или комплекс Гольджи. С помощью микротрубочек этот мембранный пузырек или экзосома перемещается в периферическую гиалоплазму к плазмолемме. Мембраны экзосомы и ПАК контактируют и экзосома раскрывается. Под действием микрофибрилл и микротрубочек происходит растяжение пузырька и транспортируемое вещество оказывается за пределами клетки. При этом мембрана экзосомы становится частью плазмолеммы.Для экзоцитоза необходимы затраты АТФ. С помощью такого варианта экзоцитоза клетка может выводить во внеклеточную среду различные вещества.

Возможен еще один вариант экзоцитоза, который получил название обратного пиноцитоза. В этом случае транспортируемое вещество подходит к плазмолемме без мембранной упаковки и окружается участком плазмолеммы. Образовавшийся мембранный пузырек отрывается от плазмолеммы, и вещество оказывается за пределами клетки. Такой вид экзоцитоза встречается редко. С помощью обратного пиноцитоза секретируются капли молока из клеток молочных желез млекопитающих.

Диацитоз.

Диацитоз является комбинацией эндоцитоза (микропиноцитоза) и экзоцитоза. Этот вид цитоза используется для переноса веществ через клеточные барьеры. С помощью диацитоза осуществляется обмен некоторых веществ между плазмой крови и тканевой жидкостью. В этом случае вещества проходят эпителиальные клетки кровеносных сосудов. Этот же вид характерен для эпителия почечных канальцев. Через клетки слизистых отдельных органов в полости путем диацитоза попадают некоторые антитела. При диацитозе происходит увеличение площади плазмолеммы (экзоцитоз) или уменьшение (эндоцитоз). Поэтому в клетках экзоцитоз всегда сопровождается эндоцитозом. Это позволяет клетке сохранить относительное постоянство плазмолеммы.

1. Рецепторная функция и ее механизм.

В ПАК имеются специальные молекулы – рецепторы, которые воспринимают (узнают) физические и химические сигналы. Рецепторами являются интегральные белки или гликопротеины и имеют общую сходную структуру. В надмембранной области (гликокаликс) наружный домен рецептора, который взаимодействует с сигналом (химической молекулой). Этот домен переходит в трансмембранный домен, который находится в билипидном слое (пересекает его). Третий, цитоплазматический домен, локализуется в периферической гиалоплазме. Транспортный домен служит для фиксации рецептора в плазмолемме и передачи сигнала путем изменения своей конформации. Эта модификация вызывает цепь последовательных реакций, в результате которых клетка реагирует на полученный сигнал. Наружный домен рецептора может быть гликозилирован, т.е. иметь олигосахаридный компонент. Он используется для рецепции сигнала.

Наружный домен рецептора имеет уникальную структуру и взаимодействует только с определенными молекулами-сигналами. В результате рецепторная функция является высокоспецифичной. Взаимодействие сигнала со специфическим рецептором клетка может использовать для регуляции транспортной функции. У многоклеточных животных в качестве специфических сигналов широко используются гормоны, нейромедиаторы и иммуномедиаторы. Нейромедиатор ацетилхолин взаимодействует со своими рецепторами, в результате чего открываются каналы для K⁺ и Na⁺ в ПАК нервных клеток. Гормон инсулин усиливает работу переносчиков глюкозы. Активацию рецепторов может индуцировать эндоцитоз. Половой гормон тестостерон проникает в билипидный слой и взаимодействует со специальными рецептором. Образовавшийся комплекс транспортируется в ядро и индуцирует работу генов, которые контролируют развитие мужских половых признаков. Гормоны и медиаторы часто являются первичными сигнальными посредниками передачи информации. В этом случае активация рецептора приводит к активации фермента аденилатциклазы. Она превращает АТФ в циклическую форму АМФ (цАМФ). Циклическая АМФ способна активировать другие регуляторные белки или ферменты. В результате этого в клетке происходят определенные изменения, вызывающие адекватную реакцию клетки.

Нарушение рецепторной функции ПАК является причиной определенных болезней изменение структуры и функции рецепторов инсулина приводит к тому, что не включается переносчик глюкозы в жировых и мышечных клетках в результате развивается инсулинозависимая форма сахарного диабета. Нарушение структуры рецептора тестостерона у людей с набором хромосом XY вызывает болезнь тестикулярную феминизацию (синдром Морриса).

1. Структура и функции клеточных контактов.

Для нормальной жизнедеятельности клеток многоклеточного организма большое значение имеют контакты между клетками. Эту контактную функцию выполняет ПАК. По функции различают 3 вида постоянных клеточных контактов: механические, изолирующие и коммуникационные.

Механические контакты необходимы для образования и сохранения многоклеточных структур (тканей, органов). Этот вид контактов обеспечивает и перераспределяет механические нагрузки с одной клетки на другие. Во всех случаях основную роль в их образовании играет гликокаликс. В зоне простого механического контакта участки ПАК более удалены друг от друга, чем вне зоны контакта, в этой зоне происходит взаимодействие углеводных компонентов гликокаликса различных клеток. В результате образуется единая для контактирующих клеток надмембранная структура. Она и удерживает клетки вместе.

Простой механический контакт может усложняться путем изменения конфигурации участков ПАК и образование контактов типа “замок”. В таком варианте существенную роль играет и плазмолемма. Наиболее сложный вид механического контакта получил название десмосомы. При образовании десмосомы в зоне контакта между клетками образуется белковая пластинка. От нее к плазмолемме отходят фибриллярные структуры. В формировании десмосомы принимает участие и субмембранный комплекс. В периферической гиалоплазме в зоне контакта в обеих клетках образуются толстые белковые пластинки. Эти пластинки фиксируются в гиалоплазме скелетными фибриллами.

Изолирующий контакт обеспечивает разделение содержимого различных полостей организма и межклеточной жидкости. Поэтому такой вид контакта характерен для различных эпителиальных клеток.

Главную роль в формировании изолированных контактов играют роль специальные интегральные белки. Они взаимодействуют между собой и с такими же белками плазмолеммы другой клетки. В результате в зоне контакта образуется непрерывные белковые полоски, которые выполняют роль барьера. Взаимодействие барьерных белков различных клеток приводит к сближению их плазмолемм в зоне контакта. Для эффективности изоляции необходима стабильность (неподвижность) белковых полосок. С этой целью белки-полоски фиксируются в билипидном слое с помощью микрофибрилл. Другим своим концом микрофибриллы взаимодействуют с микротрубочками. В зоне контакта может образовываться только несколько полосок, если необходима сильная степень изоляции. В эпителии мочевого пузыря для предотвращения попадания мочи в тканевую жидкость формируется до 8 полосок. В эпителии почечных канальцев формируется 1 полоска.

Коммуникационные (щелевые) контакты формируются для обмена между клетками. Основы этих контактов специальные интегральные канальные белки-коннексины. В зоне контакта 6 молекул таких белков образуют канальную структуру, или коннексон. Коннексоны таких клеток взаимодействуют между собой и формируют общий канал. Это приводит к сближению плазмолемм различных клеток в зоне коммуникационного контакта. Как правило, в зоне такого контакта функционируют несколько коннексон. Работа коннексон регулируется клеткой путем открывания-закрывания канала.

Нарушение струкуры и функции постоянных контактов приводит к различным аномалиям. Повышенная степень отделения роговых чешуек кожи эпителия (перхоть) может быть следствием аномалий формирования механических контактов. Причиной образования раковых клеток может быть неспособность образовывать коммуникационные контакты.