Мембранні рецептори лікарських засобів. Сигнальна трансдукція. Мембранотропні препарати-бестселери.

Регуляція обміну речовин крізь мембрани залежить від фізичних і хімічних властивостей мембран та іонів або молекул, що йдуть через них
Вода - основна речовина, що надходить у клітини й виходить з них.

Рух води як у живих системах, так і в неживій природі підкоряється законам об'ємного потоку й дифузії.

Об'ємний потік - це загальний рух води (або іншої рідини), який відбувається завдяки різниці в потенційній енергії води, що називається водним потенціалом. Інше джерело водного потенціалу - тиск. Вода переміщається з області більш високого водного потенціалу в область більш низького незалежно від причини, що створює цю відмінність.

Наприклад, вода, що перебуває на вершині водоспаду, має потенційну енергію. При падінні води, її потенційна енергія переходить у кінетичну, яка може бути перетворена в механічну й здатна зробити роботу (рис.1).

Рис. 1. Водоспад як приклад переходу потенційної енергії в кінетичну.

 

Дифузія всім знайоме явище. Якщо малу краплю парфумів розприскати в одному куті кімнати, запах поступово заповнить усю кімнату, навіть якщо повітря в ній нерухливе. Це відбувається тому, що речовина рухається з області з більш високою концентрацією в область із більш низкою. Іншими словами дифузія - це поширення речовини в результаті руху їх іонів або молекул, які прагнуть вирівняти свою концентрацію в системі (рис. 2).

Ознаки дифузії: кожна молекула рухається незалежно від інших; ці рухи хаотичні.
Дифузія - процес повільний. Але вона може бути прискорена в результаті потоку плазми, метаболічної активності.

Звичайно речовини синтезуються в одній ділянці клітини, а споживаються в іншій. Таким чином установлюється концентраційний градієнт, і речовини можуть дифундувати за градієнтом з місця утворення до місця споживання.

Органічні молекули, як правило, полярні. Тому вони не можуть вільно дифундувати через ліпідний бар'єр клітинних мембран. Однак двоокис вуглецю, кисень і інші речовини, розчинні в ліпідах, проходять через мембрани вільно. В обидва боки проходить вода й деякі дрібні іони.

Рис. 2. Дифузія у розчині.

Пропускаючи воду, клітинні мембрани в той же час не пропускають більшість розчинених у ній речовин. Такі мембрани називають напівпроникними, а дифузію через такі мембрани – осмосом (рис.3).

Рис. 3. Осмос.

Ендоцитоз і екзоцитоз

 

Ендоцитоз і екзоцитоз - це два активні процеси, за допомогою яких різні матеріали транспортуються через мембрану або в клітини (ендоцитоз), або із клітин (екзоцитоз).
При ендоцитозі плазматична мембрана утворює вп'ячування або вирости, які потім, відшнуровуючись, перетворюються в пухирці або вакуолі. Розрізняють два типи ендоцитозу:

1. Фагоцитоз - поглинання твердих часток. Спеціалізовані клітини, що здійснюють фагоцитоз, називаються фагоцитами (рис. 4).

Рис. 4. Макрофаг, що фагоцитує дві червоні кров'яні клітини.

2. Піноцитоз - поглинання рідкого матеріалу (розчин, колоїдний розчин, суспензія). Часто при цьому утворюються дуже дрібні пухирці (мікропіноцитоз).
Екзоцитоз - процес, зворотний ендоцитозу. Таким способом виводяться гормони, полісахариди, білки, жирові краплі й інші продукти клітини. Вони розміщуються у пухирці, обмежені мембраною, і підходять до плазмолеми. Обидві мембрани зливаються, і вміст пухирця виводиться в середовище, що оточує клітину.

 

Типи проникнення речовин у клітину через мембрани.

Молекули проходять через мембрани завдяки трьом різним процесам: простій дифузії, полегшеній дифузії, активному транспорту (рис. 5).

 

Рис. 5. Типи транспорту крізь мембрану.

 

Проста дифузія - приклад пасивного транспорту. ЇЇ напрямок визначається тільки різницею концентрацій речовини по обидва боки мембрани (градієнтом концентрації). Шляхом простої дифузії в клітину проникають неполярні (гідрофобні) речовини, розчинні в ліпідах і дрібні незаряджені молекули (наприклад, вода).

Більшість речовин, необхідних клітинам, переноситься через мембрану за допомогою занурених у неї транспортних білків (білків-переносників). Усі транспортні білки, очевидно, утворюють безперервний білковий прохід через мембрану. Розрізняють дві основні форми транспорту за допомогою переносників: полегшена дифузія й активний транспорт.

Полегшена дифузія обумовлена градієнтом концентрації, і молекули рухаються відповідно до цього градієнту. Однак якщо молекула заряджена, то на її транспорт впливає як градієнт концентрації, так і загальний електричний градієнт поперёк мембрани (мембранний потенціал).

Активний транспорт - це перенос розчинених речовин проти градієнта концентрації або електрохімічного градієнта з використанням енергії АТФ. Енергія потрібна тому, що речовина повинна рухатися всупереч своєму природньому прагненню дифундувати в протилежному напрямку.

Деякі транспортні білки переносять одну розчинена речовина через мембрану (уніпорт). Інші функціонують як котранспортні системи (рис. 6), у яких перенос однієї розчиненої речовини залежить від одночасного або послідовного переносу другої речовини. Друга речовина може транспортуватися в тому ж напрямку (симпорт) або в протилежному (антипорт).

Рис. 6. Котранспортні системи.

Na-K насос

Однією з найважливіших і найбільш вивчених систем активного транспорту в клітинах тварин є Na-K насос (рис. 7). Більшість клітин тварин підтримують різні градієнти концентрації іонів натрію й калію по різні сторони плазматичної мембрани: усередині клітини зберігається низька концентрація іонів натрію й висока концентрація іонів калію. Енергія, необхідна для роботи Na-K насоса, поставляється молекулами АТФ, що утворюються у процесі дихання. Про значення цієї системи для всього організму свідчить той факт, що у тварини, що перебуває у стані спокою, більше третини АТФ затрачується на забезпечення роботи цього насоса.

Рис. 7. Робота Na-K насоса.

 

Модель роботи Na-K насоса

 

А. Іон натрію в цитоплазмі з'єднується з молекулою транспортного білка.

Б. Реакція за участю АТФ, у результаті якої фосфатна група (Р) приєднується до білка, а АДФ вивільнюється.

В. Фосфорилювання індукує зміну конформації білка, що призводить до вивільнення іонів натрію за межі клітини.

Г. Іон калію в позаклітинному просторі зв'язується із транспортним білком (Д), який у цій формі більш пристосований для з'єднання з іонами калію, ніж з іонами натрію.

Е. Фосфатна група відщеплюється від білка, викликаючи відновлення первісної форми, а іон калію вивільняється в цитоплазму. Транспортний білок тепер готовий до виносу іншого іона натрію із клітини.