Лекция_Транспорт_Мембраны

Молекулярная структура ионных каналов имеет общие типичные черты. Порообразующая α-субъединица потенциал активируемых натриевых и кальциевых каналов представляет собой одну белковую молекулу с четырьмя доменами (I-IV, рис 12). Домены соединены внутриклеточными аминокислотными петлями.каждый домен включает 6 α-спиральных трансмембранных сегментов. Свёрнутая α-субъединица образует канал. α-субъединица калиевого канала похожа на одиночный домен натриевого или кальциевого канала. В этом случае канал образуется путем стыковки 4-х α-субъединиц. В каждом канале имеются вспомогательные (регуляторные) субъединицы (голубые кружки).

Проницаемость каналов составляет от 106 до 108 ионов в секунду, что на три порядка выше, чем транспорт ионов, осуществляемый ионными насосами или переносчиками, и на 11 порядков выше, чем простая диффузия ионов через мембрану. Отличительной особенностью ионных каналов является то, что в открытом состоянии они обеспечивают относительно постоянный поток ионов в одном направлении при конкретном значении мембранного потенциала и в определенной ионной среде. Односторонняя проницаемость

– еще одна особенность транспорта ионов через каналы. В процессе транспорта через канал происходит взаимодействие иона с белком, поэтому передвижение ионов по каналам отличается от их транспорта через водные поры, в которых эти взаимодействия сведены до минимума.

Переносчики

В отличие от ионных каналов белки-переносчики образуют специфический комплекс с молекулой субстрата, который обладает способностью легко проникать через мембрану (рис 13). В этом отношении белки-переносчики (транспортные белки, пермеазы) похожи на ферменты. Единственное различие состоит в том, что они «катализируют» направленный транспорт, а не ферментативную реакцию. Они проявляют высокую специфичность – иногда групповую – к субстратам, подлежащим переносу через мембрану.

Рис. 13. Транспорт веществ через мембрану с помощью переносчиков

Иллюстрацией транспорта переносчикового типа является АТФ/АДФ-транслоказа,

11

обеспечивающая перенос нуклеотидов через митохондриальную мембрану. Другой пример мембранных транспортеров представляют ионофоры – гидрофобные вещества, образующие с катионами жирорастворимые комплексы, способные встраиваться в мембрану. Эти молекулы могут функционировать по принципу как подвижных переносчиков, так и каналоформеров. Принцип действия ионофоров заключается в том, что они экранируют заряд транспортируемого иона, что позволяет ему пересекать по концентрационному градиенту гидрофобную область липидного бислоя биологической мембраны.

Примером ионофора, работающего как подвижный переносчик, может служить депсипептид (пептид, который наряду с амидными участками содержит также и сложноэфирные связи) - валиномицин, продуцируемый одним из штаммов Streptomyces. Он способен образовывать комплексы с калием на три порядка более активно, чем с натрием. Это позволяет использовать валиномицин как специфический калиевый ионофор.

Рис. 14. Структура валиномицина

В липидной фазе молекула валиномицина имеет форму манжетки, устланной изнутри полярными группами, а снаружи - неполярными гидрофобными остатками молекул валина (рис. 14). Образуя комплекс с ионами калия, попадающими внутрь молекулыманжетки, валиномицин приобретает лучшую растворимость в липидной фазе мембраны. Ионы калия удерживаются внутри молекулы за счет межзарядных взаимодействий. Молекулы валиномицина. оказавшиеся у поверхности мембраны, могут захватывать из окружающей среды ионы калия и переносить его через мембрану, возвращаясь обратно с каким-нибудь противоионом (например, протоном). Таким образом, происходит челночный перенос ионов калия через мембрану.

Примером челночного переносчика является ионофор А23186, транспортирующий двухвалентные катионы Са2+ по принципу ионного обмена: на каждый двухвалентный катион, переносимый в клетку, он «выносит» из клетки два протона. В конечном итоге работа этого переносчика не приводит к деполяризации мембраны. Другими словами, ионофор А23187 осуществляет электронейтральный антипорт. Этот ионофор часто используется в экспериментах для повышения концентрации свободного кальция в цитозоле.

12

К образованию каналов в мембране способны антибиотики трех групп:

грамицидины, аламетицин и полиеновые антибиотики. Общее у них то, что их молекулы амфифильны, благодаря чему они способны встраиваться в мембрану и образовывать поры, пронизывая ее (в виде одной молекулы или димера). Заряженные или полярные группы размещены в таких молекулах на одном конце. Таким образом, благодаря внутри- и межмолекулярным связям полярных групп они способны погружаться в мембрану, образуя в ней каналы.

Перенос воды

Долгое время считалось, что для диффузии воды через клеточные мембраны достаточно ее естественной проницаемости через липидную часть мембран за счет движения кинков. В 1988 г. были открыты аквапорины – новый класс белков, которые высокоэффективно пропускают молекулы воды, будучи абсолютно непроницаемы ни для каких ионов, включая протоны.

Рис. 15. Молекулярная структура аквапорина

В отличие от ионных каналов, аквапорины осуществляют избирательное пропускание воды через мембраны клеток. Аквапорины имеют молекулярную массу ~ 30 кДа и находятся в мембране в виде тетрамеров (рис. 15). В мембране формируется очень узкое отверстие, в центре которого имеются два положительных заряда. Прохождение большинства катионов и анионов через данный канал невозможно из-за его малого размера, а протоны не проходят через него из-за наличия положительного заряда.

Они встречаются в клетках всех живых организмов и играют особенно важную роль в физиологии почек – у человека через них проходит до 170 л воды в сутки. Нарушения работы аквапоринов (например, в случае генетических дефектов этих белков) приводят к тяжелым патологиям.

Активный транспорт

Активным транспортом называют процесс переноса веществ или ионов против их концентрационных градиентов, который прямо или косвенно обеспечивается энергией метаболических процессов. Активный транспорт бывает первично-активным и вторично-

13

активным. В случае ионного транспорта, обеспечиваемого транспортными АТФазами (их называют также ионными насосами), энергодающей стадией является гидролиз АТФ. Такой процесс называется первично-активным транспортом. Если же энергия черпается из созданного независимо градиента ионов, например, в процессе первично-активного транспорта, этот процесс называется вторично-активным транспортом.

В противоположность вышеописанным процессам активный транспорт осуществляется против градиента концентрации или заряда, поэтому он требует притока дополнительной энергии, которая обычно обеспечивается за счет гидролиза АТФ (иногда – за счет мембранного потенциала). Первично-активный транспорт ионов в большинстве случаев осуществляется транспортными АТФазами (ионными насосами), источником энергии для которых служит гидролиз АТФ или пирофосфата. В мембранах хлоропластов и митохондрий при работе систем первично-активного ионного транспорта источником энергии становится трансмембранный потенциал, создаваемый работой окислительно-восстановительных цепей. Некоторые транспортные процессы проходят за счет гидролиза других макроэргических соединений, как, например, фосфоенолпирувата, или же за счет энергии света.

Рис. 16. Схема первично-активного транспорта ионов

Типичный пример первично-активного транспорта – активный транспорт ионов (рис 16). Он осуществляется специальными ионными насосами, которые представляют собой интегральные белки клеточных мембран. Функция ионных насосов заключается в переносе ионов через мембрану против электрохимического градиента за счет энергии гидролиза АТФ. В соответствии с этим ионные насосы обладают аденозинтрифосфатфосфогидролазной активностью. Последняя специфически контролируется переносимыми насосом ионами и требует для своей работы ионов магния.

Таким образом, ион-транспортирующие системы являются Мg-АТФазами. приобретшими способность дополнительной регуляции переносимыми ионами как кофакторами. В процессе их функционирования энергия химической связи АТФ превращается в энергию электрохимического градиента переносимых этими системами ионов. По этой причине понятно, почему синонимом термина «ионные насосы» стал термин «транспортные АТФазы». Транспортные АТФазы классифицируют по

переносимым ими (и активирующим их работу) ионам. Четыре типа АТФаз имеют

14

отношение к транспорту ионов - протонная (К,Н-зависимая)-АТФаза, анионная (НСО-3)- АТФаза, Са-АТФаза (рис 17) и Nа,К-АТФаза.

Рис. 17. Молекулярная структура и схема функционирования Са-АТФазы

Активный транспорт ионов может быть электронейтральным или электрогенным. Транспортная система электронейтральна, если при ее функционировании происходит обмен внутриклеточных ионов на внеклеточные в эквивалентных (по заряду) количествах. Если транспорт веществ через мембрану не сопровождается накоплением заряда, то такой транспорт называют электронейтральным. Транспорт может быть электронейтральным при соблюдении следующих условий:

при переносе незаряженного вещества;

при симпорте катионов и анионов равной окисленности;

при антипорте двух равнозаряженных ионов.

В том случае, когда количество зарядов, переносимых за единицу времени в одном направлении, не компенсируется суммой зарядов, переносимых в противоположном направлении, транспортный механизм генерирует дополнительную разность потенциалов на мембране и называется электрогенным. Во время работы электрогенного насоса, например, Nа,К-АТФазы из клетки выносится три положительных заряда (три иона Nа+ ), а входят в клетку два положительных заряда (два иона К+), в результате чего в клетке происходит накопление положительных электрических зарядов и на мембране возникает разность потенциалов (рис 18, 19, 20, 21). При работе электронейтрального насоса система активного транспорта является лишь средством поддержания

15

концентрационных градиентов ионов и непосредственно не участвует в создании мембранного потенциала клетки.

Энергия, запасаемая клеткой в виде ионных градиентов, созданных первично активным транспортом веществ через мембрану, может использоваться другими транспортными процессами, которые в таком случае (по отношению к энергетическому обеспечению процесса) называют вторично-активным транспортом.

Рис. 22. Вторично-активный транспорт некоторых веществ

Так, к примеру, происходит при аккумуляции в клетке глюкозы или других метаболитов – они переносятся против концентрационного градиента за счет того, что одновременно с ними в клетку переносятся ионы Nа+. В клетках низших эукариот градиент Nа+ может быть заменен градиентом протонов (рис 22). Перенос осуществляется с помощью белков-переносчиков, имеющих молекулярную массу 25-40 кДа. Некоторые переносчики сахаров выделены из плазматических мембран слизистой кишечника, эритроцитов, бактерий. Они имеют широко варьирующее сродство и различную специфичность к переносимым соединениям.

К вторично-активному транспорту относятся и процессы переноса, сопряженные с

16

ферментативной модификацией переносимых соединений. Например, фосфотрансферазная система бактерий, отсутствующая у эукариот, фосфорилирует сахара в процессе их проникновения через мембрану, вовлекая их тем самым в клеточный метаболизм. У грамотрицательных бактерий так переносятся D-глюкоза, D- фруктоза и D-глюкозамин. У грамположительных бактерий набор переносимых веществ шире: сюда относятся также пентозы, сахароза, трегалоза, лактоза, глицерин.

Митохондрии – это пример системы, осуществляющей вторично-активный транспорт Са2+. В этом случае перенос иона происходит по градиенту потенциала, образованного на мембране за счет метаболических процессов, например дыхания или гидролиза АТФ. При этом на мембране генерируется потенциал, и транспорт Са2+ осуществляется по принципу электрофореза.

Другие виды транспорта

Кроме описанных основных видов транспорта имеются специальные виды переноса веществ через мембрану, выделяемые в особую группу, поскольку они сопряжены с изменением структурной целостности мембран. К ним относят:

процессы высвобождения медиаторов при возбуждении синапсов (происходит слияние синаптических пузырьков с мембраной и высвобождение их содержимого в синаптическую щель);

перенос генетического материала через ядерную мембрану;

процессы пиноцитоза и экзоцитоза;

деятельность пермеаз бактерий, обеспечивающих перемещение через клеточную стенку олигопептидов.

Перенос белков от одних органелл к другим происходит с помощью везикул.

17