Способы переноса через мембрану низкомолекулярных соединений
Транспорт веществ внутрь и наружу клетки, а также между цитоплазмой и различными субклеточными органеллами (митохондриями, ядром и т.д.) обеспечивается мембранами. Если бы мембраны были глухим барьером, то внутриклеточное пространство оказалось бы недоступным для питательных веществ, а продукты жизнедеятельности не могли бы быть удалены из клетки. В то же время при полной проницаемости было бы невозможно накопление определенных веществ в клетке. Транспортные свойства мембраны характеризуются полупроницаемостью: некоторые соединения могут проникать через нее, а другие – нет (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Проницаемость мембран для различных веществ
Одна из главных функций мембран - регуляция переноса веществ. Существуют два способа переноса веществ через мембрану: пассивный и активный транспорт (рис.2.2).
Рис. 2.2. Транспорт веществ через мембраны
2.1.1. Пассивный транспорт.
Если вещество движется через мембрану из области с высокой концентрацией в сторону низкой концентрации (т.е. по градиенту концентрации этого вещества) в результате броуновского движения без затраты клеткой энергии, то такой транспорт называется пассивным, или диффузией.
Различают два типа диффузии: простую и облегченную
2.1.1.1 Простая диффузия.
К простой диффузии способны низкомолекулярные гидрофобные органические соединения (жирные кислоты, мочевина), а также небольшие нейтральные молекулы (H2O, CO2, O2).
При увеличении разности концентраций между отсеками, разделенными мембраной, прямо пропорционально будет расти и скорость диффузии. При выравнивании концентраций диффузия прекращается, а если соотношение концентраций меняется на противоположное, то меняется и направление диффузии. Это имеет место в случае прохождения СО2 через мембраны эритроцитов: в капиллярах тканей СО2 диффундирует из плазмы в эритроциты, а в капиллярах легких – наоборот, из эритроцитов в плазму. Все определяется соотношением концентраций СО2 в этих системах.
Чтобы понять, почему разность концентраций по обе стороны мембраны приводит к результирующему перемещению вещества в сторону малой концентрации, рассмотрим ситуацию, изображенную на рисунке 2.3.
Рис. 2.3. Механизм простой диффузии
Вероятность того, что молекула перейдет из отсека А1 в отсек В1 в точности равна вероятности перехода молекулы из отсека В1 в отсек А1. Но поскольку в начальный момент число молекул в А1 больше, чем в В1 за данное время из А1 в В1 переместится молекул больше, чем в обратном направлении. Такое перемещение будет продолжаться до тех пор, пока концентрации в А и В не станут одинаковыми, т. е. не будет выполняться равенство [А]2 = [В]2. Скорость перемещения в точности пропорциональна разности концентраций [А] — [В]. Гидрофобные вещества диффундируют через липидные мембраны быстрее, чем гидрофильные. Те молекулы, которые хорошо растворимы в гидрофобной среде (например, глицерол), легче переходят через плазматическую мембрану, чем водорастворимые молекулы. Исключением из этого правила является вода, которая, будучи весьма полярным соединением, должна была бы диффундировать значительно медленнее, чем, например, глицерол. На самом же деле скорость ее диффузии в 7 раз выше, чем у глицерола, а для природной клеточной мембраны это отношение может достигать 100. Эти наблюдения показывают, что
а) белки влияют на поведение липидов и
б) в некоторых случаях вода может вести себя так, как будто она — липофильное вещество.
Простая диффузия подразделяется на нейтральную и ионную диффузию в зависимости от того, какие вещества проходят через мембрану (рис.2.4).
Нейтральная диффузия — это процесс, при котором через мембрану из области с высокой концентрацией в область с низкой переходят незаряженные молекулы. Скорость перехода описывается законом Фика
J = - D dc/dx
согласно которому поток вещества (J) через мембрану пропорционален градиенту концентрации (dс/dx) молекул по обе стороны мембраны.
D — константа, называемая коэффициентом диффузии и имеющая размерность см2•с -1. Скорость нейтральной диффузии уменьшается с увеличением гидрофильности молекулы.
Рис.2.4. Различные варианты простой диффузии
Ионная диффузия — это процесс, при котором через мембрану проходят заряженные ионы. Это пассивный процесс, и, как и в случае нейтральной диффузии, он зависит от наличия трансмембранной разности концентраций. Однако в силу того что в равновесии для сохранения электронейтральности с каждой стороны мембраны общее число положительных и отрицательных зарядов должно быть одинаковым, в уравнение Фика необходимо ввести дополнительный член. Рассмотрим клетку, содержащую полианионные (отрицательно заряженные) белки, которая находится в растворе КCl. Ионы будут диффундировать по градиенту концентрации внутрь клетки, но, поскольку белки не могут выйти наружу и заряжены отрицательно, внутрь проникнет больше ионов К+, чем С1-. В результате установится неодинаковое распределение ионов и возникнет трансмембранный электрохимический градиент. В модифицированное уравнение Фика, известное как уравнение Нернста-Планка, входит член, являющийся мерой этого градиента:
J= - D dc/dx+A dy/dx
где А — постоянная для данного иона,
dy/dx –трансмембранный градиент заряда
2.1.1.2. Облегченная диффузия
При данном способе переноса вещество проходит через мембрану также по направлению градиента своей концентрации, но не самостоятельно, а с помощью специального транспортного белка – транслоказы.
Транслоказы – интегральные белки, обладающие большей или меньшей специфичностью в отношении переносимых веществ. Примерами являются анионные каналы в плазмолемме эритроцитов, К+-каналы в плазмолемме возбудимых клеток, Са+-каналы в мембранах саркоплазматического ретикулума и т.д.
Практически всегда с помощью транслоказ переносится такое вещество, которое не способно к простой диффузии через мембрану. Но есть и исключение – перенос воды через мембраны почечных канальцев и секреторных эпителиальных клеток. Вода может и самостоятельно пересекать липидный бислой. Однако для интенсификации ее диффузии в указанных мембранах есть специальная транслоказа – аквапорин.
2.1.1.3. Механиз действия транслоказ.
Как правило, транслоказы состоят из нескольких субъединиц. С учетом этого возможно несколько вариантов механизмов их действия.
1. Между субъединицами имеется всегда открытый гидрофильный канал, доступный лишь для веществ определенного размера и заряда.
2. Канал открывается только при связывании с одной из его сторон специфического лиганда.
3. Канала как такового не образуется вовсе, а перенос осуществляется путем поворота транслоказы (вместе со связанным лигандом) в плоскости мембраны на 1800. В результате лиганд, связавшийся на одной стороне мембраны, высвобождается с другой стороны.
Вероятно, в организме встречаются все эти варианты.. Независимо от механизма, направление и скорость переноса вещества транслоказой как и в случае простой диффузии определяется разностью концентраций этого вещества по обе стороны мембраны. Молекулы лиганда могут связываться с транслоказой как с одной, так и с другой стороны и, соответственно, переноситься в обоих направлениях. Но там, где концентрация выше, связывание и перенос будут происходить чаще, что и определит общий результат диффузии.
В отличии от простой диффузии для облегченной диффузии характерно явление насыщения.Это значит, что при неуклонном повышении концентрации лиганда с одной стороны мембраны скорость переноса может расти не беспредельно, а лишь до некоторого предела. При этой максимальной скорости каждая транслоказа функционирует без периодов «простоя»: т.е. после высвобождения молекулы лиганда с одной стороны тут же следует связывание очередной молекулы с другой стороны. Дальнейшая же интенсификация деятельности транслоказы уже невозможна. Аналогичный феномен, как известно, присущ и ферментам. В связи с этим транслоказы можно рассматривать как «ферменты», катализирующие перемещение веществ через мембраны.
Рассмотрим примеры транслоказ, обеспечивающих облегченную диффузию одновалентных катионов. К таким транслоказам относятся К+-каналы, Na+-каналы и катионные каналы;
2.1.2. К+-каналы имеют внутренний диаметр 0,3 нм и содержатся в плазмолемме многих клеток. Эти каналы постоянно «открыты», т.е. функционируют как транслоказы при любом функциональном состоянии клетки. Благодаря этому через них возвращается во внеклеточную среду некоторое количество ионов К+- из-за наличия очень сильного концентрационного градиента, создаваемого Na+ , К+-насосом. Выход уже относительно небольшого количества К+ -ионов (примерно 6 ионов на каждые 1000 нм2 поверхности мембраны) создает такую разность потенциалов между сторонами мембраны (~75 мВ), которая уравновешивает по энергии концентрационный градиент. Поэтому наступает динамическое равновесие, и дальнейшая диффузия ионов К+ через каналы прекращается. В результате вне- и внутриклеточные концентрации этих ионов практически не меняются, но клетки приобретают т.н. трансмембранный потенциал. При этом внешняя сторона плазмолеммы заряжена положительно, а внутренняя – отрицательно. При таком распределении зарядов трансмембранный потенциал пишут со знаком минус. Таким образом благодаря К+ каналам мембрана превращается в заряженный электрический конденсатор.
2.1.3. Na+-каналы (внутренний диаметр – 0,55 нм) имеются лишь в тех мембранах, которые способны к возбуждению. Это плазмалемма нервных клеток, миоцитов, мышечных волокон, сперматозоидов, сенсорных клеток органов чувств ( в т.ч. эпителиального происхождения).
Плотность расположения Na+- каналов в этих мембранах различна. Так, в немиелиновых нервных волокнах они располагаются равномерно и занимают 0,2-1,0 % поверхности плазмолеммы (20-500 каналов на 1 мкм2). В миелиновых же волокнах натриевые каналы сосредоточены лишь в перехватах Ранвье которыми прерываются миелиновая оболочка но с очень высокой плотностью (13000 1/мкм2), занимая до 50% поверхности. Принципиальное отличие от К+-каналов, также содержащихся во всех вышеперечисленных мембранах, состоит в том, что Na+ каналы «открыты» не все время, а лишь при определенном состоянии клетки. Как правило, таким состоянием является возбуждение. Исключением являются светочувствительные клетки сетчатки глаза: здесь, наоборот, при возбуждении Na+-каналы закрываются, тогда как в покое открыты.
Рассмотрим типичную ситуацию, когда Na+-каналы в покое закрыты. Открытие каналов в каком-либо участке мембраны инициируется снижением трансмембранного потенциала данного участка мембраны до уровня – 50 мВ. Само же снижение потенциала обычно является следствием возбуждения соседнего участка мембраны. Через открывающиеся Na+-каналы ионы Na+ устремляются внутрь клетки по градиенту концентрации и заряда. Таким образом, снаружи «тает» избыток положительных зарядов, создаваемый К+ каналами. Поэтому разность потенциалов снижается еще более, что вызывает открытие еще закрытых Na+-каналов. Процесс усиливает сам себя и быстро развивается. Согласно расчетам, за 1 импульс через каждый канал проходит в клетку около 500 ионов Na+. Это не приводит к заметному повышению их внутриклеточной концентрации, последняя возрастает лишь на десятые доли процента, однако при этом существенно меняется трансмембранный потенциал. В течение миллисекунд разность потенциалов не только сводится к нулю, но и становится положительной величиной (около +30 мВ). Это означает, что на пике возбуждения избыток положительных ионов оказывается уже не вне, а внутри клетки. Происходит это в результате того, что ионы Na+ движутся внутрь клетки быстрее, чем успевают выходить ионы К+. В свою очередь, возникновение положительной разности потенциалов индуцирует закрытые Na+-каналов. Поэтому в данном месте мембраны быстро восстанавливается за счет постоянно открытых К+-каналов, нормальное значение потенциала (- 75 мВ). Весь цикл возбуждения участка мембраны занимает примерно 1 миллисекунду.
На функционирование этих каналов влияют такие вещества как:
1. ионы Са2+: чем выше их внеклеточная концентрация, тем трудней открываются Nа+-каналы. Иначе говоря, чтобы они открылись, требуется большее инициирующее снижение (по модулю) трансмембранного потенциала. В итоге ионы Са2+ уменьшают возбудимость мембран.
Причина в том, что Nа+-каналы через свои карбоксигруппы обратимо связывают ионы Са2+ (рис.2.5); причем при открытии каналов их сродство к этим ионам сильно снижается. Соответственно, сами ионы Са2+, связываясь с Nа+-каналами, препятствуют переходу последних в открытое состояние. Таким образом, трансмембранный транспорт ионов Nа+ и Са2+ тесно взаимосвязан.
У данного феномена имеется важное следствие. При гипокальциемии (которая может возникать после удаления паращитовидных желез) в нервных и мышечных тканях значительно повышается возбудимость мембран. Это проявляется в виде частых судорог (что обозначается как тетания).
б) Известны также сильные ингибиторы Nа+-каналов, использующиеся в экспериментальных исследованиях. Это тетродотоксин (из рыбы иглобрюха) и сакситоксин (из одного вида морских водорослей).
Они, как и ионы Са2+, связываются с карбоксильными группами транслоказы, но только более прочно.