Введение в молекулярную биологию: От клеток к атомам - Энтони Рис, Майкл Стернберг 2002
Клетки и молекулы за работой
Перенос веществ через мембраны
Рис. 38.1.
Перенос вещества через плазматическую мембрану— это процесс, имеющий фундаментальное значение для всех живых клеток. Клетка должна иметь возможность поглощать как метаболиты, богатые энергией, так и питательные вещества и одновременно выводить наружу ненужные ей соединения. Клетки высших организмов обладают и еще одной способностью — они секретируют некие активные вещества, которые могут быть важны для жизнедеятельности других тканей или органов. Механизмы, с помощью которых малые молекулы (такие, как глицерол и глюкоза) или ионы (например, К+ и С1~) могут проходить сквозь плазматическую мембрану, можно подразделить на три типа: диффузия, облегченная диффузия и активный транспорт.
ДИФФУЗИЯ — это процесс, в ходе которого молекулы (или ионы) переходят через мембрану из области с высокой концентрацией в область с низкой в результате броуновского движения. Чтобы понять, почему разность концентраций по обе стороны мембраны приводит к результирующему перемещению вещества в сторону малой концентрации, рассмотрим ситуацию, изображенную на рис. 38.2. Вероятность того, что молекула перейдет из отсека А1, в отсек B1 в точности равна вероятности перехода молекулы из отсека B1 в отсек А1. Но поскольку в начальный момент число молекул в А1 больше, чем в B1 за данное время из А, в В, 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.
Рис. 38.2.
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
согласно которому поток вещества (J) через мембрану пропорционален градиенту концентрации (dc/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.
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 КС1. 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:
где А — постоянная для данного иона, dy/dx — трансмембранный градиент заряда.
Облегченная диффузия относится к процессам, при которых молекулы перемещаются из области с высокой концентрацией в область с низкой при помощи белков-переносчиков, локализованных в плазматической мембране. Процесс пассивен в том смысле, что перенос осуществляется по градиенту концентрации, и характеризуется тем, что он
1) специфичен для определенных молекул;
2) осуществляется быстрее, чем обычная диффузия;
3) достигает насыщения.
Специфические носители имеются для многих молекул, таких, как глюкоза, лактоза, аминокислоты, нуклеотиды, глицерол и т. д. Избирательность обусловлена наличием у переносчика стереоспецифического места связывания (например, переносчик глюкозы осуществляет транспорт только D-, но не L-глюкозы).
После связывания данной молекулы с переносчиком в последнем происходит структурный переход, в результате которого малая молекула перемещается на другую сторону мембраны. При этом скорость движения через плазматическую мембрану значительно превышает скорость простой диффузии. Вероятно, этот механизм возник в процессе эволюции для переноса тех гидрофильных молекул, которые иначе диффундировали бы через мембрану чересчур медленно, чтобы обеспечить потребности клетки. В любой конкретной клетке имеется конечное число переносчиков для данной молекулы или иона, и, когда все они заняты, скорость переноса становится максимальной. Следовательно, процесс достигает насыщения, причем кинетика переноса практически идентична таковой для простых ферментов (гл. 13). Чем больше концентрация переносимого вещества по данную сторону мембраны, тем больше переносчиков по эту сторону занято, и в результате происходит перенос на другую сторону мембраны. Когда разность концентраций равна нулю, переносчики, продолжая работать, переносят молекулы внутрь и наружу клетки с одинаковой скоростью, и поэтому в целом диффузии не наблюдается. Некоторые гормоны (гл. 41), такие, как инсулин и фактор роста эпидермиса, могут вызвать увеличение скорости диффузии при участии переносчиков сверх обычно наблюдаемой.
Под АКТИВНЫМ ТРАНСПОРТОМ понимают процессы, при которых ионы (или молекулы) переносятся через клеточную мембрану против градиента концентрации. Так как перенос осуществляется в термодинамически невыгодном направлении, этот процесс может идти только при наличии поступающей извне энергии. У высших организмов (например, у человека) такие активные процессы используют значительную часть потребляемой организмом энергии — примерно 30— 40%. Натрий-калиевая АТРаза [(Na+ + К+)-АТРаза, мол. масса 250 000] — это одна из наиболее изученных систем активного транспорта. У большинства клеток поддерживаются разные концентрации
ионов Na+ и К+ внутри и снаружи клетки. Отношение концентраций для каждого из этих ионов может достигать 10—15. Обычно внутри клетки высока концентрации К+ и низка Na+, а снаружи наблюдается обратная ситуация (гл. 36). Поскольку мембрана хотя и очень слабо, но все-таки проницаема для заряженных ионов, имеет место небольшая «утечка», и концентрации этих двух ионов по разные стороны мембраны стремятся выравняться. (Na+ + К+)-АТРаза осуществляет активный транспорт ионов именно для того, чтобы предотвратить это выравнивание. Для поддержания неодинаковых концентраций Na+ и К+ за один цикл переноса через мембрану должны пройти 3 иона Na+ и 2 иона К+.
ПИНОЦИТОЗ (иногда называемый эндоцитозом) - это механизм, с помощью которого в клетку вводятся белки и другие макромолекулы в жидкой фазе. Обычно он наблюдается только у эукариотических клеток. Можно заметить, как небольшие области мембраны впячиваются и в конце концов образуют внутри клетки сферические пузырьки, которые отделяются от мембраны. Внеклеточные белки, прикрепленные к мембране в месте впячивания, оказываются внутри пузырьков. Часто потом эти пузырьки сливаются с лизосомами, содержащими гидролитические ферменты, которые разрушают введенный извне белок. Пример введения гормона описан в гл. 41.
ФАГОЦИТОЗ — это процесс, аналогичный пиноцитозу, в котором большие макромолекулярные комплексы, бактерии, вирусные частицы и т. д. поступают внутрь клетки и перевариваются там в больших пузырьках, или вакуолях. У одноклеточных амеб этот процесс играет большую роль в снабжении клетки питательными веществами. У многоклеточных высших организмов фагоцитоз осуществляется в основном специальными фагоцитирующими клетками (такими, как макрофаги), которые разрушают проникшие в клетку вещества до того, как они успевают вызвать ее повреждение.