СХИБ-95
Д О К Л А Д
тема: " ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗБИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАННЫ "
докладчик: И. Владимирский
ПЛАН ДОКЛАДА
1. Основные факты о строении клеточной мембраны.
2. Перенос малых молекул через мембрану. Введение.
3. Пассивный транспорт с помощью белковых каналов и
белков переносчиков. Диффузия черезмембрану.
4. Активный транспорт. ( Na + K )-насос.
5. Роль ( Na + K )-насоса в поддержании допустимого
осмотического давления в клетке.
6. Транспорт за счет ионных градиентов.
Симпорт, антипорт.
7. Транспорт путем векторного переноса групп.
8. Обменники. Регулировка pH.
9. Сквозной транспорт через клетки кишечника.
10. Механизм действия некоторых гармонов.
11. Перенос макромолекул и частиц.
12. Заключение.
1. ОСНОВНЫЕ ФАКТЫ О СТРОЕНИИКЛЕТОЧНОЙ МЕМБРАНЫ
Плазматическая мембранна окружает каждуюклетку, определяет
ее размер и обеспечивает сохранение различий между содержимым
клетки и внешней средой. Мембрана служитвысокоизбирательным
фильтром и отвечает за активный транспортвеществ, то есть, пос-
тупление в клетку питательных веществ ивывод наружу вредных про-
дуктов жизнедеятельности. Наконец,мембрана ответственна за восп-
риятие внешних сигналов, позволяет клетке реагировать на внешние
изменения. Все биологические мембраныпредставляют собой ансамбли
липидных и белковых молекул, удерживаемых вместе с помощью неко-
валентных взаимодействий.
1.1. Основу любой молекулярноймембраны составляют молекулы
липидов, образующих бислой. Первые опыты,подтверждающие это, бы-
ли проведены в 1925 году. Формирование бислоя является особым
свойством молекул липидов и реализуется даже вне клетки (рис.
1.1.). Указанные на данной схеме структурыреализуются самопроиз-
вольно. Важнейшие свойства бислоя:
— способность к самосборке — текучесть — ассиметричность.
1.2. Хотя основные свойствабиологических мембран определя-
ются свойствами липидного бислоя, но большинство спецефических
функций обеспечивается мембраннымибелками. Белки выступают в ка-
честве рецепторов и ферментов. С ихпомощью осуществляется транс-
порт через мембрану многих веществ.Большинство из них пронизыва-
ют бислой в виде одиночнойальфа-спирали, но есть и такие, кото-
рые пересекают его несколько раз (рис. 1.2.). Некоторые белки
связываются с мембраной, не пересекая бислой, априкрепляясь к
той или иной ее стороне. Их называют периферическими мембранными
— 2 -
белками. Многие из перефирерических белковсвязаны нековалентными
взаимодействиями с трансмембраннымибелками, но есть и такие, ко-
торые имеют ковалентную связь с молекуламилипидов.
Большинство мембранных белков, так же как илипидов, способ-
ны свободно перемещаться в плоскости мембраны. Вообще говоря,
возможен переход молекул белков и липидовс одной стороны мембра-
ны на другую, известный как «флип-флоп» перескок,но он происхо-
дит гораздо реже, чем латеральная диффузия(рис. 1.3.). Известно,
что одна молекула липида совершает «флип-флоп» раз в две недели,
в то время, как та же молекуладиффундирует в плоскости липидного
слоя за 1 секунду на расстояние равное длине большой бактериаль-
ной клетки.
1.3. На поверхности всех клетокимеются углеводы. Это поли-
сахаридные и олигосахаридные цепи, ковалентно присоединенные к
мембранным белкам и липидам. Углеводывсегда распологаются на той
стороне мембраны, которая не контактирует с цитозолем. То есть,
на внешних (плазматических) мембранах ониприсоединяются снаружи
клетки.
Функция углеводов клеточнойповерхности пока неизвестна, но
представляется вероятным, что некоторые из них принимают участие
в процессах межклеточного узнавания.
2. ПЕРЕНОС МАЛЫХ МОЛЕКУЛ ЧЕРЕЗМЕМБРАНУ
Так как внутренняя часть липидного слоя гидрофобна, он
представляет собой практическинепроницаемый барьер для большинс-
тва полярных молекул. Вследствие наличия этого барьера, предотв-
ращается утечка содержимого клеток, однакоиз-за этого клетка бы-
ла вынуждена создать специальные механизмыдля транспорта раство-
римых в воде веществ через мембрану. Перенос малых водораствори-
мых молекул осуществляется при помощи специальных транспортных
белков. Это особые трансмембранные белки,каждый из которых отве-
чает за транспорт определенных молекул или групп родственных мо-
лекул. В клетках существуют также механизмы переноса через мемб-
рану макромолекул (белков) и даже крупных частиц. Но к ним мы
вернемся позднее.
- 3 -
2.1. При опытах с искусственнымилипидными бислоями было ус-
тановлено, что чем меньше молекула и чем меньше она образует во-
дородных связей, тем быстрее онадифундирует через мембрану (рис.
2.1.). Итак, чем меньше молекула и чемболее она жирорастворима
(гидрофобна или неполярна), тем быстрееона будет проникать через
мембрану.
Малые неполярные молекулы легкорастворимы и быстро диффун-
дируют. Незаряженные полярные молекулы при небольших размерах
также растворимы и диффундируют. Важно, что вода очень быстро
проникает через липидный бислой несмотря на то, что она относи-
тельно нерастворима в жирах. Это происходит из-за того, что ее
молекула мала и электрическинейтральна. Итак, мембраны могут
пропускать воду и неполярные молекулы засчет простой диффузии.
Но клетке необходимо обеспечить транспортировку такихве-
ществ как сахара, аминокислоты,нуклеотиды, а также многих других
полярных молекул.
Как уже говорилось, за переносподобных веществ ответственны
специальные мембранные транспортные белки.Каждый из них предназ-
начен для определенного класса молекул аиногда и для определен-
ной разновидности молекул. Первые доказательства спецефичности
транспортных белков были получены, когда обнаружилось, что мута-
ции в одном гене у бактерий приводят к потере способности транс-
портировать определенные сахара черезплазматическую мембрану. У
человека есть болезнь цистинурия, прикоторой отсутствует способ-
ность транспортировать некоторыеаминокислоты, в частности цис-
тин, из мочи или кишечника в кровь, — врезультате в почках обра-
зуются цистиновые камни.
Все изученные транспортные белки являются трансмембранными
белками, полипептидная цепь которых пересекает липидный бислой
несколько раз. Все они обеспечиваютперенос молекул через мембра-
ну, формируя в ней сквозные проходы. В основном, транспортные
белки делятся на белки-переносчики иканалообразующие белки. Пер-
вые взаимодействуют с молекулойпереносимого вещества и каким-ли-
бо способом перемещают ее сквозьмембрану. Каналообразующие бел-
ки, напротив, формируют в мембраневодные поры, через которые
(когда они открыты) могут проходитьвещества (обычно неорганичес-
кие ионы подходящего размера и заряда).
— 4 -
2.2. Если молекула не заряжена, то направление ее диффузии
определяется разностью концентраций по обеим сторонаммембраны
или градиентом концентрации. В то же время на направление движе-
ния заряженной молекулы будет влиятьеще и разность потенциалов
на сторонах мемраны или мембранныйпотенциал (обычно внутренняя
сторона мембраны заряжена отрицательно относительно наружной).
Учитывая концентрационный и электрическийградиенты Все каналооб-
разующие белки и многие белки-переносчики позволяют растворенным
веществам проходить через мембраны толькопассивно, то есть, в
направлении электрохимического градиента. Такой вид транспорта
называется пассивным (облегченная диффузия), и не требует затрат
энергии.
2.3. Рассмотрим подробнее работубелка переносчика, обеспе-
чивающего пассивный транспорт веществчерез клеточную мембрану.
Процесс, с помощью которого белки-переносчики связывают и транс-
портируют растворенные молекулы, напоминает ферментативную реак-
цию. В белках-переносчиках всех типов имеются участки связывания
для транспортируемой молекулы. Когда белок насыщен, скорость
транспортировки максимальна. Связываниеможет быть блокируемо как
конкурентными ингибиторами, (конкурирующими за тот же участок
связывания), так и не конкурентными ингибиторами,связывающимися
в другом месте и влияющими на структурупереносчика. Молекулярный
механизм работы белков переносчиков покане известен. Предполага-
ется, что они переносят молекулы,претерпевая обратимые конформа-
ционные изменения, которые позволяют их участкам связывания рас-
полагаться попеременно то на одной, то надругой стороне мембраны
(рис. 2.2.). На данной схемепредставлена модель, показывающая,
как конформационные изменения в белкемогли бы обеспечить облег-
ченную диффузию растворенноговещества. Белок переносчик может
состоять в двух конформационных состояниях«пинг» и «понг». Пере-
ход между ними осуществляется случайнымобразом и полностью обра-
тим. Однако, вероятность связываниямолекулы транспортируемого
вещества с белком гораздо выше в состоянии«пинг». Поэтому моле-
кул, перемещенных в клетку, будет гораздобольше чем тех, которые
ее покинут. Происходит транспортвещества по электрохимическому
градиенту.
— 5 -
2.4. Некоторые транспортные белкипросто переносят какое-ли-
бо растворенное вещество с одной сторонымембраны на другую. Та-
кой перенос называется унипортом. Другиебелки являются контранс-
портными системами. В них происходит:
а) перенос одного вещества зависит отодновременного / последо-
вательного / переноса другого вещества в том женаправлении
(симпорт).
б) перенос одного вещества зависит отодновременного / последо-
вательного / переноса другого вещества в противоположном
направлении (антипорт).
Например, большинство животных клеток поглощает глюкозу из
внеклеточной жидкости, где ее концентрациявысока путем пассивно-
го транспорта осуществляемого белком, который работает как уни-
порт. В то же время, клетки кишечника ипочек поглощают ее из лю-
менального пространства кишечника и изпочечных канальцев, где ее
концентрация очень мала, с помощью симпорта глюкозы и ионов Na.
(рис. 2.3.)
Итак, мы рассмотрели осноаные видыпассивного транспорта ма-
лых молекул через биологические мембраны.
2.5. Часто бывает необходимымобеспечить перенос через мемб-
рану молекул против их электрохимическогоградиента. Такой про-
цесс называется активным транспортом иосуществляется белками-пе-
реносчиками, деятельность которых требует затрат энергии. Если
связать белок-переносчик с источникомэнергии, можно получить ме-
ханизм, обеспечивающий активный транспортвеществ через мембрану.
(рис. 2.4.).
Одним из главных источников энергии вклетке является гидро-
лиз АТФ до АДФ и фосфата. На этом явленииоснован важный для жиз-
недеятельности клетки механизм (Na +K)-насос (рис. 2.5). Он слу-
жит прекрасным примером активноготранспорта ионов. Концентрация
K внутри клетки в 10-20 раз выше, чем снаружи. Для Na картина
противоположная. Такую разницу конценраций обеспечивает работа
(Na + K)-насоса, который активноперекачивает Na из клетки, а K в
клетку. Известно, что на работу (Na + K)-насоса тратится почти
треть всей энергии необходимой дляжизнедеятельности клетки. Вы-
шеуказанная разность концентраций поддерживается соследующими
целями:
— 6 -
1) Регулировка объема клеток за счетосмотических эффектов.
2) Вторичный транспорт веществ(будет рассмотрен ниже).
Опытным путем было установлено, что:
1) Транспорт ионов Na и K тесносвязан с гидролизом АТФ и
не может осуществляться без него.
2) Na и АТФ должны находиться внутриклетки, а K снаружи.
3) Вещество уабаин ингибирует АТФазу только находясьвне
клетки, где он конкурирует заучасток связывания с K.
(Na + K)-АТФаза активнотранспортирует Na наружу а K внутрь
клетки. При гидролизе одной молекулы АТФтри иона Na выкачиваются
из клетки а два иона K попадают в нее(рис. 2.6.).
1) Na связывается с белком.
2) Фосфорилирование АТФазыиндуцирует конформационные
изменения в белке, в результате чего ъ
3) Na переносится на внешнюю сторонумембраны и высвобо-
ждается.
4) Связывание K на внешнейповерхности.
5) Дефосфорилирование.
6) Высвобождение K и возврат белка впервоначальное состо-
яние.
По всей вероятности в (Na + K)-насосеесть три участка свя-
зывания Na и два участка связыванияK. (Na + K)-насос можно зас-
тавить работать в противоположном направлении и синтезировать
АТФ. Если увеличить концентрации ионовс соответствующих сторон
от мембраны, они будут проходить через неев соответствии со сво-
ими электрохимическими градиентами, аАТФ будет синтезироваться
из ортофосфата и АДФ с помощью (Na +K)-АТФазы.
2.6. Если бы у клетки не существовалосистем регуляции осмо-
тического давления, то концентрациярастворенных веществ внутри
нее оказалась бы больше их внешнихконцентраций. Тогда концентра-
ция воды в клетке была бы меньшей, чем ее концентрация снаружи.
Вследствие этого, происходил бы постоянныйприток воды в клетку и
ее разрыв. К счастью, животные клетки ибактерии контролируют ос-
мотическое давление в своих клетках спомощью активного выкачива-
ния неорганических ионов таких какNa. Поэтому их общая концент-
рация внутри клетки ниже чем снаружи.
— 7 -
Клетки растений имеют жесткие стенки, которые предохраняют
их от набухания. Многие простейшие избегают разрыва отпоступаю-
щей внутрь клетки воды с помощьюспециальных механизмов, которые
регулярно выбрасывают поступающую воду.
2.7. Другим важным видом активного транспорта является ак-
тивный транспорт с помощью ионныхградиентов (рис. 2.7.). Такой
тип проникновения через мембрану осуществляют некоторые транс-
портные белки, работающие по принципу симпорта или антипорта с
какими-нибудь ионами, электрохимический градиент которых доста-
точно высок. В животных клетках контранспортируемым иономобычно
является Na. Его электрохимическийградиент обеспечивает энергией
активный транспорт других молекул. Для примера рассмотрим работу
насоса, который перекачивает глюкозу.насос случайным образом ос-
циллирует между состояниями «пинг»и «понг». Na связывается с
белком в обоих его состояниях и при этом увеличивает сродство
последнего к глюкозе. Вне клетки присоединение Na, а значит и
глюкозы, происходит чаще чем внутри. Поэтому глюкоза перекачива-
етсяв клетку.
Итак, наряду с пассивным транспортом ионов Na происходит
симпорт глюкозы. Строго говоря, необходимая энергия для работы
этого механизма запасается в ходеработы (Na + K)-насоса в виде
электрохимического потенциала ионовNa. У бактерий и растений
большинство систем активного транспорта такого видаиспользуют в
качестве контранспортируемого иона ионH. К примеру, транспорт
большей части сахаров и аминокислот в бактериальные клетки обус-
ловлен градиентом H.
2.8. Один из самых интересныхспособов активного транспорта
состоит в том, чтобы каким-либо образом удержать внутриклетки
молекулу, вошедшую туда в соответствии сосвоим электрохимическим
потенциалом.
Так, некоторые бактерии фосфорилируютмолекулы отдельных са-
харов, в результате чего они заряжаются ине могут выйти обратно.
Такой вид транспорта называется векторнымпереносом групп.
2.9. Для сквозного транспорта веществчерез клетку существу-
ют особые механизмы. Например, в плазматической мембране клеток
— 8 -
эпителия кишечника белки-переносчики распределены ассиметрично.
(рис. 2.8.). Благодаря этому, обеспечивается транспорт глюкзы
сквозь клетку во внеклеточнуюжидкость откуда она поступает в
кровь. Глюкоза проникает в клетку с помощью симпорта, контранс-
портным ионом в котором является Na, и выходит из нее путем об-
легченной диффузии с помощью другоготранспортного белка.
2.10. Рассмотрим некоторые дополнительные функции транспор-
теров работающих по принципуантипорта. Почти все клетки позво-
ночных имеют в составе своей плазматической мемраны (Na + H) пе-
реносчик-обменник. Этот механизмрегулирует pH внутри клетки. Вы-
вод ионов H из клетки сопряжен странспортировкой в нее ионов Na.
При этом увеличивается значение pH внутриклетки. Такой обменник
имеет особый регуляторный участок, которыйактивизирует его рабо-
ту при уменьшении pH. Наряду с этим, у многих клеток есть меха-
низм, обеспечивающий обратныйэффект. Это (Cl + HCO)-обменник,
который уменьшает значение pH.
2.11. Одним из самых интересных примеровтранспорта веществ
через биологические мембраны являетсявзаимодействие гормонов с
клеткой. Как известно, гормонами называют спецефические химичес-
кие соединения, которые оказывают значительноевлияние на процес-
сы обмена веществ и функционированиеорганов. В отличие от фер-
ментов или витаминов гормоны не изменяютскорость отдельных реак-
ций, а существенно влияют на некиефундаментальные процессы в ор-
ганизме, которые затем сказываются на самыхразличных сторонах
жизнедеятельности организма.
Некоторые виды гормонов проникают в клетку и регулируют в
ней синтез информационных РНК. Другиегормоны, называемые пептид-
ными (инсулин, гормон роста) взаимодействуют со специальными
мембранными белками, которые, в своюочередь, продуцируют в клет-
ке вещества, влияющие на некоторыепроисходящие в ней процессы.
3. ПЕРЕНОС ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУМАКРОМОЛЕКУЛ И ЧАСТИЦ
В заключение рассмотрим основные механизмы транспортировки
через биологические мембраны крупныхчастиц и макромолекул.
— 9 -
Процесс поглощения макромолекулклеткой называется эндоцито-
зом. В общих чертах механизм его протекания таков : локальные
участки плазматической мембранывпячиваются и замыкаются, образуя
эндоцитозный пузырек (рис. 2.9.), затемпоглощенная частица обыч-
но попадает в лизосомы и подвергаетсядеградации.
* * *
Нельзя преувеличить роль транспортавеществ через плазмати-
ческую мембрану в жизнедеятельности клетки. Большинство процес-
сов, связанных с обеспечением клеткиэнергией и избавлением ее от
продуктов распада, основаны навышеописанных механизмах. Кроме
того, специальные функции клеточной мембраны заключаются в полу-
чении клеткой внешних сигналов (примеромэтому могут служить опи-
санные взаимодействия клетки с гормонами).
Л И Т Е Р А Т У Р А
Албертс Б., Брэй Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология
клетки. В 3-х томах. Том 1. М.,Мир, 1994.
Зоммер К. Аккумулятор знаний по химии.М., Мир, 1985.
Химия. Курс для средней школы. Пер. с англ. под ред.
Г.Д.Вовченко. М., Мир, 1971.
Филлиппович Ю.Б. Основы биохимии. М.,Высшая школа, 1985.