ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАННЫ

СХИБ-95 Д О К Л А Д тема: " ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ БИОЛОГИЧЕСКИЕ 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 через мембрану. 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 СТРОЕНИИ КЛЕТОЧНОЙ МЕМБРАНЫ Плазматическая мембранна окружает каждую клетку, определяет ее размер и обеспечивает сохранение различий между содержимым клетки и внешней средой. Мембрана служит высокоизбирательным фильтром и отвечает за активный транспорт веществ, то есть, пос- тупление в клетку питательных веществ и вывод наружу вредных про- дуктов жизнедеятельности. Наконец, мембрана ответственна за восп- риятие внешних сигналов, позволяет клетке реагировать на внешние изменения. Все биологические мембраны представляют собой ансамбли липидных и белковых молекул, удерживаемых вместе с помощью неко- валентных взаимодействий. 1.1. Основу любой молекулярной мембраны 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 структуры реализуются самопроиз- вольно. Важнейшие свойства бислоя: - способность к самосборке - текучесть - ассиметричность. 1.2. Хотя основные свойства биологических мембран определя- ются свойствами липидного бислоя, но большинство спецефических функций обеспечивается мембранными белками. Белки выступают в ка- честве рецепторов и ферментов. С их помощью осуществляется транс- порт через мембрану многих веществ. Большинство из них пронизыва- ют бислой в виде одиночной альфа-спирали, но есть и такие, кото- рые пересекают его несколько раз (рис. 1.2.). Некоторые белки связываются с мембраной, не пересекая бислой, а прикрепляясь к той или иной ее стороне. Их называют периферическими мембранными

- 2 - белками. Многие из перефирерических белков связаны нековалентными взаимодействиями с трансмембранными белками, но есть и такие, ко- торые имеют ковалентную связь с молекулами липидов. Большинство мембранных белков, так же как и липидов, способ- ны свободно перемещаться в плоскости мембраны. Вообще говоря, возможен переход молекул белков и липидов с 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 молекула диффундирует в плоскости липидного слоя за 1 секунду на расстояние равное длине большой бактериаль- ной клетки. 1.3. На поверхности всех клеток имеются углеводы. Это поли- сахаридные и олигосахаридные цепи, ковалентно присоединенные к мембранным белкам и липидам. Углеводы всегда распологаются на той стороне мембраны, которая не контактирует с цитозолем. То есть, на внешних (плазматических) мембранах они присоединяются снаружи клетки. Функция углеводов клеточной поверхности пока неизвестна, но представляется вероятным, что некоторые из них принимают участие в процессах межклеточного узнавания. 2. ПЕРЕНОС МАЛЫХ МОЛЕКУЛ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ Так как внутренняя часть липидного слоя гидрофобна, он представляет собой практически непроницаемый барьер для большинс- тва полярных молекул. Вследствие наличия этого барьера, предотв- ращается утечка содержимого клеток, однако из-за этого клетка бы- ла вынуждена создать специальные механизмы для 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 искусственными липидными бислоями было ус- тановлено, что чем меньше молекула и чем меньше она образует во- дородных связей, тем быстрее она дифундирует через мембрану (рис. 2.1.). Итак, чем меньше молекула и чем более она жирорастворима (гидрофобна или неполярна), тем быстрее она будет проникать через мембрану. Малые неполярные молекулы легко растворимы 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 электрически нейтральна. Итак, мембраны могут пропускать воду и неполярные молекулы за счет простой диффузии. Но клетке необходимо обеспечить транспортировку таких ве- ществ как сахара, аминокислоты, нуклеотиды, а также многих других полярных молекул. Как уже говорилось, за перенос подобных веществ ответственны специальные мембранные транспортные белки. Каждый из них предназ- начен для определенного класса молекул а иногда 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 через плазматическую мембрану. У человека есть болезнь цистинурия, при которой отсутствует способ- ность транспортировать некоторые аминокислоты, в частности цис- тин, из мочи или кишечника в кровь, - в результате в почках обра- зуются цистиновые камни. Все изученные транспортные белки являются трансмембранными белками, полипептидная цепь которых пересекает липидный бислой несколько раз. Все они обеспечивают перенос молекул через мембра- ну, формируя в ней сквозные проходы. В основном, транспортные белки делятся на белки-переносчики и каналообразующие белки. Пер- вые взаимодействуют с молекулой переносимого вещества и каким-ли- бо способом перемещают ее сквозь мембрану. Каналообразующие бел- ки, напротив, формируют в мембране водные поры, через которые (когда они открыты) могут проходить вещества (обычно неорганичес- кие ионы подходящего размера и заряда).

- 4 - 2.2. Если молекула не заряжена, то направление ее диффузии определяется разностью концентраций по обеим сторонам мембраны или градиентом концентрации. В то же время на направление движе- ния заряженной молекулы будет влиять еще и разность потенциалов на сторонах мемраны или мембранный потенциал (обычно внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно относительно наружной). Учитывая концентрационный и электрический градиенты Все каналооб- разующие белки и многие белки-переносчики позволяют растворенным веществам проходить через мембраны только пассивно, то есть, в направлении электрохимического градиента. Такой вид транспорта называется пассивным (облегченная диффузия), и не требует затрат энергии. 2.3. Рассмотрим подробнее работу белка переносчика, обеспе- чивающего пассивный транспорт веществ через 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. Связывание может быть блокируемо как конкурентными ингибиторами, (конкурирующими за тот же участок связывания), так и не конкурентными ингибиторами, связывающимися в другом месте и влияющими на структуру переносчика. Молекулярный механизм работы белков переносчиков пока не известен. Предполага- ется, что они переносят молекулы, претерпевая обратимые конформа- ционные изменения, которые позволяют их участкам связывания рас- полагаться попеременно то на одной, то на другой стороне мембраны (рис. 2.2.). На данной схеме представлена модель, показывающая, как конформационные изменения в белке могли бы обеспечить облег- ченную диффузию растворенного вещества. Белок переносчик может состоять в двух конформационных состояниях "пинг" и "понг". Пере- ход между ними осуществляется случайным образом и полностью обра- тим. Однако, вероятность связывания молекулы транспортируемого вещества с белком гораздо выше в состоянии "пинг". Поэтому моле- кул, перемещенных в клетку, будет гораздо больше чем тех, которые ее покинут. Происходит транспорт вещества по электрохимическому градиенту.