3.23: Дифузійні, активні транспортні та мембранні канали

Last updated
Save as PDF

Page ID: 5137

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Транспорт через клітинні мембрани

Всі клітини набувають необхідні їм молекули та іони з навколишньої позаклітинної рідини (ЕКФ). Відбувається безперервний рух молекул і іонів всередину і з клітини через її плазматичну мембрану (Приклади: глюкоза,\(Na^+\),\(Ca^{2+}\)). У еукаріотичних клітині також є транспорт у внутрішньоклітинних відділеннях, обмежених мембраною, таких як ядро, ендоплазматичний ретикулум та мітохондрії (приклади: білки, мРНК та АТФ).\(Ca^{2+}\)

Під час транспортування можуть виникнути такі проблеми:

1. Відносні концентрації

Молекули та іони спонтанно рухаються вниз по градієнту концентрації (тобто від області вищої до області меншої концентрації) шляхом дифузії. Молекули і іони можуть переміщатися проти їх градієнта концентрації, але цей процес, званий активним транспортом, вимагає витрат енергії (зазвичай від АТФ).

2. Ліпідні бішари непроникні для більшості необхідних молекул і іонів.

Ліпідний бішар проникний для молекул води та кількох інших невеликих, незаряджених молекул, таких як кисень (O ₂) та вуглекислий газ (CO ₂). Вони вільно розсіюються в і виходять з клітини. Дифузія води через плазматичну мембрану має таке значення для клітини, що їй дається особлива назва - осмос. Ліпідні бішари не проникні для іонів, таких як K ⁺, Na ⁺, Ca ²⁺ (називаються катіонами), оскільки під впливом електричного поля вони мігрують до катода [негативно зарядженого електрод]) і Cl ^-, HCO ₃ ^- (називаються аніонами, оскільки вони мігрують до анода [позитивно зарядженого електрода]). Вони також не проникні для невеликих гідрофільних молекул, таких як глюкоза та макромолекули, такі як білки та РНК. Клітини вирішують проблему транспортування іонів і малих молекул через свої мембрани за допомогою наступних двох механізмів:

Спрощена дифузія: трансмембранні білки створюють наповнену водою пору, через яку іони та деякі невеликі гідрофільні молекули можуть проходити шляхом дифузії. Канали можуть бути відкриті (або закриті) відповідно до потреб клітини.
Активний транспорт: трансмембранні білки, звані транспортерами, використовують енергію АТФ, щоб змусити іони або малі молекули через мембрану проти їх градієнта концентрації.

Полегшена дифузія іонів

Полегшена дифузія іонів відбувається через білки, або збірки білків, вбудовані в плазматичну мембрану. Ці трансмембранні білки утворюють заповнений водою канал, через який іон може проходити вниз свій градієнт концентрації. Трансмембранні канали, які дозволяють полегшену дифузію, можуть бути відкриті або закриті. Кажуть, що вони «закриті»; деякі типи закритих іонних каналів:

ліганд-закритий
механічно-закритий
напруга закритий
світлий закритий

Ліганд-іонні канали

Багато іонні канали відкриваються або закриваються у відповідь на зв'язування невеликої сигнальної молекули або «ліганда». Деякі іонні канали закриті позаклітинними лігандами; деякі внутрішньоклітинними лігандами. В обох випадках ліганд не є тією речовиною, яка транспортується при відкритті каналу.

зовнішні ліганди

Зовнішні ліганди (показані тут зеленим кольором) зв'язуються з ділянкою на позаклітинній стороні каналу.

Приклади:

Ацетилхолін (АЧ). Зв'язування нейромедіатора ацетилхоліну при певних синапсах відкриває канали, які допускають Na ⁺ і ініціюють нервовий імпульс або скорочення м'язів.
Гамма-аміномасляна кислота (ГАМК). Зв'язування ГАМК при певних синапсах - позначаються ГАМК _А - в центральній нервовій системі допускає іони Cl ^- в клітину і гальмує створення нервового імпульсу

Внутрішні ліганди

Внутрішні ліганди зв'язуються з ділянкою на каналі білка, що піддається впливу цитозолю. Приклади:

«Другі месенджери», як циклічні AMP (cAMP) і циклічні GMP (cGMP), регулюють канали, що беруть участь в ініціації імпульсів в нейрони, що реагують на запахи і світло відповідно.
АТФ потрібен для відкриття каналу, який дозволяє хлориду (Cl ^-) і бікарбонатних (HCO ₃ ^-) іонів вийти з клітини. Цей канал є дефектним у пацієнтів з муковісцидозом. Хоча енергія, що виділяється гідролізом АТФ, потрібна для відкриття каналу, це не є прикладом активного транспорту; іони дифундують через відкритий канал після їх градієнта концентрації.

Механічно закриті іонні канали

Звукові хвилі згинають вієподібні проекції на волосяні клітини внутрішнього вуха відкривають іонні канали, що призводять до створення нервових імпульсів, які мозок інтерпретує як звук. Механічна деформація клітин розтягувальних рецепторів відкриває іонні канали, що призводять до створення нервових імпульсів.

Іонні канали з напругою

У так званих «збудливих» клітиках, таких як нейрони і м'язові клітини, деякі канали відкриваються або закриваються у відповідь на зміни заряду (вимірюється в вольтах) по всій плазматичній мембрані. Наприклад, коли імпульс проходить вниз нейрон, зниження напруги відкриває натрієві канали в сусідній ділянці мембрани. Це дозволяє приплив\(Na^+\) всередину нейрона і, таким чином, продовження нервового імпульсу. Близько 7000 іонів натрію проходять через кожен канал протягом короткого періоду (близько 1 мілісекунди), коли він залишається відкритим. Про це дізналися за допомогою техніки патч-затиску.

Техніка патч-затиску

Властивості іонних каналів можуть бути вивчені за допомогою техніки патч-затиску. Дуже тонка піпетка (з отвором близько 0,5 мкм) притискається до плазматичної мембрани або інтактної клітини, або плазматичну мембрану можна відтягнути від клітини і препарат помістити в тестовий розчин потрібного складу. Потім можна виміряти потік струму через один іонний канал.

Такі вимірювання показують, що кожен канал або повністю відкритий, або повністю закритий; тобто полегшена дифузія через один канал є «все-або-ні». Ця методика надала стільки цінної інформації про іонних каналах, що її винахідники, Ервін Нехер і Берт Сакманн, були удостоєні Нобелівської премії в 1991 році.

Полегшена дифузія молекул

Деякі невеликі гідрофільні органічні молекули, такі як цукру, можуть проходити через клітинні мембрани шляхом полегшеної дифузії. Знову ж таки, процес вимагає трансмембранних білків. У деяких випадках вони - як іонні канали - утворюють наповнені водою пори, які дозволяють молекулі проходити (або виходити) з мембрани після її градієнта концентрації.

Приклад:

Мальтопорін. Цей гомотример у зовнішній мембрані кишкової палички утворює пори, які дозволяють дисахариду мальтозі і декільком спорідненим молекулам дифузно в клітину.

Приклад: Плазмова мембрана еритроцитів людини містить трансмембранні білки, які дозволяють дифузію глюкози з крові в клітину.

Зверніть увагу, що у всіх випадках полегшеної дифузії через канали канали є селективними; тобто структура білка допускає лише певні типи молекул через. Чи всі випадки полегшеної дифузії малих молекул використовують канали, ще не доведено. Можливо, деякі молекули пропускаються через мембрану шляхом конформаційної зміни форми трансмембранного білка, коли він зв'язує молекулу, що транспортується.

У будь-якому випадку взаємодія між молекулою, що транспортується, і її транспортером багато в чому нагадує взаємодію між ферментом і його субстратом.

Активний транспорт

Активний транспорт - це прокачування молекул або іонів через мембрану проти їх градієнта концентрації. Для нього потрібен трансмембранний білок (зазвичай комплекс з них), званий транспортером і енергією. Джерелом цієї енергії є АТФ.

Енергія АТФ може використовуватися прямо або побічно.

Прямий активний транспорт. Деякі транспортери зв'язують АТФ безпосередньо і використовують енергію його гідролізу для приводу активного транспорту.
Непрямий активний транспорт. Інші транспортери використовують енергію, вже накопичену в градієнті безпосередньо перекачуваного іона. Прямий активний транспорт іона встановлює градієнт концентрації. Коли це полегшується шляхом полегшеної дифузії, енергія, що виділяється, може бути використана для накачування якогось іншого іона або молекули.

Прямий активний транспорт

Na ^+/K ⁺ Тафаза

Цитозол клітин тварин містить концентрацію іонів калію (К ⁺) в цілих 20 разів вище, ніж у позаклітинній рідині. І навпаки, позаклітинна рідина містить концентрацію іонів натрію (Na ⁺) в цілих 10 разів більше, ніж в клітині. Ці градієнти концентрації встановлюються активним транспортом обох іонів. І, по суті, той самий транспортер, званий Na ^+/K ⁺ ATPase, виконує обидві роботи. Він використовує енергію від гідролізу АТФ до

активно транспортують 3 іони Na ⁺ з клітини
за кожні 2 К ⁺ іонів, закачаних в осередок.

При цьому виконуються кілька життєво важливих функцій:

Це допомагає встановити чистий заряд через плазматичну мембрану, причому внутрішня частина клітини негативно заряджається по відношенню до зовнішньої. Цей потенціал спокою готує нервові та м'язові клітини для поширення потенціалів дії, що призводять до нервових імпульсів та скорочення м'язів.
Накопичення іонів натрію поза клітиною витягує воду з клітини і, таким чином, дозволяє їй підтримувати осмотичний баланс (інакше вона розбухне і лопне від внутрішньої дифузії води).
Градієнт іонів натрію використовується для забезпечення енергії для запуску декількох типів непрямих насосів.

^{Вирішальні ролі АТФази Na +/K ⁺ відображаються в тому, що майже третина всієї енергії, що виробляється мітохондріями в клітині тварин, використовується саме для запуску цього насоса.}

H ⁺ /K ⁺ АТФаза

Парієтальні клітини вашого шлунка використовують цей насос для виділення шлункового соку. Ці клітини транспортують протони (Н ⁺) з концентрації близько 4 х 10 ^-8 М всередині клітини до концентрації близько 0,15 М в шлунковому соку (даючи йому рН, близький до 1). Не дивно, що тім'яні клітини напхані мітохондріями і використовують величезну кількість АТФ, оскільки вони здійснюють цю тримільйонну концентрацію протонів.

The Ca ⁺² Тапази

Ca ²⁺ АТФаза знаходиться в плазматичній мембрані всіх еукаріотичних клітин. Він використовує енергію, яку надає одна молекула АТФ, для викачування одного іона Ca ²⁺ з клітини. Активність цих насосів допомагає підтримувати ~ 20,000-кратний градієнт концентрації Ca ²⁺ між цитозолем (~ 100 нМ) та ECF (~ 20 мМ). У скелетних м'язах, що відпочивають, в саркоплазматичному ретикулумі спостерігається набагато більша концентрація іонів кальцію (Ca ²⁺), ніж у цитозолі. Активація м'язового волокна дозволяє деякій частині цього Ca ²⁺ пройти шляхом полегшеної дифузії в цитозол, де він запускає скорочення.

Після скорочення цей Са ²⁺ закачується назад в саркоплазматичний ретикулум. Це робиться іншою Ca ²⁺ АТФазою, яка використовує енергію кожної молекули АТФ для перекачування 2 іонів Ca ²⁺.

Насоси 1. - 3. позначаються транспортерами іонів P-типу, оскільки вони використовують один і той же основний механізм: конформаційна зміна білків, оскільки вони оборотно фосфорилюються АТФ. І всі три насоси можна змусити працювати назад. Тобто, якщо перекачаним іонам дати можливість дифузії назад через мембранний комплекс, АТФ може синтезуватися з АДФ і неорганічного фосфату.

ABC Транспортери

Транспортери ABC («A TP-B inding C assette») - це трансмембранні білки, які

виставляти ліганд-зв'язування домену на одній поверхні та
ATP-прив'язка домену на іншій поверхні.

Ліганд-зв'язуючий домен зазвичай обмежений одним типом молекул.

АТФ, пов'язаний зі своїм доменом, забезпечує енергію для перекачування ліганда через мембрану.

Геном людини містить 48 генів для транспортерів ABC. Деякі приклади:

CFTR — регулятор трансмембранної провідності муковісцидозу
TAP, транспортер, пов'язаний з обробкою антигену
Транспортер, який клітини печінки використовують для викачування солей жовчних кислот в жовч.
Транспортери ABC, які викачують хіміотерапевтичні препарати з ракових клітин, тим самим знижуючи їх ефективність.

Транспортери ABC, мабуть, розвивалися на початку історії життя. АТФ-зв'язуючі домени в археї, еубактерії та еукаріоти мають гомологічну структуру, АТФ-зв'язуючу «касету».

Непрямий активний транспорт

Непрямий активний транспорт використовує швидкісний потік іона для перекачування якоїсь іншої молекули або іона проти його градієнта. Рушним іоном зазвичай є натрій (Na ⁺) з його градієнтом, встановленим Na ^+/K ⁺ ATFase.

Симпорт Насоси

При цьому типі непрямого активного транспорту рушійний іон (Na ⁺) і перекачується молекула проходять через мембранний насос в одному напрямку. Приклади:

Транспортер глюкози Na ^+/. Цей трансмембранний білок дозволяє іонам натрію і глюкозі потрапляти в клітину разом. Іони натрію стікають вниз по градієнту концентрації, тоді як молекули глюкози накачуються їх. Пізніше натрій відкачується назад з клітини за допомогою Na ^+/K ⁺ АТФази. Транспортер глюкози Na ^{+/використовується} для активного транспортування глюкози з кишечника, а також з ниркових канальців і назад в кров.
Всі амінокислоти можуть активно транспортуватися, наприклад, з ниркових канальців і в кров, за допомогою натрієвих симпортних насосів.
Симпортні насоси, керовані натрієм, також повертають нейромедіатори до пресинаптичного нейрона.
Транспортер Na ^{+/йодиду}. Цей симпорттер перекачує іони йодиду в клітини щитовидної залози (для виготовлення тироксину), а також в клітини молочної залози (для забезпечення потреби малюка в йодиді).
Пермеаза, закодована лак-опероном кишкової палички, яка транспортує лактозу в клітину.

Антипортові насоси

У антипортових насосах рушійний іон (знову ж таки, зазвичай натрій) дифундує через насос в одному напрямку, забезпечуючи енергію для активного транспорту якоїсь іншої молекули або іона в зворотному напрямку. Приклад:

Іони Ca ²⁺ викачуються з клітин за допомогою натрієвих антипортових насосів. Антипортові насоси у вакуолі деяких рослин запрягають назовні полегшену дифузію протонів (самі закачуються у вакуоль за допомогою Н ⁺ АТФази) до активного транспорту іонів натрію всередину. Цей натрій/протонний антипортовий насос дозволяє рослині секвеструвати іони натрію у своїй вакуолі. Трансгенні рослини томатів, які надмірно експресують цей натрій/протонний антипортовий насос, здатні процвітати в засолених ґрунтах, занадто солоних для звичайних помідорів. Антипортові насоси для активного транспорту іонів нітратів всередину (NO ₃ ⁻)

Деякі успадковані іонно-канальні захворювання

Виявлено, що зростаюча кількість захворювань людини спричинені успадкованими мутаціями в каналах кодування генів.

Приклади:

Хлоридно-канальні захворювання
- муковісцидоз
- спадкова схильність до каменів у нирках (викликана іншим видом хлоридного каналу, ніж той, який бере участь у муковісцидозі)
Хвороби калієвих каналів
- більшість випадків синдрому довгого QT, спадкового розладу серцебиття
- рідкісна, успадкована схильність до епілептичних припадків у новонародженого
- кілька видів спадкової глухоти
Захворювання натрієвих каналів
- спадкова схильність до деяких видів м'язових спазмів
- Синдром Ліддла. Недостатній транспорт натрію з нирок, через мутантного натрієвого каналу, призводить до підвищеного осмотичного тиску крові і внаслідок цього гіпертонії (підвищеного артеріального тиску)

Осмос

Осмос - це особливий термін, який використовується для дифузії води через клітинні мембрани. Хоча вода є полярною молекулою, вона здатна проходити крізь ліпідний бішар плазматичної мембрани. Аквапорини — трансмембранні білки, які утворюють гідрофільні канали — значно прискорюють процес, але навіть без них вода все ще здатна пробратися. Вода проходить шляхом дифузії з області вищої концентрації в область меншої концентрації. Зверніть увагу, що це стосується концентрації води, А НЕ концентрації будь-яких розчинених речовин, присутніх у воді. Вода ніколи не транспортується активно; тобто вона ніколи не рухається проти градієнта концентрації. Однак концентрація води може бути змінена активним транспортом розчинених речовин, і таким чином можна контролювати рух води всередину і з клітини. Приклад: реабсорбція води з ниркових канальців назад в кров залежить від води, що слідує за активним транспортом\(Na^+\).

Гіпотонічні розчини: Якщо концентрація води в середовищі, що оточує клітину, більша, ніж у цитозолі, середовище вважається гіпотонічним. Вода надходить в клітку по осмосу. Еритроцити, поміщені в гіпотонічний розчин (наприклад, чиста вода) негайно лопаються («гемоліз») від припливу води. Рослинні клітини та бактеріальні клітини уникають розриву в гіпотонічному оточенні своїми міцними клітинними стінками. Вони дозволяють накопичувати тургор всередині клітини. Коли тургор дорівнює осмотичному тиску, осмос припиняється.
Ізотонічні розчини: Коли еритроцити поміщаються в 0,9% розчин солі, вони не набирають і не втрачають воду шляхом осмосу. Такий розчин, як кажуть, ізотонічний. Позаклітинна рідина (ЕКФ) клітин ссавців ізотонічна до їх цитоплазми. Цей баланс необхідно активно підтримувати через велику кількість органічних молекул, розчинених у цитозолі, але не присутніх в ЕКФ. Ці органічні молекули надають осмотичний ефект, який, якщо їх не компенсувати, призведе до того, що клітина прийме стільки води, що вона розбухне і може навіть лопнути. Такої долі вдається уникнути, викачуючи іони натрію з клітини за допомогою Na ⁺ /K ⁺ АТФази.
Гіпертонічні розчини: Якщо еритроцити поміщаються в морську воду (близько 3% солі), вони втрачають воду під час осмосу і клітини зморщуються. Морська вода гіпертонічна до їх цитозолу. Аналогічно, якщо рослинну тканину поміщають у морську воду, вміст клітин стискається від жорсткої клітинної стінки. Це називається плазмолізом. Морська вода також гіпертонічна до ЕКФ більшості морських хребетних. Щоб уникнути смертельного зневоднення, ці тварини (наприклад, кісткові риби, такі як тріска) повинні постійно пити морську воду, а потім знесолити її, викачуючи іони зі своїх зябер активним транспортом.

Морські птахи, які можуть проходити тривалий проміжок часу далеко від прісної води, і морські черепахи використовують подібний пристрій. Вони теж п'ють солону воду, щоб піклуватися про свої потреби у воді і використовувати метаболічну енергію для знесолення її. У оселедцевої чайки, показаної тут, сіль витягується двома залозами в голові і виділяється (в дуже концентрованому розчині — вона солоніша за кров) назовні через ніздрі. Морські змії використовують подібний механізм знесолення.