17.2: Мембранний транспорт

Перший контроль за проходженням молекул через мембрани - це напівпроникний характер самої мембрани. Молекули переміщаються всередину і з клітин одним з трьох шляхів: пасивною дифузією, полегшеним транспортом і активним транспортом.

Лише кілька невеликих, відносно незаряджених молекул можуть перетнути мембрану без сторонньої допомоги (тобто шляхом пасивної дифузії). Гідрофільні молекули, які повинні потрапляти або залишати клітини, роблять це за допомогою, тобто за допомогою полегшеного транспорту. Пасивний та полегшений транспорт вивільняє вільну енергію, властиву градієнтам концентрації, оскільки молекули дифузно через мембрану. На відміну від цього, активний транспорт споживає енергію для створення градієнтів концентрації конкретних розчинених речовин. Специфіка полегшеного та активного транспорту полягає в інтегральних мембранних білках, які розпізнають і зв'язують специфічні розчинні речовини для транспортування. Як ви можете передбачити, аллостерична регуляція цих білків контролює рух їх молекул-мішеней всередину або з клітин.

Незважаючи на його полярність, багато хто вважав, що дрібні молекули води перетнули мембрани без сторонньої допомоги. Дійсно, це робить в обмеженій мірі. Однак інші підозрювали, що з огляду на його сильно заряджені полярні ковалентні зв'язки відносно невеликого розміру, молекули води потребують допомоги, щоб ефективно перетинати мембрани. Почнемо з більш докладного розгляду пасивної дифузії і полегшеної дифузії, після чого слід осмос (особливий випадок полегшеної дифузії), і, нарешті, на активному транспорті.

A. пасивна дифузія

Пасивна дифузія - це рух молекул з часом випадковим рухом (також званим броунівським рухом) з областей більш високої концентрації в області меншої концентрації. Значна пасивна дифузія через клітинні мембрани обмежена декількома молекулами, переважно газами, такими як O2, CO2 та N2, які можуть вільно перетинати гідрофобний фосфоліпідний бар'єр. Швидка дифузія газів має важливе значення для обміну O2 і CO2 між альвеолярними капілярами і клітинами легенів під час фізіологічного дихання. Обмін O2 і CO2 також відбувається в мітохондріях під час клітинного дихання. Дифузія через мембрани не вимагає енергії. Насправді дифузія вивільняє енергію - згадайте рух протонів через протонний затвор F1 АТФази, який синтезує АТФ під час окисного фосфорилювання мітохондрій.

Швидкість дифузії молекули залежить тільки від її власної концентрації. На нього не впливає концентрація інших молекул. З часом випадковий рух розчинених речовин всередині і поперек відсіків призводить до динамічної рівноваги для кожного різного розчиненого речовини з плином часу. При рівновазі молекули розчинених речовин продовжують дифузно по мембрані, але для кожної молекули, що рухається поперек в одному напрямку, інша молекула того ж розчиненого речовини перетинається в іншому напрямку.

Б. полегшена дифузія розчинених речовин та іонів

Як і пасивна дифузія, полегшена дифузія - це спонтанне (швидкісне) проходження молекул або іонів через мембрани через специфічні трансмембранні білки. Кінетика пасивної та полегшеної дифузії виявляє відмінності між двома процесами. Щоб зрозуміти останнє, нагадаємо, що швидкість ферментного каталізу насичена. Тобто в міру збільшення концентрації субстрату швидкість каталізованої реакції наближається до максимуму (V _max), коли всі молекули ферменту в розчині зв'язуються з молекулами субстрату. Те саме явище насичення стосується полегшеного транспорту — швидкість руху розчинених речовин через мембрану прямо пропорційна кількості транспортних білків у мембрані.

Кінетика пасивної і полегшеної дифузії проілюстрована графіком, показаним нижче

Можливо, ви бачите ще одну схожість між полегшеною дифузією та ферментним каталізом на цьому графіку! Відносні швидкості полегшеної дифузії, як правило, швидкі, порівняно з показниками пасивної дифузії. Це пов'язано з тим, що аллостеричні зміни, які супроводжують полегшений транспорт, швидкі, як і під час ферментного каталізу. Існує три види полегшеного транспортування розчинених речовин (нижче).

Білок GLUT (переносник глюкози), показаний вище (зліва), дозволяє глюкози уніпорт, специфічний транспорт однієї речовини в або з клітин. Клітини нирок мають переносники глюкози, які симпортують (пара) одночасний рух іонів глюкози і натрію; SGLT (S odium- GL ucose T ransporter) виконує аналогічну функцію в клітині тонкої кишки, дозволяючи всмоктування харчової глюкози і натрій. Антипорт (вгорі, праворуч) дозволяє специфічний обмін молекулами через мембрану. У показаному прикладі АТФ залишає мітохондріальний матрикс, перетинаючи кристалічну мембрану одночасно з надходженням АДФ в матрикс.

Будь то уніпорт, симпорт або антипорт, кожен розчинений речовина буде незалежно перетнути мембрану вниз по градієнту концентрації, рухаючись від більш високої концентрації до місця, де вона знаходиться в меншій концентрації. Нагадаємо, що дифузія вздовж градієнта виділяє вільну енергію, яка залежить від відносних концентрацій розчинених речовин.

Білки, що опосередковують полегшену дифузію, бувають двох видів: білки-носії та білки каналів. Білки носіїв дозволяють транспортувати розчинені речовини. Іони з їх високим співвідношенням заряду до маси потребують допомоги, щоб перетнути гідрофобний мембранний бар'єр; це робота білків каналів, які по суті служать іонними порами.

Як і всі протеїни-транспортери, як несучі, так і канальні білки зазнають аллостеричних змін під час транспортування. Вони також, як правило, підлягають аллостеричному регулюванню, а не перебувають у постійному «відкритому» стані. Приклади полегшеної дифузії більш детально розглянуті нижче.

1. Білики-носії

Коли білок носій зв'язує розчинену речовину, яка повинна перетнути мембрану, він зазнає аллостеричних змін (ілюстровано нижче). Під час транспортування протеїн-носій зазнає чергову зміну форми. Коли розчинена речовина досягає іншої сторони мембрани, вона більше не має високої спорідненості до білка носія. Після вивільнення розчиненої речовини остаточна аллостерична зміна відновлює початкову конформацію транспортного білка. Ці послідовні конформаційні зміни проілюстровані на наступній сторінці.

Будь-який даний протеїн-носій є специфічним для одного розчиненого речовини або максимум однієї родини тісно пов'язаних розчинених речовин. Ми щойно побачили білок переносника GLUT1, який дозволяє глюкозу (але не фруктозу або рибозу!) для перетину клітинних мембран. Різні специфічні білки-носії полегшують транспортування амінокислот та інших заряджених розчинених речовин через клітинні мембрани. Знову ж таки, молекули, які вказують на стан клітин (тобто необхідність імпорту або експорту розчиненої речовини), є аллостеричними ефекторами, які регулюють білки-носії. Регуляція транспорту глюкози в клітини інсуліном є ідеальним

приклад. Одним із наслідків інсуліну, що виділяється під час їжі (або просто в очікуванні їжі), є стимуляція переносників глюкози до поглинання глюкози. Нездатність цих транспортерів реагувати на інсулін частково пояснює діабет II типу (початок у дорослих).

Вода потрапляє через мембрани за допомогою осмосу (ми детальніше розглянемо, як осмос впливає на клітини за мить). Ми зазначили, що невелика кількість води може перетнути фосфоліпідний бішар без сторонньої допомоги. Вода також може перетинати мембрану випадково, коли іони протікають через їх канал білків. Але більшість осмосу передбачає полегшену дифузію, опосередковану аквапорінами. Деякі аквапорини транспортують лише воду. Інші еволюціонували для спільного полегшення транспортування глюкози (див. Вище), гліцерину, сечовини, аміаку, вуглекислого газу і навіть іонів (протонів) разом з водою. Як і інші протеїни-носії, аквапорини регулюються аллостерично, щоб дозволити клітинам відповідати своїм конкретним вимогам водного балансу. Настільки фундаментальним було розуміння водного балансу, що відкриття аквапоринів принесло Пітеру Агре Нобелівську премію з хімії в 2003 році. З моменту відкриття Agre (в 1992 році) кілька генетичних захворювань були пов'язані з мутаціями генів аквапорину.

Клітини нирок критично беруть участь у водному балансі хребетних і мають багато аквапоринів у своїх мембранах. При рідкісній формі діабету аномальні аквапорини змушують нирки виділяти незвично великі обсяги води. В іншому прикладі мутації генів аквапорину призводять до розвитку катаракти в обох очах. З моменту їх первинного відкриття аквапорини були описані в бактеріях і рослині. Щоб дізнатися більше, натисніть Аквапоріни.

2. Іонні канали

Аллостерична регуляція білків іонних каналів контролює іонний гомеостаз у крові та позаклітинних рідинях у вузьких межах. Нерідко множинні інтегральні білки сприяють утворенню іонного каналу. При стимулюванні білки каналів перебудовуються, щоб відкрити пори, що дозволяє специфічний транспорт іонів. Деякі іонні канали, як і згадана вище система симпортів glucosesodium ion, мобілізують енергію дифузії одного розчиненого речовини (іона в даному випадку), щоб швидко транспортувати іншу розчинену речовину через той же канал (діючи як іонний канал і білок носія). Нарешті, іонні канали відповідають за збудливість клітин, де Na+, K+ і Ca++ канали співпрацюють в іонних рухах в клітини та з них, що призводять до реакцій нейрональних або м'язових клітин (коротше!)

293 Пасивна і полегшена дифузія

C. Осмос

Осмос, дифузія води через мембрани від нижчих до більш високих концентрацій розчинених речовин, є важливою діяльністю. Він дозволяє клітинам використовувати воду для підтримки клітинної цілісності або пристосовуватися до змін складу розчинених речовин у позаклітинному середовищі. Осмос через клітинні мембрани спирається на полегшене транспортування води аквапорінами. Пасивна дифузія молекул води може бути продемонстрована за допомогою штучної (наприклад, діалізної) мембрани. Вода перетне таку мембрану, якщо концентрації розчинених речовин вище на одній стороні мембрани. Вода перетинає мембрану «намагаючись» вирівняти концентрації розчинених речовин по обидва боки мембрани. По суті, рух води відбувається з боку мембрани, де концентрація молекули вільної води вища (тобто там, де концентрація розчиненої речовини нижча) в ту сторону, де концентрація вільної води нижча (тобто там, де концентрація розчиненої речовини вище).

1. Осмос в рослинних і тваринних клітині

Ми могли б представити цей розділ в контексті концентрації вільної води, але ми зробимо це в більш звичних умовах концентрації розчинених речовин. Осмос впливає на клітини рослин і тварин за тими ж принципами, але з різним впливом. Спочатку розглянемо вплив різних експериментальних концентрацій розчинених речовин на клітини тварин, проілюстрований на наступній сторінці.

Якщо концентрація розчиненої речовини всередині і зовні клітини однакова, немає ніякого руху в клітини або з них. Кажуть, що позаклітинне середовище і цитозол ізотонічні один до одного. Коли вода дифундує в клітини з низьким вмістом розчинених речовин, про середовище, як кажуть, гіпотонічно (менш концентроване, ніж) цитозол. При цьому рух води в клітину знижує концентрацію розчиненої речовини цитозолу. Клітини тварин набухають і лопаються в гіпотонічному розчині. У гіпертонічних розчині (з більш високою концентрацією розчинених речовин, ніж цитозол) клітини тварин зморщуються, коли вода залишає клітину. З цього короткого опису слід зробити висновок, що вода перетинається з гіпотонічної на гіпертонічну сторону мембрани.

Як і у випадку з тваринними клітинами, вплив рослинних клітин гіпотонічних або гіпертонічних розчинів викликає ті ж спрямовані рухи води, але з деякими ключовими відмінностями через їх клітинних стінок. У гіпотонічних розчинами вода потрапляє в рослинні клітини, переміщаючись в цитозол, а потім у водні вакуолі, звані тонопластами. Це призводить до більш високого осмотичного тиску (тиску води) в тонопластах. Розширюється тонопласт створює тургорний тиск, стискаючи цитозол до клітинної стінки. Замість того, щоб лопнути, клітини і тканини рослин жорсткіше і стають тургідними. Оскільки вода не може потрапляти в рослинні клітини нескінченно довго, вода перестає надходити в клітини, коли осмотичний тиск поза клітинами і тиск тургору всередині клітин знаходяться в рівновазі. Ви зіткнулися з цим явищем, якщо коли-небудь переполивали кімнатні рослини. Застиглі листя і стебла стають крихкими і легко ломаються або ламаються. У гіпертонічному середовищі рослинні клітини (як і клітини тварин) втрачають воду, в результаті чого відбувається плазмоліз. Це ефект усадки плазматичної мембрани. Однак плазматична мембрана залишається щільно прикріпленою до клітинної стінки рослини в декількох точках. Можливо, ви бачили недостатньо политі рослини з гнучкими або звисаючими стеблами та листям. Вони стали млявими через втрату води і, отже, втрати тургору тиску, необхідного для утримання листя і стебел у вертикальному положенні. Вплив різних розчинів на рослинні клітини проілюстровано нижче

Формально осмотичний або тургорний тиск визначається як сила на одиницю площі (тобто тиск), необхідна для запобігання проходженню води через напівпроникну мембрану від гіпотонічного до гіпертонічного розчину

2. Осмос в житті рослин

У той час як окремі рослинні клітини реагують на зміни концентрації розчинених речовин, ці зміни швидко повідомляються сусіднім клітинам через плазмодесмати. Ці структури з'єднують плазматичні мембрани сусідніх клітин через їх клітинні стінки, дозволяючи швидкий, прямий обмін фізичною та хімічною інформацією.

Плазмодезма проілюстрована нижче.

Таким чином вплив на осмотичний тиск у кількох клітинок, створених змінами доступності води, передається сусіднім клітинам, впливаючи на тургорний тиск у цих клітиках і, зрештою, в тканині рослин.

Нарешті, життя рослин залежить від води! Нагадаємо, що рослинним клітинам потрібна постійна подача води для використання в фотосинтезі, для забезпечення воднем для зниження CO2 до глюкози. Фотосинтез, а також втрата надлишку води з тканин рослин (особливо листя) шляхом транспірації знижує осмотичний тиск клітин. Коли вода рухається вгору від коренів, щоб замінити воду, що використовується і втрачається клітинами листя, осмотичний тиск падає в тонких кореневих волосяних клітинам (з їх високою площею поверхні). Це втягує воду в клітини і коріння шляхом осмосу. Таким чином, осмотичний тиск є основною силою, що рухає воду в рослини і, кидаючи виклик гравітації, переміщаючи її вгору від коренів до решти рослині

3. Осмос в житті тварин

Зміни осмотичного середовища можуть стресувати або вбити організм. Наприклад, прісноводні організми (найпростіші або риби), поміщені в морську воду, загинуть. Так само морську рибу поміщають у прісну воду. Але організми можуть осморегулювати (контролювати осмотичний тиск у своїх клітиках), принаймні до певної точки. Наприклад, парамецій виганяє прісну воду, щоб запобігти розриву, коли вона приймає воду. Це досягається за допомогою скорочувальної вакуолі (показано нижче).

Вода постійно потрапляє в ці прісноводні протести, оскільки концентрація розчиненої речовини в цитозолі завжди вища, ніж прісноводна вода, в якій вони живуть. Щоб впоратися з постійним поглинанням води, їх скоротливі вакуолі збирають зайву воду, а потім стискаються, щоб вигнати воду. При високій вартості енергії Парамеція постійно викачує воду з клітини для підтримки водного балансу (тобто правильного осмотичного тиску). Інша стратегія протистів для подолання зміни концентрацій розчинених речовин в навколишньому середовищі (солоність) полягає в тому, щоб перекачувати солі (або відповідні замінники розчинених солей в клітину або з неї, якщо це необхідно (Для деяких деталей див Гени осморегуляції протеста, придбані еукаріотами від бактерій горизонтальним перенесенням генів).

Більші організми, такі як прісноводні риби, справляються зі своїм гіпотонічним середовищем, багато сечовипускання! На іншому кінці спектра морські риби справляються з високою концентрацією розчинених речовин (солей) в їх середовищі шляхом виведення надлишку солі. Лосось проводить час у морській воді, зростаючи до зрілості, а пізніше плавають вгору за течією в прісній воді, щоб нереститися. Ви можете собі уявити, як лосось та подібні організми повинні осморегулювати, щоб адаптуватися до їх мінливих, дуже різних середовищ. В цьому випадку осморегуляція починається тоді, коли гормональні зміни реагують на зміни живих обставин і диктують компенсаторну відповідь.

4. Підведення підсумків

Осмос - це рух води через мембрани туди, де розчинені речовини знаходяться у високій концентрації. У той же час розчинені речовини, які можуть дифузувати через мембрани, рухаються всередину або з клітин туди, де вони знаходяться в меншій концентрації, або пасивно, або шляхом полегшеної дифузії. Ми розробили різні полегшені транспортні білки, специфічні для різних білків. Нарешті, більшість води перетинає мембрани шляхом полегшеної дифузії через протеїни аквапорину, які служать порами в клітинних мембранах.

294 Осмос

D. активний транспорт

Збудливість (адаптація) - ще одне з визначальних властивостей життя. Це властивість всіх клітин засноване на хімічній і електричній реакційній здатності. Нейромедіатори, випущені при синапсі, перетинають синаптичну щілину від «посилаючого» нейрона до відповідної клітини (інший нейрон або м'язова клітина). Нейромедіатор зв'язується з рецепторами на відповідній клітині, що призводить до деполяризації мембрани, швидкої зміни різниці електричних потенціалів по клітинній мембрані. Хоча реакції на нейромедіатори відбуваються за частки секунди, всі клітини реагують, хоча і не завжди так швидко, як нейрони або м'язові клітини. Зміни мембранної полярності будь-якої клітини залежать від нерівних концентрацій іонів всередині і зовні клітин. Клітини в спокої зазвичай мають вищий [K ⁺] в цитозолі і вище [Cl ^-] і [Na ⁺] поза клітиною (нижче).

Ці іонні відмінності між мембранами дозволяють таким клітинам, як нейрони та м'язи, реагувати на хімічні та інші (наприклад, електричні) сигнали. Таким чином, клітини мають потенціал спокою, показаний тут зі знаками «плюс» і «мінус» з протилежних сторін мембрани. Виміряний потенціал спокою (різниця заряду або різниця потенціалів) більшості клітин, як правило, становить від -50mv до -70mv. Порушення потенціалу спокою (тобто деполяризація мембрани), виникає в результаті потоку іонів через мембрани. Потенціали спокою, що підтримуються градієнтами іонів, дозволяють фізіологічну реакцію на хімічні чи інші сигнали.

Потенціали спокою змінюються при порушенні клітин, а також при нормальному, але нефункціональному витоку іонів. Будь то випадковий чи навмисний, правильний іонний баланс повинен бути відновлений і підтримуватися. Це досягається активним транспортом іонів по мембрані. Цей енергетично несприятливий процес вимагає введення вільної енергії, як правило, від гідролізу АТФ. Насос Na ^{+/K +} - активний транспортний білковий комплекс, пов'язаний з активністю АТФази. Далі розглянемо іонний потік при збудженні клітин і як працюють іонні насоси.

Давайте почнемо з розгляду аллостеричних змін, які відбуваються, коли насос Na+/K+ працює для відновлення та підтримки іонних градієнтів (показано на наступній сторінці). В процесі роботи атофазная область насоса Na+/K+ гідролізує АТФ, залишаючи прикріплений до насоса фосфат і викликаючи перше з декількох аллостеричних змін білків насоса (№ 1, вище). У своїй новій конформації насос зв'язує три іони Na+, викликаючи другу конформаційну зміну, яка, в свою чергу, вивільняє іони Na+ у позаклітинну рідину (№ 2). Вивільнення іонів Na+ поза клітиною викликає третю аллостеричну зміну (№ 3), після чого два іони К+ з позаклітинної рідини здатні зв'язуватися з протеїном насоса. К+ зв'язування викликає гідроліз фосфату з білка насоса, повертаючи протеїни насоса до їх початкової конформації (№ 4) і вивільняючи два іони К+ в цитозол. Насос Na+/K + знову готовий до дії!

295 Витік калію допомагає підтримувати потенціал спокою клітин

296 Активний транспорт натрієвим/калієвим насосом

За відкриття натрієво-калієвого насоса, що працює на ATPASE, та його дослідження того, як він працює для підтримки внутрішньоклітинного іонного балансу, Йенс Скоу отримав частку Нобелівської премії з хімії 1997 року. Детальніше про Йенса Скоу ви можете прочитати на https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1997/skou/auto-biography/