Часть 3 (1129751), страница 56
Текст из файла (страница 56)
Внутренняя организация клеткиРис. 11.1. Относительная проницаемость искусственного липидного бислоя для различных классов молекул. Чем меньше молекула и, что важнее,чем слабее она связывается с водой, тем быстрееона диффундирует через липидный бислой.(ионов), вне зависимости от их размера:заряд и высокий уровень гидратации таких молекул не позволяет им проникнутьв углеводородную фазу бислоя. Такимобразом, синтетические липидные бислоив 109 раз более проницаемы для воды, чемдля таких маленьких ионов, как Na+ илиK+ (рис. 11.2).11.1.2. Существует два основныхкласса мембранных транспортных белков: транспортеры и каналыКак и искусственные, клеточныемембраны проницаемы для диффузииводы и неполярных молекул. Однако онитакже должны пропускать различные полярные молекулы, такие как ионы, сахара, аминокислоты, нуклеотиды и разнообразные клеточные метаболиты,которые пересекают искусственные липидные бислоиочень медленно.
Специальные мембранные транспортныебелки переносят такие растворенные вещества через клеточные мембраны. Эти белки обладают разной формойи встречаются во всех типах биологических мембран.Каждый белок транспортирует специфический классмолекул (например, ионов, сахаров или аминокислот)или зачастую только определенный вид молекул данногокласса. Проведенные в 50-х гг. XX века исследованияпозволили обнаружить бактерии с мутацией одного гена,не способные транспортировать через плазматическуюмембрану сахара. Так показана специфичность мембран-Рис. 11.2.
Коэффициенты проницаемости для прохождения различныхмолекул через искусственный липидный бислой. Скорость потока растворенного вещества через бислой прямо пропорциональна разностиего концентраций с двух сторон мембраны. Умножение этой разностиконцентраций (в моль/см3) на коэффициент проницаемости (в см/с) даетпоток растворенного вещества в молях в секунду на квадратный сантиметр бислоя. Например, разность концентраций триптофана, равная104 моль/см3 (104/103 л = 0,1 М), даст поток 104 моль/см3 × 107 см/с = 1011 моль/с через 1 см2 бислоя, или 6 × 104 молекул/с на 1 мкм2 бислоя.Глава 11.
Мембранный транспорт малых молекул 1125ных транспортных белков. Мы знаем, что люди со сходными мутациями страдаютот различных наследственных заболеваний, которые нарушают транспорт определенных растворенных веществ в почках, пищеварительном тракте или других типахклеток.
Например, у людей, страдающих наследственным заболеванием цистинурией, отсутствует транспорт определенных аминокислот (включая цистин, димерцистеина, связанный дисульфидным мостиком) из мочи или пищеварительноготракта в кровь; происходящее в результате накопление цистина в моче приводитк образованию в почках цистиновых камней.Все подробно исследованные мембранные транспортные белки были многопроходными, т. е. их полипептидная цепь пересекает липидный бислой несколькораз. Создавая непрерывную белковую пору через мембрану, эти белки позволяютопределенным гидрофильным растворенным веществам преодолевать мембранубез прямого контакта с гидрофобной средой липидного бислоя.Два основных класса мембранных транспортных белков — транспортерыи каналы (рис. 11.3).
Транспортеры (которые также называют переносчиками,или пермеазами) связывают определенное растворенное вещество и претерпеваютсерию конформационных перестроек, позволяющих связанной молекуле пройтичерез мембрану. Каналы, с другой стороны, гораздо слабее взаимодействуют с растворенным веществом. Они формируют в липидном бислое заполненные водойпоры; когда они открыты, определенные растворенные вещества (обычно неорганические ионы соответствующего заряда и размера) свободно проходят через них и,следовательно, пересекают мембрану. Неудивительно, что транспорт через каналыпроисходит значительно быстрее, чем транспорт, опосредованный транспортерами.Рис. 11.3. Транспортеры и каналы. (а) Транспортер меняет свою конформацию таким образом, чтобысайт связывания растворенного вещества попеременно располагался сначала на одной стороне бислоя,а затем на другой.
(б) Белок-канал, напротив, образует в липидном бислое заполненную водой пору,через которую могут диффундировать определенные вещества.1126Часть IV. Внутренняя организация клеткиНесмотря на то что вода способна диффундировать через искусственные липидныебислои, все клетки содержат специфические канальные белки (так называемые водные каналы, или аквапорины), которые значительно увеличивают проницаемостьмембран для воды, как мы обсудим позже.11.1.3. Транспортеры, сопряженные с источником энергии,осуществляют активный транспортВсе каналы и многие транспортеры позволяют молекулам пересекать мембрану только пассивно («по градиенту концентрации»).
Этот процесс называетсяпассивным транспортом, или облегченной диффузией. В случае транспорта единственной незаряженной молекулы разница ее концентраций с двух сторон мембраны — градиент концентрации — определяет направление диффузии и являетсяее движущей силой (рис. 11.4, а).Рис. 11.4. Сравнение активного и пассивного транспорта. (а) Пассивный транспорт по электрохимическому градиенту происходит самопроизвольно посредством простой диффузии через липидный бислойили облегченной диффузии через каналы или пассивные транспортеры.
С другой стороны, активныйтранспорт требует метаболической энергии и всегда опосредуется транспортерами, которые используютэту энергию для перекачки растворенного вещества против его электрохимического градиента. (б) Электрохимический градиент включает в себя мембранный потенциал и концентрационный градиент; онимогут работать в одну сторону, увеличивая движущую силу переноса иона через мембрану (в центре),или могут работать друг против друга (справа).Глава 11. Мембранный транспорт малых молекул 1127Однако если растворенное вещество несет некоторый суммарный заряд, на еготранспорт влияет как концентрационный градиент, так и разность электрическихпотенциалов с двух сторон мембраны, так называемый мембранный потенциал.Концентрационный градиент и электрический градиент создают суммарную движущую силу, электрохимический градиент, для каждого заряженного растворенноговещества (рис. 11.4, б).
Более подробно электрохимические градиенты обсуждаютсяв главе 14. На самом деле почти все плазматические мембраны обладают разностьюэлектрических потенциалов (градиентом потенциала); внутренняя сторона мембраныобычно заряжена отрицательно по отношению к внешней. Эта разность потенциаловспособствует входу положительно заряженных ионов в клетку, но мешает входуотрицательно заряженных ионов.Клеткам также необходимы транспортные белки, которые могут активноперекачивать определенные растворенные вещества через мембрану против ихэлектрохимических градиентов; этот процесс, известный как активный транспорт,опосредуется транспортерами, которые также называют насосами.
При активномтранспорте активность переносчика является направленной, поскольку она сопряжена с источником метаболической энергии, например гидролизом ATP илиионным градиентом, которые мы обсудим позже. Таким образом, трансмембранныйперенос малых молекул, опосредуемый транспортерами, может быть как активным,так и пассивным, тогда как транспорт через каналы всегда пассивен.ЗаключениеЛипидные бислои практически непроницаемы для большинства полярныхмолекул. Для транспорта малых водорастворимых молекул в плазматическуюмембрану или замкнутые мембранные компартменты клеточные мембранысодержат различные мембранные транспортные белки, каждый из которыхотвечает за перенос определенного растворенного вещества или класса веществ.Существует два класса мембранных транспортных белков — переносчики и каналы. Оба класса формируют непрерывные белковые проходы через липидныйбислой.
Если трансмембранное движение, опосредованное транспортерами,может быть как активным, так и пассивным, то поток растворенных веществчерез каналы всегда пассивен.11.2. Транспортеры и активный мембранный транспортПроцесс переноса транспортером растворенной молекулы через липидныйбислой похож на фермент-субстратную реакцию, и во многом транспортеры ведутсебя как ферменты. Однако, в отличие от обычных фермент-субстратных реакций,переносчики не модифицируют транспортируемое вещество, доставляя его на другуюсторону мембраны в неизменном виде.Каждый тип транспортеров несет один или несколько сайтов связывания растворенного вещества (субстрата).
Для переноса вещества через липидный бислойони претерпевают серию обратимых конформационных перестроек, в результатекоторых сайт связывания, располагавшийся с одной стороны мембраны, оказывается с другой. На рис. 11.5 представлена схематичная модель работы транспортера.Когда транспортер насыщен (т. е. когда все сайты связывания заняты), скоростьтранспорта максимальна. Эта скорость, обозначаемая Vmax (V — velocity, скорость),является характеристикой транспортера. Vmax показывает, с какой скоростью1128Часть IV.
Внутренняя организация клеткиРис. 11.5. Модель конформационной перестройки транспортера, приводящей к пассивному переносурастворенного вещества. Показанный переносчик может существовать в двух конформациях: в состоянии А сайты связывания растворенного вещества расположены на внешней поверхности бислоя;в состоянии B те же сайты оказываются с другой стороны бислоя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
