Диффузная мембрана что это такое: Диффузионные мембраны для устройства утепленной кровли. Диффузионная мембрана. Гидроизоляционная пленка на Roof-n-Roll.ru

Источники: Дарнелл, Дж. , Х. Лодиш и Д. Балтимор. 1986. Молекулярно-клеточная биология. Scientific American Books, Inc., Нью-Йорк

LeFevre, PG 1961. Транспорт сахара в красной крови. клетка: отношения структура-активность в субстратах и антагонисты. Фармакологический обзор 13 :39-70.

Copyright 1999 M. Beals, L. Gross, S. Harrell

Транспорт малых молекул – клетка

Внутренний состав клетки сохраняется, поскольку плазматическая мембрана избирательно проницаема для малых молекул. Большинство биологических молекул не способны диффундировать через фосфолипидный бислой, поэтому плазматическая мембрана образует барьер, блокирующий свободный обмен молекул между цитоплазмой и внешней средой клетки. Специфические транспортные белки (белки-носители и белковые каналы) опосредуют избирательное прохождение малых молекул через мембрану, позволяя клетке контролировать состав своей цитоплазмы.

Пассивная диффузия

Простейший механизм пересечения молекулами плазматической мембраны — пассивная диффузия. Во время пассивной диффузии молекула просто растворяется в бислое фосфолипидов, диффундирует через него, а затем растворяется в водном растворе на другой стороне мембраны. Никакие мембранные белки не участвуют, и направление транспорта определяется просто относительными концентрациями молекулы внутри и снаружи клетки. Чистый поток молекул всегда направлен вниз по градиенту их концентрации — из отсека с высокой концентрацией в отсек с более низкой концентрацией молекулы.

Таким образом, пассивная диффузия представляет собой неселективный процесс, при котором любая молекула, способная растворяться в двойном слое фосфолипидов, способна пересекать плазматическую мембрану и уравновешиваться между внутренней и внешней частью клетки. Важно отметить, что только небольшие, относительно гидрофобные молекулы способны диффундировать через бислой фосфолипидов со значительной скоростью. Так, газы (такие как O ₂ и CO ₂ ), гидрофобные молекулы (такие как бензол) и небольшие полярные, но незаряженные молекулы (такие как H ₂ O и этанол) способны диффундировать через плазматическую мембрану. Однако другие биологические молекулы не способны растворяться в гидрофобной внутренней части двойного слоя фосфолипидов. Следовательно, более крупные незаряженные полярные молекулы, такие как глюкоза, не могут пересечь плазматическую мембрану путем пассивной диффузии, как и заряженные молекулы любого размера (включая небольшие ионы, такие как H ⁺ , Na ⁺ , K ⁺ и Cl). ^– ). Прохождение этих молекул через мембрану вместо этого требует активности специфических транспортных и канальных белков, которые, таким образом, контролируют движение большинства биологических молекул в клетку и из нее.

Рисунок 12.15

Проницаемость фосфолипидных бислоев. Газы, гидрофобные молекулы и небольшие полярные незаряженные молекулы могут диффундировать через бислои фосфолипидов. Более крупные полярные молекулы и заряженные молекулы не могут.

Облегченная диффузия и белки-носители

Облегченная диффузия, как и пассивная, включает движение молекул в направлении, определяемом их относительными концентрациями внутри и снаружи клетки. Никакого внешнего источника энергии не предусмотрено, поэтому молекулы движутся через мембрану в направлении, определяемом их градиентами концентрации и, в случае заряженных молекул, электрическим потенциалом на мембране. Однако облегченная диффузия отличается от пассивной диффузии тем, что транспортируемые молекулы не растворяются в двойном слое фосфолипидов. Вместо этого их прохождение опосредуется белками, которые позволяют транспортируемым молекулам пересекать мембрану, не взаимодействуя непосредственно с ее гидрофобной внутренней частью. Таким образом, облегченная диффузия позволяет полярным и заряженным молекулам, таким как углеводы, аминокислоты, нуклеозиды и ионы, пересекать плазматическую мембрану.

Обычно различают два класса белков, которые опосредуют облегченную диффузию: белки-носители и белки-каналы. Белки-переносчики связывают определенные молекулы для транспортировки на одной стороне мембраны. Затем они претерпевают конформационные изменения, которые позволяют молекуле пройти через мембрану и выйти на другую сторону. Напротив, канальные белки (см. следующий раздел) образуют открытые поры через мембрану, обеспечивая свободную диффузию любой молекулы соответствующего размера и заряда.

Белки-носители отвечают за облегченную диффузию сахаров, аминокислот и нуклеозидов через плазматические мембраны большинства клеток. Поглощение глюкозы, которая служит основным источником метаболической энергии, является одной из наиболее важных транспортных функций плазматической мембраны, а транспортер глюкозы является хорошо изученным примером белка-переносчика. Транспортер глюкозы первоначально был идентифицирован как белок массой 55 кД в эритроцитах человека, в которых он составляет примерно 5% от общего белка мембраны. Последующее выделение и анализ последовательности клона кДНК выявили, что переносчик глюкозы имеет 12 α-спиральных трансмембранных сегментов — структура, типичная для многих белков-переносчиков (12). Эти трансмембранные α-спирали содержат преимущественно гидрофобные аминокислоты, но некоторые из них также содержат полярные аминокислотные остатки, которые, как считается, образуют сайт связывания глюкозы внутри белка.

Рисунок 12.16

Структура переносчика глюкозы. Транспортер глюкозы имеет 12 трансмембранных α-спиралей. Полярные аминокислотные остатки, расположенные внутри фосфолипидного бислоя, обозначены темно-фиолетовыми кружками. (Адаптировано из G. I. Bell, C. F. Burant, J. Takeda (подробнее…)

Как и для многих мембранных белков, трехмерная структура транспортера глюкозы неизвестна, поэтому молекулярный механизм транспорта глюкозы остается открытым вопросом. Однако кинетические исследования показывают, что переносчик глюкозы функционирует путем чередования двух конформационных состояний (1). В первой конформации сайт связывания глюкозы обращен к внешней стороне клетки. Связывание глюкозы с этим внешним сайтом вызывает конформационные изменения в транспортер, так что сайт связывания глюкозы теперь обращен внутрь клетки.Затем глюкоза может высвобождаться в цитозоль, после чего транспортер возвращается к своей исходной конформации.

Рисунок 12.17

Модель облегченной диффузии глюкозы. Транспортер глюкозы чередуется между двумя конформациями, в которых сайт связывания глюкозы попеременно экспонируется снаружи и внутри клетки. В первой показанной конформации (A) глюкоза (подробнее…)

Большинство клеток, включая эритроциты, подвергаются воздействию внеклеточных концентраций глюкозы, которые выше, чем концентрации внутри клетки, поэтому облегченная диффузия приводит к чистому транспорту глюкозы внутрь . Как только глюкоза поглощается этими клетками, она быстро метаболизируется, поэтому внутриклеточные концентрации глюкозы остаются низкими, и глюкоза продолжает транспортироваться в клетку из внеклеточной жидкости. Однако, поскольку конформационные изменения переносчика глюкозы обратимы, глюкоза может транспортироваться в противоположном направлении, просто обращая шаги в . Такой обратный поток имеет место, например, в клетках печени, в которых синтезируется глюкоза и высвобождается в кровоток.

Ионные каналы

В отличие от белков-носителей, канальные белки просто образуют открытые поры в мембране, позволяя небольшим молекулам соответствующего размера и заряда свободно проходить через липидный бислой. Одна группа белков каналов, обсуждавшаяся ранее, — это порины, которые обеспечивают свободное прохождение ионов и небольших полярных молекул через наружные мембраны бактерий (см. ). Канальные белки также обеспечивают прохождение молекул между клетками, соединенными щелевыми контактами, которые обсуждаются далее в этой главе. Плазматические мембраны многих клеток также содержат белки водных каналов (аквапорины), через которые молекулы воды способны пересекать мембрану гораздо быстрее, чем они могут диффундировать через бислой фосфолипидов. Однако наиболее хорошо охарактеризованными белками каналов являются ионные каналы, которые опосредуют прохождение ионов через плазматические мембраны. Хотя ионные каналы присутствуют в мембранах всех клеток, они особенно хорошо изучены в нервах и мышцах, где их регулируемое открытие и закрытие отвечает за передачу электрических сигналов.

Три свойства ионных каналов лежат в основе их функции (). Во-первых, транспортировка по каналам чрезвычайно быстра. Более миллиона ионов в секунду проходят через открытые каналы — скорость потока примерно в тысячу раз превышает скорость транспорта белков-переносчиков. Во-вторых, ионные каналы обладают высокой селективностью, поскольку узкие поры в канале ограничивают прохождение ионов соответствующего размера и заряда. Таким образом, специфические белки каналов обеспечивают прохождение Na ⁺ , K ⁺ , Ca ²⁺ и Cl ^– через мембрану. В-третьих, большинство ионных каналов открыты не постоянно. Вместо этого открытие ионных каналов регулируется «воротами», которые кратковременно открываются в ответ на определенные раздражители. Некоторые каналы (называемые лиганд-зависимыми каналами ) открываются в ответ на связывание нейротрансмиттеров или других сигнальных молекул; другие ( потенциалзависимых канала ) открываются в ответ на изменения электрического потенциала на плазматической мембране.

Рисунок 12.18

Модель ионного канала. В закрытой конформации поток ионов блокируется воротами. Открытие ворот позволяет ионам быстро проходить через канал. Канал содержит узкую пору, которая ограничивает прохождение ионов соответствующего размера (подробнее…)

Фундаментальная роль ионных каналов в передаче электрических импульсов была выяснена в серии элегантных экспериментов, описанных Аланом Ходжкиным и Эндрю Хаксли. в 1952 году. Эти исследователи использовали в качестве модели гигантские нервные клетки кальмара. Аксоны этих гигантских нейронов имеют диаметр около 1 мм, что позволяет вводить электроды и измерять изменения мембранного потенциала, происходящие при передаче нервных импульсов. Используя этот подход, Ходжкин и Хаксли продемонстрировали, что эти изменения мембранного потенциала являются результатом регулируемого открытия и закрытия Na ⁺ и К ⁺ каналы в плазматической мембране. Впоследствии стало возможным изучать активность отдельных ионных каналов с помощью методики patch-clamp , разработанной Erwin Neher и Bert Sakmann в 1976 г. (). В этом методе микропипетка с диаметром наконечника около 1 мкм используется для выделения небольшого участка мембраны, что позволяет анализировать поток ионов через один канал и значительно повышает точность, с которой можно определить активность ионных каналов. учился.

Рисунок 12.19

Метод накладного зажима. На кончике микропипетки выделяют небольшой участок мембраны. Затем внутри пипетки можно применять стимулы, что позволяет измерить поведение захваченного канала. (Адаптировано из E. Neher and B. Sakmann, 1992. (подробнее…)

Поток ионов через мембранные каналы зависит от установления ионных градиентов через плазматическую мембрану. Все клетки, включая нервные и мышечные, содержат ионных насосов (обсуждается в следующем разделе), которые используют энергию, полученную в результате гидролиза АТФ, для активного транспорта ионов через плазматическую мембрану.В результате ионный состав цитоплазмы существенно отличается от внеклеточной жидкости ().Например, Na ⁺ активно выкачивается из клеток, а К ⁺ закачивается. Таким образом, в аксоне кальмара концентрация Na ⁺ примерно в 10 раз выше во внеклеточной жидкости, чем внутри клетки, тогда как концентрация К ⁺ примерно в 20 раз выше в цитозоле, чем в окружающей среде.

Таблица 12.1

Концентрации внеклеточных и внутриклеточных ионов.

Поскольку ионы электрически заряжены, их перенос приводит к возникновению электрического градиента на плазматической мембране. В покоящихся аксонах кальмара существует электрический потенциал около 60 мВ через плазматическую мембрану, при этом внутренняя часть клетки отрицательная по отношению к внешней (). Этот электрический потенциал возникает как от ионных насосов, так и от потока ионов через каналы, открытые в плазматической мембране покоящейся клетки. Плазматическая мембрана аксонов покоящегося кальмара содержит открытые K ⁺ , поэтому он более проницаем для K ⁺ , чем для Na ⁺ или других ионов. Следовательно, поток К ⁺ вносит наибольший вклад в мембранный потенциал покоя.

Рис. 12.20

Ионные градиенты и мембранный потенциал покоя аксона гигантского кальмара. Показаны только концентрации Na ⁺ и K ⁺ , поскольку именно эти ионы участвуют в передаче нервных импульсов. Na ⁺ выкачивается из клетки, а K ⁺ закачивается, (подробнее…)

Как обсуждалось в главе 10, поток ионов через мембрану управляется как концентрацией, так и компонентами напряжения электрохимического градиента. Например, концентрация K ⁺ внутри аксона кальмара в 20 раз выше, чем во внеклеточной жидкости, что приводит к выходу K ⁺ из клетки. Однако, поскольку K ⁺ заряжен положительно, этот выход K ⁺ из клетки генерирует электрический потенциал через мембрану, при этом внутренняя часть клетки становится отрицательно заряженной. Этот мембранный потенциал противостоит продолжающемуся потоку K ⁺ из клетки, и система приближается к равновесному состоянию, при котором мембранный потенциал уравновешивает градиент концентрации К ⁺ .

Количественно связь между концентрацией ионов и мембранным потенциалом определяется уравнением Нернста:

где В – равновесный потенциал в вольтах, R – газовая постоянная, T – абсолютная температура, z – заряд иона, F — постоянная Фарадея, а C _o и C _i — концентрации иона снаружи и внутри клетки соответственно. Равновесный потенциал существует отдельно для каждого иона, а мембранный потенциал определяется потоком всех ионов, пересекающих плазматическую мембрану. Однако, поскольку покоящиеся аксоны кальмаров более проницаемы для K ⁺ , чем для Na ⁺ или других ионов (включая Cl ^– ), мембранный потенциал покоя (-60 мВ) близок к равновесному потенциалу, определяемому внутриклеточным и внеклеточный K ⁺ концентрации (-75 мВ).

Когда нервные импульсы ( потенциалы действия ) проходят по аксонам, мембрана деполяризуется (). Мембранный потенциал изменяется от -60 мВ до примерно +30 мВ менее чем за миллисекунду, после чего снова становится отрицательным и возвращается к своему значению покоя. Эти изменения являются результатом быстрого последовательного открытия и закрытия потенциалзависимых каналов Na ⁺ и K ⁺ . Относительно небольшие начальные изменения мембранного потенциала (от -60 до примерно -40 мВ) приводят к быстрому открытию Na ⁺ канала. Это позволяет Na ⁺ поступать в клетку под действием как градиента его концентрации, так и мембранного потенциала. Внезапное поступление Na ⁺ приводит к сильному изменению мембранного потенциала, который увеличивается почти до +30 мВ, приближаясь к равновесному потенциалу Na ⁺ примерно +50 мВ. В это время каналы Na ⁺ инактивируются, а потенциалзависимые каналы K ⁺ открываются, существенно повышая проницаемость мембраны для K ⁺ . Затем K ⁺ быстро вытекает из клетки под действием как мембранного потенциала, так и градиента концентрации K ⁺ , что приводит к быстрому снижению мембранного потенциала примерно до -75 мВ (равновесный потенциал K ⁺ ). Затем потенциалзависимые каналы K ⁺ инактивируются, и мембранный потенциал возвращается к уровню покоя -60 мВ, определяемому потоком K ⁺ и других ионов через каналы, которые остаются открытыми в нестимулированных клетках.

Рис. 12.21

Мембранный потенциал и ионные каналы во время потенциала действия. (A) Изменения мембранного потенциала в одной точке гигантского аксона кальмара после стимула. E _Na и E _K – равновесные потенциалы Na ⁺ и K ⁺ соответственно. (B) Мембранный потенциал (подробнее…)

Деполяризация соседних областей плазматической мембраны позволяет потенциалам действия проходить по длине аксонов нервных клеток в виде электрических сигналов, что приводит к быстрой передаче нервных импульсов на большие расстояния. Например, аксоны двигательных нейронов человека могут иметь длину более метра. Прибытие потенциалов действия на окончание большинства нейронов сигнализирует о высвобождении нейротрансмиттеров, таких как ацетилхолин, которые передают сигналы между клетками в синапсах. Нейротрансмиттеры, высвобождаемые из пресинаптических клеток, связываются с рецепторами на мембранах постсинаптических клеток, где они действуют, открывая управляемые лигандом ионные каналы. Одним из наиболее хорошо охарактеризованных таких каналов является ацетилхолиновый рецептор мышечных клеток. Связывание ацетилхолина открывает канал, проницаемый как для Na ⁺ и К ⁺. Это обеспечивает быстрый приток Na ⁺ , который деполяризует мембрану мышечной клетки и запускает потенциал действия. Затем потенциал действия приводит к открытию потенциалзависимых каналов Ca ²⁺ , что приводит к увеличению внутриклеточного количества Ca ²⁺ , что сигнализирует о сокращении (see ).

Рисунок 12.22

Передача сигналов за счет высвобождения нейротрансмиттера в синапсе. Прибытие нервного импульса на окончание нейрона сигнализирует о слиянии синаптических пузырьков с плазматической мембраной, что приводит к высвобождению нейротрансмиттера из пресинаптической клетки в (далее. ..)

Ацетилхолиновый рецептор, первоначально выделенный из электрического органа скатов Torpedo в 1970-х годах, является прототипом лиганд-управляемых каналов. Рецептор состоит из пяти субъединиц, расположенных в виде цилиндра в мембране (). Считается, что в закрытом состоянии поры канала блокируются боковыми цепями гидрофобных аминокислот. Связывание ацетилхолина вызывает конформационные изменения в рецепторе, так что эти гидрофобные боковые цепи смещаются из канала, открывая пору, через которую проходят положительно заряженные ионы, включая Na ⁺ и К ⁺. Однако канал остается непроницаемым для отрицательно заряженных ионов, таких как Cl ^–, поскольку он выстлан отрицательно заряженными аминокислотами.

Рисунок 12.23

Модель рецептора ацетилхолина. Рецептор состоит из пяти субъединиц, расположенных вокруг центральной поры. Связывание ацетилхолина с участком во внеклеточной области рецептора вызывает аллостерические изменения, которые открывают ворота канала. Канал (подробнее…)

Большую степень ионной селективности проявляют потенциалзависимые каналы Na ⁺ и K ⁺ . Каналы Na ⁺ более чем в десять раз более проницаемы для Na ⁺ , чем для K ⁺ , тогда как каналы K ⁺ более чем в тысячу раз более проницаемы для K ⁺ , чем для Na ⁺ . Селективность канала Na ⁺ может быть объяснена, по крайней мере, частично, на основе узких пор, которые действуют как размерный фильтр. Ионный радиус Na ⁺ (0,95 Å) меньше, чем у K ⁺ (1,33 Å), и считается, что пора канала Na ⁺ достаточно узкая, чтобы препятствовать прохождению ионов K ⁺ или более крупных ( ).

Рисунок 12.24

Ионная селективность каналов Na ⁺ . Узкая пора позволяет проходить Na ⁺ , связанным с одной молекулой воды, но препятствует прохождению ионов K ⁺ или более крупных ионов.

K ⁺ каналы также имеют узкие поры, препятствующие прохождению более крупных ионов. Однако, поскольку Na ⁺ имеет меньший ионный радиус, это не объясняет избирательной проницаемости этих каналов для K ⁺ . Селективность канала K ⁺ основана на другом механизме, который был выяснен при определении трехмерной структуры канала K ⁺ с помощью рентгеновской кристаллографии в 1998 г. (). Пора канала содержит фильтр с узкой селективностью, выстланный атомами карбонильного кислорода (C=O) из основной цепи полипептида. Когда К 9Ион 0061 + поступает в фильтр селективности, взаимодействия с этими карбонильными атомами кислорода вытесняют молекулы воды, с которыми связан K ⁺ , позволяя обезвоженному K ⁺ проходить через поры. Напротив, обезвоженный Na ⁺ слишком мал, чтобы взаимодействовать с этими карбонильными атомами кислорода в селективном фильтре, который удерживается жестко открытым. Следовательно, Na ⁺ остается связанным с молекулами воды в гидратированном комплексе, который слишком велик, чтобы пройти через канал.

Рисунок 12.25

Избирательность каналов K ⁺ . Канал К ⁺ содержит фильтр узкой селективности, выстланный карбонильными атомами кислорода (С=О). Поры достаточно широки, чтобы обеспечить прохождение обезвоженного K ⁺ , из которого все связанные молекулы воды были вытеснены в виде (далее…)

Потенциалзависимых Na ⁺ , K ⁺ и Ca ²⁺ канала принадлежат к большому семейству родственных белков (2). Например, последовательность генома C. elegans выявил почти 200 генов, кодирующих ионные каналы, которые, по-видимому, необходимы, чтобы играть различные роли в клеточной передаче сигналов. Каналы K ⁺ состоят из четырех идентичных субъединиц, каждая из которых содержит две или шесть трансмембранных α-спиралей. Каналы Na ⁺ и Ca ²⁺ состоят из одной полипептидной цепи, но каждый полипептид содержит четыре повторяющихся домена, соответствующих субъединицам каналов K ⁺ . Запирание напряжения опосредовано одной из трансмембранных α-спиралей, которая содержит несколько положительно заряженных аминокислот. Мембранная деполяризация индуцирует перемещение этих положительных зарядов наружу клетки, сдвигая положение этого трансмембранного сегмента и открывая канал. Быстрая инактивация Na ⁺ и К ⁺ каналы при распространении потенциалов действия затем опосредованы цитоплазматическими участками полипептидной цепи, которые связываются с цитоплазматическим устьем поры канала и препятствуют дальнейшему току ионов ().

Рисунок 12.26

Структуры потенциалзависимых катионных каналов. Каналы K ⁺ , Na ⁺ и Ca ²⁺ принадлежат к семейству родственных белков. Канал К ⁺ образован объединением четырех идентичных субъединиц, одна из которых показана. На 9Канал 0061 + состоит из одного полипептида (подробнее…)

Рисунок 12.27

Инактивация каналов K ⁺ и Na ⁺ . После потенциалзависимого открытия каналы K ⁺ и Na ⁺ быстро инактивируются за счет связывания цитоплазматических частей полипептидных цепей с порой. Для канала K ⁺ инактивация опосредована шаровой цепью (подробнее…)

Широкий спектр ионных каналов (включая Ca ²⁺ и Cl ^– каналы) реагируют на разные нейротрансмиттеры или открываются и закрываются с разной кинетикой после деполяризации мембраны. Согласованные действия этих многочисленных каналов ответственны за сложность передачи сигналов в нервной системе. Более того, как будет показано в следующей главе, роль ионных каналов не ограничивается электрически возбудимыми нервными и мышечными клетками; они также играют важную роль в передаче сигналов в других типах клеток. Таким образом, регулируемое открытие и закрытие ионных каналов обеспечивает клетки чувствительным и универсальным механизмом реагирования на различные стимулы окружающей среды.

Активный транспорт, управляемый гидролизом АТФ

Чистый поток молекул за счет облегченной диффузии либо через белки-носители, либо через белки-каналы всегда энергетически направлен вниз в направлении, определяемом электрохимическими градиентами через мембрану. Однако во многих случаях клетка должна транспортировать молекулы против градиента их концентрации. При активном транспорте энергия, обеспечиваемая другой связанной реакцией (например, гидролизом АТФ), используется для перемещения молекул в гору в энергетически невыгодном направлении.

Ионные насосы, отвечающие за поддержание градиента ионов через плазматическую мембрану, являются важными примерами активного транспорта, управляемого непосредственно гидролизом АТФ. Как обсуждалось ранее (см.), концентрация Na ⁺ примерно в десять раз выше снаружи, чем внутри клеток, тогда как концентрация K ⁺ выше внутри, чем снаружи. Эти градиенты ионов поддерживаются насосом Na ⁺ -K ⁺ (также называемая Na ⁺ -K ⁺ АТФаза ), которая использует энергию, полученную в результате гидролиза АТФ, для транспорта Na ⁺ и K ⁺ против их электрохимических градиентов. Этот процесс является результатом конформационных изменений в помпе, вызванных АТФ. Во-первых, ионы Na ⁺ связываются с центрами высокого сродства внутри клетки. Это связывание стимулирует гидролиз АТФ и фосфорилирование помпы, вызывая конформационные изменения, которые обнажают Na ⁺ – связывает сайты снаружи клетки и снижает их сродство к Na ⁺ . Следовательно, связанный Na ⁺ высвобождается во внеклеточную жидкость. В то же время на клеточной поверхности экспонируются высокоаффинные сайты связывания К ⁺ -. Связывание внеклеточного K ⁺ с этими сайтами затем стимулирует гидролиз фосфатной группы, связанной с насосом, что вызывает второе конформационное изменение, открывая сайты связывания K ⁺ цитозолю и снижая их аффинность связывания, так что K ⁺ высвобождается внутри клетки. Насос имеет три сайта связывания для Na ⁺ и два для K ⁺ , поэтому каждый цикл переносит через плазматическую мембрану три Na ⁺ и два K ⁺ за счет одной молекулы АТФ.

Рисунок 12.28

Модель для работы насоса Na ⁺ -K ⁺ .

Важность помпы Na ⁺ -K ⁺ подтверждается тем фактом, что она потребляет почти 25% АТФ, используемого многими животными клетками. Одна из важнейших ролей Na ⁺ и К ⁺ градиенты, установленные насосом, — это распространение электрических сигналов в нерве и мышце. Как будет сказано ниже, градиент Na ⁺ , создаваемый помпой, также используется для обеспечения активного транспорта множества других молекул. Еще одна важная роль насоса Na ⁺ -K ⁺ в большинстве клеток животных заключается в поддержании осмотического баланса и объема клетки. Цитоплазма содержит высокую концентрацию органических молекул, включая макромолекулы, аминокислоты, сахара и нуклеотиды. В отсутствие противовеса это будет стимулировать поток воды внутрь за счет осмоса, что, если его не остановить, приведет к набуханию и, в конечном итоге, к разрыву клетки. Необходимый противовес обеспечивается градиентами ионов, установленными Na ⁺ -К ⁺ насос (). В частности, насос устанавливает более высокую концентрацию Na ⁺ снаружи, чем внутри клетки. Как уже обсуждалось, поток K ⁺ через открытые каналы дополнительно устанавливает электрический потенциал через плазматическую мембрану. Этот мембранный потенциал, в свою очередь, выталкивает Cl ^– из клетки, поэтому концентрация Cl ^– (как и Na ⁺ ) примерно в десять раз выше во внеклеточной жидкости, чем в цитоплазме. Эти различия в концентрациях ионов уравновешивают высокие концентрации органических молекул внутри клеток, выравнивая осмотическое давление и предотвращая чистый приток воды.

Рис. 12.29

Градиенты ионов через плазматическую мембрану типичной клетки млекопитающих. Концентрации Na ⁺ и Cl ^– выше снаружи, чем внутри клетки, тогда как концентрация К ⁺ выше внутри, чем снаружи. Низкие концентрации Na ⁺ и Cl ^– уравновешивают (подробнее…)

Активный транспорт Ca ²⁺ через плазматическую мембрану управляется насосом Ca ²⁺ , который структурно родственен до На ⁺ -K ⁺ насос и аналогичным образом питается от гидролиза АТФ. Насос Ca ²⁺ транспортирует Ca ²⁺ из клетки, поэтому внутриклеточные концентрации Ca ²⁺ чрезвычайно низки: приблизительно 0,1 мкМ, по сравнению с внеклеточными концентрациями около 1 м M . Эта низкая внутриклеточная концентрация Ca ²⁺ делает клетку чувствительной к небольшому увеличению внутриклеточного уровня Ca ²⁺ . Такое временное увеличение внутриклеточного Ca ²⁺ играют важную роль в клеточной передаче сигналов, как уже отмечалось в отношении мышечного сокращения (см. ) и обсуждается далее в следующей главе.

Аналогичные ионные насосы в плазматических мембранах бактерий, дрожжей и растительных клеток ответственны за активный транспорт H ⁺ из клетки. Кроме того, H ⁺ активно выкачиваются из клеток, выстилающих желудок, что приводит к повышению кислотности желудочного сока. Структурно различные помпы ответственны за активный транспорт H ⁺ на лизосомы и эндосомы (см.). Тем не менее, третий тип насоса H ⁺ иллюстрируется АТФ-синтазами митохондрий и хлоропластов: в этих случаях насосы можно рассматривать как работающие в обратном направлении, когда движение ионов по электрохимическому градиенту используется для управления синтезом АТФ.

Самое большое семейство мембранных транспортеров состоит из транспортеров ABC, названных так потому, что они характеризуются высококонсервативными АТФ-связывающими доменами или A TP- b inding c активы (). Как в прокариотических, так и в эукариотических клетках идентифицировано более сотни членов семейства. У бактерий транспортеры ABC используют энергию, полученную в результате гидролиза АТФ, для транспорта широкого спектра молекул, включая ионы, сахара и аминокислоты. В эукариотических клетках был обнаружен первый переносчик ABC как продукт гена (называемого геном множественной лекарственной устойчивости, или mdr ), который делает раковые клетки устойчивыми к различным лекарствам, используемым в химиотерапии. В настоящее время идентифицированы два переносчика MDR. Обычно они экспрессируются в различных клетках, где они удаляют потенциально токсичные чужеродные соединения. Например, экспрессия переносчика MDR в капиллярных эндотелиальных клетках головного мозга, по-видимому, играет важную роль в защите мозга от токсичных химических веществ. К сожалению, транспортеры MDR часто экспрессируются на высоких уровнях в раковых клетках, где они распознают различные лекарства и выкачивают их из клеток, тем самым делая раковые клетки устойчивыми к широкому спектру химиотерапевтических агентов и создавая серьезное препятствие для успешного лечения рака. .

Рисунок 12.30

Структура транспортера ABC. Базовая структурная единица транспортеров ABC состоит из шести трансмембранных доменов, за которыми следует АТФ-связывающая кассета. В транспортерах плазматической мембраны (таких как показанный транспортер MDR) две из этих единиц являются (подробнее…)

Еще одним важным с медицинской точки зрения членом семейства транспортеров ABC является ген, ответственный за муковисцидоз. Хотя он является членом семейства ABC, продукт этого гена (называемый регулятором трансмембранной проводимости при муковисцидозе, или CFTR) функционирует как Cl 9.0061- канал в эпителиальных клетках и дефектный транспорт Cl ^– характерны для заболевания. Канал CFTR Cl ^– также необычен тем, что для его открытия, по-видимому, требуется как гидролиз АТФ, так и зависимое от цАМФ фосфорилирование. Структурная основа функции CFTR как регулируемого ионного канала еще предстоит выяснить в ходе будущих исследований.

Активный транспорт, управляемый ионными градиентами

Ионные насосы и АВС-переносчики, рассмотренные в предыдущем разделе, используют энергию, полученную непосредственно в результате гидролиза АТФ, для транспортировки молекул против их электрохимических градиентов. Другие молекулы транспортируются против градиента их концентрации с использованием энергии, полученной не от гидролиза АТФ, а от связанного транспорта второй молекулы в энергетически выгодном направлении. На 9Градиент 0061 + , созданный насосом Na ⁺ -K ⁺ , обеспечивает источник энергии, который часто используется для обеспечения активного транспорта сахаров, аминокислот и ионов в клетках млекопитающих. Аналогичную роль играют градиенты H ⁺ , установленные насосами H ⁺ клеток бактерий, дрожжей и растений.

Эпителиальные клетки, выстилающие кишечник, представляют собой хороший пример активного транспорта, управляемого градиентом Na ⁺ . Эти клетки используют активные транспортные системы в апикальных областях своих плазматических мембран для захвата пищевых сахаров и аминокислот из просвета кишечника. Поглощение глюкозы, например, осуществляется транспортером, который координированно транспортирует два Na ⁺ и одна глюкоза в клетку (). Поток Na ⁺ по его электрохимическому градиенту обеспечивает энергию, необходимую для поглощения пищевой глюкозы и накопления высоких концентраций внутриклеточной глюкозы. Затем глюкоза высвобождается в подлежащую соединительную ткань (которая содержит кровеносные капилляры) на базолатеральной поверхности кишечного эпителия, где она транспортируется по градиенту концентрации за счет облегченной диффузии (12). Таким образом, поглощение глюкозы из просвета кишечника и ее высвобождение в кровоток является хорошим примером поляризованной функции эпителиальных клеток, которая является результатом специфической локализации активного транспорта и облегченной диффузии переносчиков в апикальный и базолатеральный домены плазматической мембраны. , соответственно.

Рис. 12.31

Активный транспорт глюкозы. Активный транспорт, управляемый градиентом Na ⁺ , отвечает за поглощение глюкозы из просвета кишечника. Транспортер координированно связывает и транспортирует в клетку одну глюкозу и две Na ⁺ . Транспорт Na ⁺ (подробнее…)

Рис. 12.32

Транспорт глюкозы эпителиальными клетками кишечника. Транспортер в апикальном домене плазматической мембраны отвечает за активное поглощение глюкозы (путем котранспорта с Na ⁺ ) из ​​просвета кишечника. В результате пищевая глюкоза поглощается и (подробнее…)

Координированное поглощение глюкозы и Na ⁺ является примером симпорта, транспорта двух молекул в одном направлении. Напротив, облегченная диффузия глюкозы является примером унипорта, транспорта только одной молекулы. Активный транспорт также может осуществляться антипортом, при котором две молекулы транспортируются в противоположных направлениях (1). Например, Са ²⁺ экспортируется из клеток не только насосом Ca ²⁺ , но и антипортером Na ⁺ -Ca ²⁺ , который транспортирует Na ⁺ в клетку и Ca ²⁺ наружу. Другим примером является обменный белок Na ⁺ -H ⁺ , который участвует в регуляции внутриклеточного pH. Антипортер Na ⁺ -H ⁺ связывает транспорт Na ⁺ в клетку с экспортом H ⁺ , тем самым удаляя избыток H ⁺ , образующиеся в результате метаболических реакций и препятствующие закислению цитоплазмы.

Рисунок 12.33

Примеры антипорта. Ca ²⁺ и H ⁺ экспортируются из клеток антипортерами, которые связывают их экспорт с энергетически выгодным импортом Na ⁺ .

Коробка

Молекулярная медицина: кистозный фиброз.

Транспорт малых молекул — клетка

Внутренний состав клетки сохраняется, поскольку плазматическая мембрана избирательно проницаема для малых молекул. Большинство биологических молекул не способны диффундировать через фосфолипидный бислой, поэтому плазматическая мембрана образует барьер, блокирующий свободный обмен молекул между цитоплазмой и внешней средой клетки. Специфические транспортные белки (белки-носители и белковые каналы) опосредуют избирательное прохождение малых молекул через мембрану, позволяя клетке контролировать состав своей цитоплазмы.

Пассивная диффузия

Простейший механизм пересечения молекулами плазматической мембраны — пассивная диффузия. Во время пассивной диффузии молекула просто растворяется в бислое фосфолипидов, диффундирует через него, а затем растворяется в водном растворе на другой стороне мембраны. Никакие мембранные белки не участвуют, и направление транспорта определяется просто относительными концентрациями молекулы внутри и снаружи клетки. Чистый поток молекул всегда направлен вниз по градиенту их концентрации — из отсека с высокой концентрацией в отсек с более низкой концентрацией молекулы.

Таким образом, пассивная диффузия представляет собой неселективный процесс, при котором любая молекула, способная растворяться в двойном слое фосфолипидов, способна пересекать плазматическую мембрану и уравновешиваться между внутренней и внешней частью клетки. Важно отметить, что только небольшие, относительно гидрофобные молекулы способны диффундировать через бислой фосфолипидов со значительной скоростью. Так, газы (такие как O ₂ и CO ₂ ), гидрофобные молекулы (такие как бензол) и небольшие полярные, но незаряженные молекулы (такие как H ₂ O и этанол) способны диффундировать через плазматическую мембрану. Однако другие биологические молекулы не способны растворяться в гидрофобной внутренней части двойного слоя фосфолипидов. Следовательно, более крупные незаряженные полярные молекулы, такие как глюкоза, не могут пересечь плазматическую мембрану путем пассивной диффузии, как и заряженные молекулы любого размера (включая небольшие ионы, такие как H ⁺ , Na ⁺ , K ⁺ и Cl). ^– ). Прохождение этих молекул через мембрану вместо этого требует активности специфических транспортных и канальных белков, которые, таким образом, контролируют движение большинства биологических молекул в клетку и из нее.

Рисунок 12.15

Проницаемость фосфолипидных бислоев. Газы, гидрофобные молекулы и небольшие полярные незаряженные молекулы могут диффундировать через бислои фосфолипидов. Более крупные полярные молекулы и заряженные молекулы не могут.

Облегченная диффузия и белки-носители

Облегченная диффузия, как и пассивная, включает движение молекул в направлении, определяемом их относительными концентрациями внутри и снаружи клетки. Никакого внешнего источника энергии не предусмотрено, поэтому молекулы движутся через мембрану в направлении, определяемом их градиентами концентрации и, в случае заряженных молекул, электрическим потенциалом на мембране. Однако облегченная диффузия отличается от пассивной диффузии тем, что транспортируемые молекулы не растворяются в двойном слое фосфолипидов. Вместо этого их прохождение опосредуется белками, которые позволяют транспортируемым молекулам пересекать мембрану, не взаимодействуя непосредственно с ее гидрофобной внутренней частью. Таким образом, облегченная диффузия позволяет полярным и заряженным молекулам, таким как углеводы, аминокислоты, нуклеозиды и ионы, пересекать плазматическую мембрану.

Обычно различают два класса белков, которые опосредуют облегченную диффузию: белки-носители и белки-каналы. Белки-переносчики связывают определенные молекулы для транспортировки на одной стороне мембраны. Затем они претерпевают конформационные изменения, которые позволяют молекуле пройти через мембрану и выйти на другую сторону. Напротив, канальные белки (см. следующий раздел) образуют открытые поры через мембрану, обеспечивая свободную диффузию любой молекулы соответствующего размера и заряда.

Белки-носители отвечают за облегченную диффузию сахаров, аминокислот и нуклеозидов через плазматические мембраны большинства клеток. Поглощение глюкозы, которая служит основным источником метаболической энергии, является одной из наиболее важных транспортных функций плазматической мембраны, а транспортер глюкозы является хорошо изученным примером белка-переносчика. Транспортер глюкозы первоначально был идентифицирован как белок массой 55 кД в эритроцитах человека, в которых он составляет примерно 5% от общего белка мембраны. Последующее выделение и анализ последовательности клона кДНК выявили, что переносчик глюкозы имеет 12 α-спиральных трансмембранных сегментов — структура, типичная для многих белков-переносчиков (12). Эти трансмембранные α-спирали содержат преимущественно гидрофобные аминокислоты, но некоторые из них также содержат полярные аминокислотные остатки, которые, как считается, образуют сайт связывания глюкозы внутри белка.

Рисунок 12.16

Структура переносчика глюкозы. Транспортер глюкозы имеет 12 трансмембранных α-спиралей. Полярные аминокислотные остатки, расположенные внутри фосфолипидного бислоя, обозначены темно-фиолетовыми кружками. (Адаптировано из G. I. Bell, C. F. Burant, J. Takeda (подробнее…)

Как и для многих мембранных белков, трехмерная структура транспортера глюкозы неизвестна, поэтому молекулярный механизм транспорта глюкозы остается открытым вопросом. Однако кинетические исследования показывают, что переносчик глюкозы функционирует путем чередования двух конформационных состояний (1). В первой конформации сайт связывания глюкозы обращен к внешней стороне клетки. Связывание глюкозы с этим внешним сайтом вызывает конформационные изменения в транспортер, так что сайт связывания глюкозы теперь обращен внутрь клетки. Затем глюкоза может высвобождаться в цитозоль, после чего транспортер возвращается к своей исходной конформации.

Рисунок 12.17

Модель облегченной диффузии глюкозы. Транспортер глюкозы чередуется между двумя конформациями, в которых сайт связывания глюкозы попеременно экспонируется снаружи и внутри клетки. В первой показанной конформации (A) глюкоза (подробнее…)

Большинство клеток, включая эритроциты, подвергаются воздействию внеклеточных концентраций глюкозы, которые выше, чем концентрации внутри клетки, поэтому облегченная диффузия приводит к чистому транспорту глюкозы внутрь . Как только глюкоза поглощается этими клетками, она быстро метаболизируется, поэтому внутриклеточные концентрации глюкозы остаются низкими, и глюкоза продолжает транспортироваться в клетку из внеклеточной жидкости. Однако, поскольку конформационные изменения переносчика глюкозы обратимы, глюкоза может транспортироваться в противоположном направлении, просто обращая шаги в . Такой обратный поток имеет место, например, в клетках печени, в которых синтезируется глюкоза и высвобождается в кровоток.

Ионные каналы

В отличие от белков-носителей, канальные белки просто образуют открытые поры в мембране, позволяя небольшим молекулам соответствующего размера и заряда свободно проходить через липидный бислой. Одна группа белков каналов, обсуждавшаяся ранее, — это порины, которые обеспечивают свободное прохождение ионов и небольших полярных молекул через наружные мембраны бактерий (см. ). Канальные белки также обеспечивают прохождение молекул между клетками, соединенными щелевыми контактами, которые обсуждаются далее в этой главе. Плазматические мембраны многих клеток также содержат белки водных каналов (аквапорины), через которые молекулы воды способны пересекать мембрану гораздо быстрее, чем они могут диффундировать через бислой фосфолипидов. Однако наиболее хорошо охарактеризованными белками каналов являются ионные каналы, которые опосредуют прохождение ионов через плазматические мембраны. Хотя ионные каналы присутствуют в мембранах всех клеток, они особенно хорошо изучены в нервах и мышцах, где их регулируемое открытие и закрытие отвечает за передачу электрических сигналов.

Три свойства ионных каналов лежат в основе их функции (). Во-первых, транспортировка по каналам чрезвычайно быстра. Более миллиона ионов в секунду проходят через открытые каналы — скорость потока примерно в тысячу раз превышает скорость транспорта белков-переносчиков. Во-вторых, ионные каналы обладают высокой селективностью, поскольку узкие поры в канале ограничивают прохождение ионов соответствующего размера и заряда. Таким образом, специфические белки каналов обеспечивают прохождение Na ⁺ , K ⁺ , Ca ²⁺ и Cl ^– через мембрану. В-третьих, большинство ионных каналов открыты не постоянно. Вместо этого открытие ионных каналов регулируется «воротами», которые кратковременно открываются в ответ на определенные раздражители. Некоторые каналы (называемые лиганд-зависимыми каналами ) открываются в ответ на связывание нейротрансмиттеров или других сигнальных молекул; другие ( потенциалзависимых канала ) открываются в ответ на изменения электрического потенциала на плазматической мембране.

Рисунок 12.18

Модель ионного канала. В закрытой конформации поток ионов блокируется воротами. Открытие ворот позволяет ионам быстро проходить через канал. Канал содержит узкую пору, которая ограничивает прохождение ионов соответствующего размера (подробнее…)

Фундаментальная роль ионных каналов в передаче электрических импульсов была выяснена в серии элегантных экспериментов, описанных Аланом Ходжкиным и Эндрю Хаксли. в 1952 году. Эти исследователи использовали в качестве модели гигантские нервные клетки кальмара. Аксоны этих гигантских нейронов имеют диаметр около 1 мм, что позволяет вводить электроды и измерять изменения мембранного потенциала, происходящие при передаче нервных импульсов. Используя этот подход, Ходжкин и Хаксли продемонстрировали, что эти изменения мембранного потенциала являются результатом регулируемого открытия и закрытия Na ⁺ и К ⁺ каналы в плазматической мембране. Впоследствии стало возможным изучать активность отдельных ионных каналов с помощью методики patch-clamp , разработанной Erwin Neher и Bert Sakmann в 1976 г. (). В этом методе микропипетка с диаметром наконечника около 1 мкм используется для выделения небольшого участка мембраны, что позволяет анализировать поток ионов через один канал и значительно повышает точность, с которой можно определить активность ионных каналов. учился.

Рисунок 12.19

Метод накладного зажима. На кончике микропипетки выделяют небольшой участок мембраны. Затем внутри пипетки можно применять стимулы, что позволяет измерить поведение захваченного канала. (Адаптировано из E. Neher and B. Sakmann, 1992. (подробнее…)

Поток ионов через мембранные каналы зависит от установления ионных градиентов через плазматическую мембрану. Все клетки, включая нервные и мышечные, содержат ионных насосов (обсуждается в следующем разделе), которые используют энергию, полученную в результате гидролиза АТФ, для активного транспорта ионов через плазматическую мембрану.В результате ионный состав цитоплазмы существенно отличается от внеклеточной жидкости ().Например, Na ⁺ активно выкачивается из клеток, а К ⁺ закачивается. Таким образом, в аксоне кальмара концентрация Na ⁺ примерно в 10 раз выше во внеклеточной жидкости, чем внутри клетки, тогда как концентрация К ⁺ примерно в 20 раз выше в цитозоле, чем в окружающей среде.

Таблица 12.1

Концентрации внеклеточных и внутриклеточных ионов.

Поскольку ионы электрически заряжены, их перенос приводит к возникновению электрического градиента на плазматической мембране. В покоящихся аксонах кальмара существует электрический потенциал около 60 мВ через плазматическую мембрану, при этом внутренняя часть клетки отрицательная по отношению к внешней (). Этот электрический потенциал возникает как от ионных насосов, так и от потока ионов через каналы, открытые в плазматической мембране покоящейся клетки. Плазматическая мембрана аксонов покоящегося кальмара содержит открытые K ⁺ , поэтому он более проницаем для K ⁺ , чем для Na ⁺ или других ионов. Следовательно, поток К ⁺ вносит наибольший вклад в мембранный потенциал покоя.

Рис. 12.20

Ионные градиенты и мембранный потенциал покоя аксона гигантского кальмара. Показаны только концентрации Na ⁺ и K ⁺ , поскольку именно эти ионы участвуют в передаче нервных импульсов. Na ⁺ выкачивается из клетки, а K ⁺ закачивается, (подробнее…)

Как обсуждалось в главе 10, поток ионов через мембрану управляется как концентрацией, так и компонентами напряжения электрохимического градиента. Например, концентрация K ⁺ внутри аксона кальмара в 20 раз выше, чем во внеклеточной жидкости, что приводит к выходу K ⁺ из клетки. Однако, поскольку K ⁺ заряжен положительно, этот выход K ⁺ из клетки генерирует электрический потенциал через мембрану, при этом внутренняя часть клетки становится отрицательно заряженной. Этот мембранный потенциал противостоит продолжающемуся потоку K ⁺ из клетки, и система приближается к равновесному состоянию, при котором мембранный потенциал уравновешивает градиент концентрации К ⁺ .

Количественно связь между концентрацией ионов и мембранным потенциалом определяется уравнением Нернста:

где В – равновесный потенциал в вольтах, R – газовая постоянная, T – абсолютная температура, z – заряд иона, F — постоянная Фарадея, а C _o и C _i — концентрации иона снаружи и внутри клетки соответственно. Равновесный потенциал существует отдельно для каждого иона, а мембранный потенциал определяется потоком всех ионов, пересекающих плазматическую мембрану. Однако, поскольку покоящиеся аксоны кальмаров более проницаемы для K ⁺ , чем для Na ⁺ или других ионов (включая Cl ^– ), мембранный потенциал покоя (-60 мВ) близок к равновесному потенциалу, определяемому внутриклеточным и внеклеточный K ⁺ концентрации (-75 мВ).

Когда нервные импульсы ( потенциалы действия ) проходят по аксонам, мембрана деполяризуется (). Мембранный потенциал изменяется от -60 мВ до примерно +30 мВ менее чем за миллисекунду, после чего снова становится отрицательным и возвращается к своему значению покоя. Эти изменения являются результатом быстрого последовательного открытия и закрытия потенциалзависимых каналов Na ⁺ и K ⁺ . Относительно небольшие начальные изменения мембранного потенциала (от -60 до примерно -40 мВ) приводят к быстрому открытию Na ⁺ канала. Это позволяет Na ⁺ поступать в клетку под действием как градиента его концентрации, так и мембранного потенциала. Внезапное поступление Na ⁺ приводит к сильному изменению мембранного потенциала, который увеличивается почти до +30 мВ, приближаясь к равновесному потенциалу Na ⁺ примерно +50 мВ. В это время каналы Na ⁺ инактивируются, а потенциалзависимые каналы K ⁺ открываются, существенно повышая проницаемость мембраны для K ⁺ . Затем K ⁺ быстро вытекает из клетки под действием как мембранного потенциала, так и градиента концентрации K ⁺ , что приводит к быстрому снижению мембранного потенциала примерно до -75 мВ (равновесный потенциал K ⁺ ). Затем потенциалзависимые каналы K ⁺ инактивируются, и мембранный потенциал возвращается к уровню покоя -60 мВ, определяемому потоком K ⁺ и других ионов через каналы, которые остаются открытыми в нестимулированных клетках.

Рис. 12.21

Мембранный потенциал и ионные каналы во время потенциала действия. (A) Изменения мембранного потенциала в одной точке гигантского аксона кальмара после стимула. E _Na и E _K – равновесные потенциалы Na ⁺ и K ⁺ соответственно. (B) Мембранный потенциал (подробнее…)

Деполяризация соседних областей плазматической мембраны позволяет потенциалам действия проходить по длине аксонов нервных клеток в виде электрических сигналов, что приводит к быстрой передаче нервных импульсов на большие расстояния. Например, аксоны двигательных нейронов человека могут иметь длину более метра. Прибытие потенциалов действия на окончание большинства нейронов сигнализирует о высвобождении нейротрансмиттеров, таких как ацетилхолин, которые передают сигналы между клетками в синапсах. Нейротрансмиттеры, высвобождаемые из пресинаптических клеток, связываются с рецепторами на мембранах постсинаптических клеток, где они действуют, открывая управляемые лигандом ионные каналы. Одним из наиболее хорошо охарактеризованных таких каналов является ацетилхолиновый рецептор мышечных клеток. Связывание ацетилхолина открывает канал, проницаемый как для Na ⁺ и К ⁺. Это обеспечивает быстрый приток Na ⁺ , который деполяризует мембрану мышечной клетки и запускает потенциал действия. Затем потенциал действия приводит к открытию потенциалзависимых каналов Ca ²⁺ , что приводит к увеличению внутриклеточного количества Ca ²⁺ , что сигнализирует о сокращении (see ).

Рисунок 12.22

Передача сигналов за счет высвобождения нейротрансмиттера в синапсе. Прибытие нервного импульса на окончание нейрона сигнализирует о слиянии синаптических пузырьков с плазматической мембраной, что приводит к высвобождению нейротрансмиттера из пресинаптической клетки в (далее. ..)

Ацетилхолиновый рецептор, первоначально выделенный из электрического органа скатов Torpedo в 1970-х годах, является прототипом лиганд-управляемых каналов. Рецептор состоит из пяти субъединиц, расположенных в виде цилиндра в мембране (). Считается, что в закрытом состоянии поры канала блокируются боковыми цепями гидрофобных аминокислот. Связывание ацетилхолина вызывает конформационные изменения в рецепторе, так что эти гидрофобные боковые цепи смещаются из канала, открывая пору, через которую проходят положительно заряженные ионы, включая Na ⁺ и К ⁺. Однако канал остается непроницаемым для отрицательно заряженных ионов, таких как Cl ^–, поскольку он выстлан отрицательно заряженными аминокислотами.

Рисунок 12.23

Модель рецептора ацетилхолина. Рецептор состоит из пяти субъединиц, расположенных вокруг центральной поры. Связывание ацетилхолина с участком во внеклеточной области рецептора вызывает аллостерические изменения, которые открывают ворота канала. Канал (подробнее…)

Большую степень ионной селективности проявляют потенциалзависимые каналы Na ⁺ и K ⁺ . Каналы Na ⁺ более чем в десять раз более проницаемы для Na ⁺ , чем для K ⁺ , тогда как каналы K ⁺ более чем в тысячу раз более проницаемы для K ⁺ , чем для Na ⁺ . Селективность канала Na ⁺ может быть объяснена, по крайней мере, частично, на основе узких пор, которые действуют как размерный фильтр. Ионный радиус Na ⁺ (0,95 Å) меньше, чем у K ⁺ (1,33 Å), и считается, что пора канала Na ⁺ достаточно узкая, чтобы препятствовать прохождению ионов K ⁺ или более крупных ( ).

Рисунок 12.24

Ионная селективность каналов Na ⁺ . Узкая пора позволяет проходить Na ⁺ , связанным с одной молекулой воды, но препятствует прохождению ионов K ⁺ или более крупных ионов.

K ⁺ каналы также имеют узкие поры, препятствующие прохождению более крупных ионов. Однако, поскольку Na ⁺ имеет меньший ионный радиус, это не объясняет избирательной проницаемости этих каналов для K ⁺ . Селективность канала K ⁺ основана на другом механизме, который был выяснен при определении трехмерной структуры канала K ⁺ с помощью рентгеновской кристаллографии в 1998 г. (). Пора канала содержит фильтр с узкой селективностью, выстланный атомами карбонильного кислорода (C=O) из основной цепи полипептида. Когда К 9Ион 0061 + поступает в фильтр селективности, взаимодействия с этими карбонильными атомами кислорода вытесняют молекулы воды, с которыми связан K ⁺ , позволяя обезвоженному K ⁺ проходить через поры. Напротив, обезвоженный Na ⁺ слишком мал, чтобы взаимодействовать с этими карбонильными атомами кислорода в селективном фильтре, который удерживается жестко открытым. Следовательно, Na ⁺ остается связанным с молекулами воды в гидратированном комплексе, который слишком велик, чтобы пройти через канал.

Рисунок 12.25

Избирательность каналов K ⁺ . Канал К ⁺ содержит фильтр узкой селективности, выстланный карбонильными атомами кислорода (С=О). Поры достаточно широки, чтобы обеспечить прохождение обезвоженного K ⁺ , из которого все связанные молекулы воды были вытеснены в виде (далее…)

Потенциалзависимых Na ⁺ , K ⁺ и Ca ²⁺ канала принадлежат к большому семейству родственных белков (2). Например, последовательность генома C. elegans выявил почти 200 генов, кодирующих ионные каналы, которые, по-видимому, необходимы, чтобы играть различные роли в клеточной передаче сигналов. Каналы K ⁺ состоят из четырех идентичных субъединиц, каждая из которых содержит две или шесть трансмембранных α-спиралей. Каналы Na ⁺ и Ca ²⁺ состоят из одной полипептидной цепи, но каждый полипептид содержит четыре повторяющихся домена, соответствующих субъединицам каналов K ⁺ . Запирание напряжения опосредовано одной из трансмембранных α-спиралей, которая содержит несколько положительно заряженных аминокислот. Мембранная деполяризация индуцирует перемещение этих положительных зарядов наружу клетки, сдвигая положение этого трансмембранного сегмента и открывая канал. Быстрая инактивация Na ⁺ и К ⁺ каналы при распространении потенциалов действия затем опосредованы цитоплазматическими участками полипептидной цепи, которые связываются с цитоплазматическим устьем поры канала и препятствуют дальнейшему току ионов ().

Рисунок 12.26

Структуры потенциалзависимых катионных каналов. Каналы K ⁺ , Na ⁺ и Ca ²⁺ принадлежат к семейству родственных белков. Канал К ⁺ образован объединением четырех идентичных субъединиц, одна из которых показана. На 9Канал 0061 + состоит из одного полипептида (подробнее…)

Рисунок 12.27

Инактивация каналов K ⁺ и Na ⁺ . После потенциалзависимого открытия каналы K ⁺ и Na ⁺ быстро инактивируются за счет связывания цитоплазматических частей полипептидных цепей с порой. Для канала K ⁺ инактивация опосредована шаровой цепью (подробнее…)

Широкий спектр ионных каналов (включая Ca ²⁺ и Cl ^– каналы) реагируют на разные нейротрансмиттеры или открываются и закрываются с разной кинетикой после деполяризации мембраны. Согласованные действия этих многочисленных каналов ответственны за сложность передачи сигналов в нервной системе. Более того, как будет показано в следующей главе, роль ионных каналов не ограничивается электрически возбудимыми нервными и мышечными клетками; они также играют важную роль в передаче сигналов в других типах клеток. Таким образом, регулируемое открытие и закрытие ионных каналов обеспечивает клетки чувствительным и универсальным механизмом реагирования на различные стимулы окружающей среды.

Активный транспорт, управляемый гидролизом АТФ

Чистый поток молекул за счет облегченной диффузии либо через белки-носители, либо через белки-каналы всегда энергетически направлен вниз в направлении, определяемом электрохимическими градиентами через мембрану. Однако во многих случаях клетка должна транспортировать молекулы против градиента их концентрации. При активном транспорте энергия, обеспечиваемая другой связанной реакцией (например, гидролизом АТФ), используется для перемещения молекул в гору в энергетически невыгодном направлении.

Ионные насосы, отвечающие за поддержание градиента ионов через плазматическую мембрану, являются важными примерами активного транспорта, управляемого непосредственно гидролизом АТФ. Как обсуждалось ранее (см.), концентрация Na ⁺ примерно в десять раз выше снаружи, чем внутри клеток, тогда как концентрация K ⁺ выше внутри, чем снаружи. Эти градиенты ионов поддерживаются насосом Na ⁺ -K ⁺ (также называемая Na ⁺ -K ⁺ АТФаза ), которая использует энергию, полученную в результате гидролиза АТФ, для транспорта Na ⁺ и K ⁺ против их электрохимических градиентов. Этот процесс является результатом конформационных изменений в помпе, вызванных АТФ. Во-первых, ионы Na ⁺ связываются с центрами высокого сродства внутри клетки. Это связывание стимулирует гидролиз АТФ и фосфорилирование помпы, вызывая конформационные изменения, которые обнажают Na ⁺ – связывает сайты снаружи клетки и снижает их сродство к Na ⁺ . Следовательно, связанный Na ⁺ высвобождается во внеклеточную жидкость. В то же время на клеточной поверхности экспонируются высокоаффинные сайты связывания К ⁺ -. Связывание внеклеточного K ⁺ с этими сайтами затем стимулирует гидролиз фосфатной группы, связанной с насосом, что вызывает второе конформационное изменение, открывая сайты связывания K ⁺ цитозолю и снижая их аффинность связывания, так что K ⁺ высвобождается внутри клетки. Насос имеет три сайта связывания для Na ⁺ и два для K ⁺ , поэтому каждый цикл переносит через плазматическую мембрану три Na ⁺ и два K ⁺ за счет одной молекулы АТФ.

Рисунок 12.28

Модель для работы насоса Na ⁺ -K ⁺ .

Важность помпы Na ⁺ -K ⁺ подтверждается тем фактом, что она потребляет почти 25% АТФ, используемого многими животными клетками. Одна из важнейших ролей Na ⁺ и К ⁺ градиенты, установленные насосом, — это распространение электрических сигналов в нерве и мышце. Как будет сказано ниже, градиент Na ⁺ , создаваемый помпой, также используется для обеспечения активного транспорта множества других молекул. Еще одна важная роль насоса Na ⁺ -K ⁺ в большинстве клеток животных заключается в поддержании осмотического баланса и объема клетки. Цитоплазма содержит высокую концентрацию органических молекул, включая макромолекулы, аминокислоты, сахара и нуклеотиды. В отсутствие противовеса это будет стимулировать поток воды внутрь за счет осмоса, что, если его не остановить, приведет к набуханию и, в конечном итоге, к разрыву клетки. Необходимый противовес обеспечивается градиентами ионов, установленными Na ⁺ -К ⁺ насос (). В частности, насос устанавливает более высокую концентрацию Na ⁺ снаружи, чем внутри клетки. Как уже обсуждалось, поток K ⁺ через открытые каналы дополнительно устанавливает электрический потенциал через плазматическую мембрану. Этот мембранный потенциал, в свою очередь, выталкивает Cl ^– из клетки, поэтому концентрация Cl ^– (как и Na ⁺ ) примерно в десять раз выше во внеклеточной жидкости, чем в цитоплазме. Эти различия в концентрациях ионов уравновешивают высокие концентрации органических молекул внутри клеток, выравнивая осмотическое давление и предотвращая чистый приток воды.

Рис. 12.29

Градиенты ионов через плазматическую мембрану типичной клетки млекопитающих. Концентрации Na ⁺ и Cl ^– выше снаружи, чем внутри клетки, тогда как концентрация К ⁺ выше внутри, чем снаружи. Низкие концентрации Na ⁺ и Cl ^– уравновешивают (подробнее…)

Активный транспорт Ca ²⁺ через плазматическую мембрану управляется насосом Ca ²⁺ , который структурно родственен до На ⁺ -K ⁺ насос и аналогичным образом питается от гидролиза АТФ. Насос Ca ²⁺ транспортирует Ca ²⁺ из клетки, поэтому внутриклеточные концентрации Ca ²⁺ чрезвычайно низки: приблизительно 0,1 мкМ, по сравнению с внеклеточными концентрациями около 1 м M . Эта низкая внутриклеточная концентрация Ca ²⁺ делает клетку чувствительной к небольшому увеличению внутриклеточного уровня Ca ²⁺ . Такое временное увеличение внутриклеточного Ca ²⁺ играют важную роль в клеточной передаче сигналов, как уже отмечалось в отношении мышечного сокращения (см. ) и обсуждается далее в следующей главе.

Аналогичные ионные насосы в плазматических мембранах бактерий, дрожжей и растительных клеток ответственны за активный транспорт H ⁺ из клетки. Кроме того, H ⁺ активно выкачиваются из клеток, выстилающих желудок, что приводит к повышению кислотности желудочного сока. Структурно различные помпы ответственны за активный транспорт H ⁺ на лизосомы и эндосомы (см.). Тем не менее, третий тип насоса H ⁺ иллюстрируется АТФ-синтазами митохондрий и хлоропластов: в этих случаях насосы можно рассматривать как работающие в обратном направлении, когда движение ионов по электрохимическому градиенту используется для управления синтезом АТФ.

Самое большое семейство мембранных транспортеров состоит из транспортеров ABC, названных так потому, что они характеризуются высококонсервативными АТФ-связывающими доменами или A TP- b inding c активы (). Как в прокариотических, так и в эукариотических клетках идентифицировано более сотни членов семейства. У бактерий транспортеры ABC используют энергию, полученную в результате гидролиза АТФ, для транспорта широкого спектра молекул, включая ионы, сахара и аминокислоты. В эукариотических клетках был обнаружен первый переносчик ABC как продукт гена (называемого геном множественной лекарственной устойчивости, или mdr ), который делает раковые клетки устойчивыми к различным лекарствам, используемым в химиотерапии. В настоящее время идентифицированы два переносчика MDR. Обычно они экспрессируются в различных клетках, где они удаляют потенциально токсичные чужеродные соединения. Например, экспрессия переносчика MDR в капиллярных эндотелиальных клетках головного мозга, по-видимому, играет важную роль в защите мозга от токсичных химических веществ. К сожалению, транспортеры MDR часто экспрессируются на высоких уровнях в раковых клетках, где они распознают различные лекарства и выкачивают их из клеток, тем самым делая раковые клетки устойчивыми к широкому спектру химиотерапевтических агентов и создавая серьезное препятствие для успешного лечения рака. .

Рисунок 12.30

Структура транспортера ABC. Базовая структурная единица транспортеров ABC состоит из шести трансмембранных доменов, за которыми следует АТФ-связывающая кассета. В транспортерах плазматической мембраны (таких как показанный транспортер MDR) две из этих единиц являются (подробнее…)

Еще одним важным с медицинской точки зрения членом семейства транспортеров ABC является ген, ответственный за муковисцидоз. Хотя он является членом семейства ABC, продукт этого гена (называемый регулятором трансмембранной проводимости при муковисцидозе, или CFTR) функционирует как Cl 9.0061- канал в эпителиальных клетках и дефектный транспорт Cl ^– характерны для заболевания. Канал CFTR Cl ^– также необычен тем, что для его открытия, по-видимому, требуется как гидролиз АТФ, так и зависимое от цАМФ фосфорилирование. Структурная основа функции CFTR как регулируемого ионного канала еще предстоит выяснить в ходе будущих исследований.

Активный транспорт, управляемый ионными градиентами

Ионные насосы и АВС-переносчики, рассмотренные в предыдущем разделе, используют энергию, полученную непосредственно в результате гидролиза АТФ, для транспортировки молекул против их электрохимических градиентов. Другие молекулы транспортируются против градиента их концентрации с использованием энергии, полученной не от гидролиза АТФ, а от связанного транспорта второй молекулы в энергетически выгодном направлении. На 9Градиент 0061 + , созданный насосом Na ⁺ -K ⁺ , обеспечивает источник энергии, который часто используется для обеспечения активного транспорта сахаров, аминокислот и ионов в клетках млекопитающих. Аналогичную роль играют градиенты H ⁺ , установленные насосами H ⁺ клеток бактерий, дрожжей и растений.

Эпителиальные клетки, выстилающие кишечник, представляют собой хороший пример активного транспорта, управляемого градиентом Na ⁺ . Эти клетки используют активные транспортные системы в апикальных областях своих плазматических мембран для захвата пищевых сахаров и аминокислот из просвета кишечника. Поглощение глюкозы, например, осуществляется транспортером, который координированно транспортирует два Na ⁺ и одна глюкоза в клетку (). Поток Na ⁺ по его электрохимическому градиенту обеспечивает энергию, необходимую для поглощения пищевой глюкозы и накопления высоких концентраций внутриклеточной глюкозы. Затем глюкоза высвобождается в подлежащую соединительную ткань (которая содержит кровеносные капилляры) на базолатеральной поверхности кишечного эпителия, где она транспортируется по градиенту концентрации за счет облегченной диффузии (12). Таким образом, поглощение глюкозы из просвета кишечника и ее высвобождение в кровоток является хорошим примером поляризованной функции эпителиальных клеток, которая является результатом специфической локализации активного транспорта и облегченной диффузии переносчиков в апикальный и базолатеральный домены плазматической мембраны. , соответственно.

Рис. 12.31

Активный транспорт глюкозы. Активный транспорт, управляемый градиентом Na ⁺ , отвечает за поглощение глюкозы из просвета кишечника. Транспортер координированно связывает и транспортирует в клетку одну глюкозу и две Na ⁺ . Транспорт Na ⁺ (подробнее…)

Рис. 12.32

Транспорт глюкозы эпителиальными клетками кишечника. Транспортер в апикальном домене плазматической мембраны отвечает за активное поглощение глюкозы (путем котранспорта с Na ⁺ ) из ​​просвета кишечника. В результате пищевая глюкоза поглощается и (подробнее…)

Координированное поглощение глюкозы и Na ⁺ является примером симпорта, транспорта двух молекул в одном направлении. Напротив, облегченная диффузия глюкозы является примером унипорта, транспорта только одной молекулы. Активный транспорт также может осуществляться антипортом, при котором две молекулы транспортируются в противоположных направлениях (1). Например, Са ²⁺ экспортируется из клеток не только насосом Ca ²⁺ , но и антипортером Na ⁺ -Ca ²⁺ , который транспортирует Na ⁺ в клетку и Ca ²⁺ наружу. Другим примером является обменный белок Na ⁺ -H ⁺ , который участвует в регуляции внутриклеточного pH. Антипортер Na ⁺ -H ⁺ связывает транспорт Na ⁺ в клетку с экспортом H ⁺ , тем самым удаляя избыток H ⁺ , образующиеся в результате метаболических реакций и препятствующие закислению цитоплазмы.

Рисунок 12.33

Примеры антипорта. Ca ²⁺ и H ⁺ экспортируются из клеток антипортерами, которые связывают их экспорт с энергетически выгодным импортом Na ⁺ .

Коробка

Молекулярная медицина: кистозный фиброз.

Транспорт малых молекул — клетка

Внутренний состав клетки сохраняется, поскольку плазматическая мембрана избирательно проницаема для малых молекул. Большинство биологических молекул не способны диффундировать через фосфолипидный бислой, поэтому плазматическая мембрана образует барьер, блокирующий свободный обмен молекул между цитоплазмой и внешней средой клетки. Специфические транспортные белки (белки-носители и белковые каналы) опосредуют избирательное прохождение малых молекул через мембрану, позволяя клетке контролировать состав своей цитоплазмы.

Пассивная диффузия

Простейший механизм пересечения молекулами плазматической мембраны — пассивная диффузия. Во время пассивной диффузии молекула просто растворяется в бислое фосфолипидов, диффундирует через него, а затем растворяется в водном растворе на другой стороне мембраны. Никакие мембранные белки не участвуют, и направление транспорта определяется просто относительными концентрациями молекулы внутри и снаружи клетки. Чистый поток молекул всегда направлен вниз по градиенту их концентрации — из отсека с высокой концентрацией в отсек с более низкой концентрацией молекулы.

Таким образом, пассивная диффузия представляет собой неселективный процесс, при котором любая молекула, способная растворяться в двойном слое фосфолипидов, способна пересекать плазматическую мембрану и уравновешиваться между внутренней и внешней частью клетки. Важно отметить, что только небольшие, относительно гидрофобные молекулы способны диффундировать через бислой фосфолипидов со значительной скоростью. Так, газы (такие как O ₂ и CO ₂ ), гидрофобные молекулы (такие как бензол) и небольшие полярные, но незаряженные молекулы (такие как H ₂ O и этанол) способны диффундировать через плазматическую мембрану. Однако другие биологические молекулы не способны растворяться в гидрофобной внутренней части двойного слоя фосфолипидов. Следовательно, более крупные незаряженные полярные молекулы, такие как глюкоза, не могут пересечь плазматическую мембрану путем пассивной диффузии, как и заряженные молекулы любого размера (включая небольшие ионы, такие как H ⁺ , Na ⁺ , K ⁺ и Cl). ^– ). Прохождение этих молекул через мембрану вместо этого требует активности специфических транспортных и канальных белков, которые, таким образом, контролируют движение большинства биологических молекул в клетку и из нее.

Рисунок 12.15

Проницаемость фосфолипидных бислоев. Газы, гидрофобные молекулы и небольшие полярные незаряженные молекулы могут диффундировать через бислои фосфолипидов. Более крупные полярные молекулы и заряженные молекулы не могут.

Облегченная диффузия и белки-носители

Облегченная диффузия, как и пассивная, включает движение молекул в направлении, определяемом их относительными концентрациями внутри и снаружи клетки. Никакого внешнего источника энергии не предусмотрено, поэтому молекулы движутся через мембрану в направлении, определяемом их градиентами концентрации и, в случае заряженных молекул, электрическим потенциалом на мембране. Однако облегченная диффузия отличается от пассивной диффузии тем, что транспортируемые молекулы не растворяются в двойном слое фосфолипидов. Вместо этого их прохождение опосредуется белками, которые позволяют транспортируемым молекулам пересекать мембрану, не взаимодействуя непосредственно с ее гидрофобной внутренней частью. Таким образом, облегченная диффузия позволяет полярным и заряженным молекулам, таким как углеводы, аминокислоты, нуклеозиды и ионы, пересекать плазматическую мембрану.

Обычно различают два класса белков, которые опосредуют облегченную диффузию: белки-носители и белки-каналы. Белки-переносчики связывают определенные молекулы для транспортировки на одной стороне мембраны. Затем они претерпевают конформационные изменения, которые позволяют молекуле пройти через мембрану и выйти на другую сторону. Напротив, канальные белки (см. следующий раздел) образуют открытые поры через мембрану, обеспечивая свободную диффузию любой молекулы соответствующего размера и заряда.

Белки-носители отвечают за облегченную диффузию сахаров, аминокислот и нуклеозидов через плазматические мембраны большинства клеток. Поглощение глюкозы, которая служит основным источником метаболической энергии, является одной из наиболее важных транспортных функций плазматической мембраны, а транспортер глюкозы является хорошо изученным примером белка-переносчика. Транспортер глюкозы первоначально был идентифицирован как белок массой 55 кД в эритроцитах человека, в которых он составляет примерно 5% от общего белка мембраны. Последующее выделение и анализ последовательности клона кДНК выявили, что переносчик глюкозы имеет 12 α-спиральных трансмембранных сегментов — структура, типичная для многих белков-переносчиков (12). Эти трансмембранные α-спирали содержат преимущественно гидрофобные аминокислоты, но некоторые из них также содержат полярные аминокислотные остатки, которые, как считается, образуют сайт связывания глюкозы внутри белка.

Рисунок 12.16

Структура переносчика глюкозы. Транспортер глюкозы имеет 12 трансмембранных α-спиралей. Полярные аминокислотные остатки, расположенные внутри фосфолипидного бислоя, обозначены темно-фиолетовыми кружками. (Адаптировано из G. I. Bell, C. F. Burant, J. Takeda (подробнее…)

Как и для многих мембранных белков, трехмерная структура транспортера глюкозы неизвестна, поэтому молекулярный механизм транспорта глюкозы остается открытым вопросом. Однако кинетические исследования показывают, что переносчик глюкозы функционирует путем чередования двух конформационных состояний (1). В первой конформации сайт связывания глюкозы обращен к внешней стороне клетки. Связывание глюкозы с этим внешним сайтом вызывает конформационные изменения в транспортер, так что сайт связывания глюкозы теперь обращен внутрь клетки. Затем глюкоза может высвобождаться в цитозоль, после чего транспортер возвращается к своей исходной конформации.

Рисунок 12.17

Модель облегченной диффузии глюкозы. Транспортер глюкозы чередуется между двумя конформациями, в которых сайт связывания глюкозы попеременно экспонируется снаружи и внутри клетки. В первой показанной конформации (A) глюкоза (подробнее…)

Большинство клеток, включая эритроциты, подвергаются воздействию внеклеточных концентраций глюкозы, которые выше, чем концентрации внутри клетки, поэтому облегченная диффузия приводит к чистому транспорту глюкозы внутрь . Как только глюкоза поглощается этими клетками, она быстро метаболизируется, поэтому внутриклеточные концентрации глюкозы остаются низкими, и глюкоза продолжает транспортироваться в клетку из внеклеточной жидкости. Однако, поскольку конформационные изменения переносчика глюкозы обратимы, глюкоза может транспортироваться в противоположном направлении, просто обращая шаги в . Такой обратный поток имеет место, например, в клетках печени, в которых синтезируется глюкоза и высвобождается в кровоток.

Ионные каналы

В отличие от белков-носителей, канальные белки просто образуют открытые поры в мембране, позволяя небольшим молекулам соответствующего размера и заряда свободно проходить через липидный бислой. Одна группа белков каналов, обсуждавшаяся ранее, — это порины, которые обеспечивают свободное прохождение ионов и небольших полярных молекул через наружные мембраны бактерий (см. ). Канальные белки также обеспечивают прохождение молекул между клетками, соединенными щелевыми контактами, которые обсуждаются далее в этой главе. Плазматические мембраны многих клеток также содержат белки водных каналов (аквапорины), через которые молекулы воды способны пересекать мембрану гораздо быстрее, чем они могут диффундировать через бислой фосфолипидов. Однако наиболее хорошо охарактеризованными белками каналов являются ионные каналы, которые опосредуют прохождение ионов через плазматические мембраны. Хотя ионные каналы присутствуют в мембранах всех клеток, они особенно хорошо изучены в нервах и мышцах, где их регулируемое открытие и закрытие отвечает за передачу электрических сигналов.

Три свойства ионных каналов лежат в основе их функции (). Во-первых, транспортировка по каналам чрезвычайно быстра. Более миллиона ионов в секунду проходят через открытые каналы — скорость потока примерно в тысячу раз превышает скорость транспорта белков-переносчиков. Во-вторых, ионные каналы обладают высокой селективностью, поскольку узкие поры в канале ограничивают прохождение ионов соответствующего размера и заряда. Таким образом, специфические белки каналов обеспечивают прохождение Na ⁺ , K ⁺ , Ca ²⁺ и Cl ^– через мембрану. В-третьих, большинство ионных каналов открыты не постоянно. Вместо этого открытие ионных каналов регулируется «воротами», которые кратковременно открываются в ответ на определенные раздражители. Некоторые каналы (называемые лиганд-зависимыми каналами ) открываются в ответ на связывание нейротрансмиттеров или других сигнальных молекул; другие ( потенциалзависимых канала ) открываются в ответ на изменения электрического потенциала на плазматической мембране.

Рисунок 12.18

Модель ионного канала. В закрытой конформации поток ионов блокируется воротами. Открытие ворот позволяет ионам быстро проходить через канал. Канал содержит узкую пору, которая ограничивает прохождение ионов соответствующего размера (подробнее…)

Фундаментальная роль ионных каналов в передаче электрических импульсов была выяснена в серии элегантных экспериментов, описанных Аланом Ходжкиным и Эндрю Хаксли. в 1952 году. Эти исследователи использовали в качестве модели гигантские нервные клетки кальмара. Аксоны этих гигантских нейронов имеют диаметр около 1 мм, что позволяет вводить электроды и измерять изменения мембранного потенциала, происходящие при передаче нервных импульсов. Используя этот подход, Ходжкин и Хаксли продемонстрировали, что эти изменения мембранного потенциала являются результатом регулируемого открытия и закрытия Na ⁺ и К ⁺ каналы в плазматической мембране. Впоследствии стало возможным изучать активность отдельных ионных каналов с помощью методики patch-clamp , разработанной Erwin Neher и Bert Sakmann в 1976 г. (). В этом методе микропипетка с диаметром наконечника около 1 мкм используется для выделения небольшого участка мембраны, что позволяет анализировать поток ионов через один канал и значительно повышает точность, с которой можно определить активность ионных каналов. учился.

Рисунок 12.19

Метод накладного зажима. На кончике микропипетки выделяют небольшой участок мембраны. Затем внутри пипетки можно применять стимулы, что позволяет измерить поведение захваченного канала. (Адаптировано из E. Neher and B. Sakmann, 1992. (подробнее…)

Поток ионов через мембранные каналы зависит от установления ионных градиентов через плазматическую мембрану. Все клетки, включая нервные и мышечные, содержат ионных насосов (обсуждается в следующем разделе), которые используют энергию, полученную в результате гидролиза АТФ, для активного транспорта ионов через плазматическую мембрану.В результате ионный состав цитоплазмы существенно отличается от внеклеточной жидкости ().Например, Na ⁺ активно выкачивается из клеток, а К ⁺ закачивается. Таким образом, в аксоне кальмара концентрация Na ⁺ примерно в 10 раз выше во внеклеточной жидкости, чем внутри клетки, тогда как концентрация К ⁺ примерно в 20 раз выше в цитозоле, чем в окружающей среде.

Таблица 12.1

Концентрации внеклеточных и внутриклеточных ионов.

Поскольку ионы электрически заряжены, их перенос приводит к возникновению электрического градиента на плазматической мембране. В покоящихся аксонах кальмара существует электрический потенциал около 60 мВ через плазматическую мембрану, при этом внутренняя часть клетки отрицательная по отношению к внешней (). Этот электрический потенциал возникает как от ионных насосов, так и от потока ионов через каналы, открытые в плазматической мембране покоящейся клетки. Плазматическая мембрана аксонов покоящегося кальмара содержит открытые K ⁺ , поэтому он более проницаем для K ⁺ , чем для Na ⁺ или других ионов. Следовательно, поток К ⁺ вносит наибольший вклад в мембранный потенциал покоя.

Рис. 12.20

Ионные градиенты и мембранный потенциал покоя аксона гигантского кальмара. Показаны только концентрации Na ⁺ и K ⁺ , поскольку именно эти ионы участвуют в передаче нервных импульсов. Na ⁺ выкачивается из клетки, а K ⁺ закачивается, (подробнее…)

Как обсуждалось в главе 10, поток ионов через мембрану управляется как концентрацией, так и компонентами напряжения электрохимического градиента. Например, концентрация K ⁺ внутри аксона кальмара в 20 раз выше, чем во внеклеточной жидкости, что приводит к выходу K ⁺ из клетки. Однако, поскольку K ⁺ заряжен положительно, этот выход K ⁺ из клетки генерирует электрический потенциал через мембрану, при этом внутренняя часть клетки становится отрицательно заряженной. Этот мембранный потенциал противостоит продолжающемуся потоку K ⁺ из клетки, и система приближается к равновесному состоянию, при котором мембранный потенциал уравновешивает градиент концентрации К ⁺ .

Количественно связь между концентрацией ионов и мембранным потенциалом определяется уравнением Нернста:

где В – равновесный потенциал в вольтах, R – газовая постоянная, T – абсолютная температура, z – заряд иона, F — постоянная Фарадея, а C _o и C _i — концентрации иона снаружи и внутри клетки соответственно. Равновесный потенциал существует отдельно для каждого иона, а мембранный потенциал определяется потоком всех ионов, пересекающих плазматическую мембрану. Однако, поскольку покоящиеся аксоны кальмаров более проницаемы для K ⁺ , чем для Na ⁺ или других ионов (включая Cl ^– ), мембранный потенциал покоя (-60 мВ) близок к равновесному потенциалу, определяемому внутриклеточным и внеклеточный K ⁺ концентрации (-75 мВ).

Когда нервные импульсы ( потенциалы действия ) проходят по аксонам, мембрана деполяризуется (). Мембранный потенциал изменяется от -60 мВ до примерно +30 мВ менее чем за миллисекунду, после чего снова становится отрицательным и возвращается к своему значению покоя. Эти изменения являются результатом быстрого последовательного открытия и закрытия потенциалзависимых каналов Na ⁺ и K ⁺ . Относительно небольшие начальные изменения мембранного потенциала (от -60 до примерно -40 мВ) приводят к быстрому открытию Na ⁺ канала. Это позволяет Na ⁺ поступать в клетку под действием как градиента его концентрации, так и мембранного потенциала. Внезапное поступление Na ⁺ приводит к сильному изменению мембранного потенциала, который увеличивается почти до +30 мВ, приближаясь к равновесному потенциалу Na ⁺ примерно +50 мВ. В это время каналы Na ⁺ инактивируются, а потенциалзависимые каналы K ⁺ открываются, существенно повышая проницаемость мембраны для K ⁺ . Затем K ⁺ быстро вытекает из клетки под действием как мембранного потенциала, так и градиента концентрации K ⁺ , что приводит к быстрому снижению мембранного потенциала примерно до -75 мВ (равновесный потенциал K ⁺ ). Затем потенциалзависимые каналы K ⁺ инактивируются, и мембранный потенциал возвращается к уровню покоя -60 мВ, определяемому потоком K ⁺ и других ионов через каналы, которые остаются открытыми в нестимулированных клетках.

Рис. 12.21

Мембранный потенциал и ионные каналы во время потенциала действия. (A) Изменения мембранного потенциала в одной точке гигантского аксона кальмара после стимула. E _Na и E _K – равновесные потенциалы Na ⁺ и K ⁺ соответственно. (B) Мембранный потенциал (подробнее…)

Деполяризация соседних областей плазматической мембраны позволяет потенциалам действия проходить по длине аксонов нервных клеток в виде электрических сигналов, что приводит к быстрой передаче нервных импульсов на большие расстояния. Например, аксоны двигательных нейронов человека могут иметь длину более метра. Прибытие потенциалов действия на окончание большинства нейронов сигнализирует о высвобождении нейротрансмиттеров, таких как ацетилхолин, которые передают сигналы между клетками в синапсах. Нейротрансмиттеры, высвобождаемые из пресинаптических клеток, связываются с рецепторами на мембранах постсинаптических клеток, где они действуют, открывая управляемые лигандом ионные каналы. Одним из наиболее хорошо охарактеризованных таких каналов является ацетилхолиновый рецептор мышечных клеток. Связывание ацетилхолина открывает канал, проницаемый как для Na ⁺ и К ⁺. Это обеспечивает быстрый приток Na ⁺ , который деполяризует мембрану мышечной клетки и запускает потенциал действия. Затем потенциал действия приводит к открытию потенциалзависимых каналов Ca ²⁺ , что приводит к увеличению внутриклеточного количества Ca ²⁺ , что сигнализирует о сокращении (see ).

Рисунок 12.22

Передача сигналов за счет высвобождения нейротрансмиттера в синапсе. Прибытие нервного импульса на окончание нейрона сигнализирует о слиянии синаптических пузырьков с плазматической мембраной, что приводит к высвобождению нейротрансмиттера из пресинаптической клетки в (далее. ..)

Ацетилхолиновый рецептор, первоначально выделенный из электрического органа скатов Torpedo в 1970-х годах, является прототипом лиганд-управляемых каналов. Рецептор состоит из пяти субъединиц, расположенных в виде цилиндра в мембране (). Считается, что в закрытом состоянии поры канала блокируются боковыми цепями гидрофобных аминокислот. Связывание ацетилхолина вызывает конформационные изменения в рецепторе, так что эти гидрофобные боковые цепи смещаются из канала, открывая пору, через которую проходят положительно заряженные ионы, включая Na ⁺ и К ⁺. Однако канал остается непроницаемым для отрицательно заряженных ионов, таких как Cl ^–, поскольку он выстлан отрицательно заряженными аминокислотами.

Рисунок 12.23

Модель рецептора ацетилхолина. Рецептор состоит из пяти субъединиц, расположенных вокруг центральной поры. Связывание ацетилхолина с участком во внеклеточной области рецептора вызывает аллостерические изменения, которые открывают ворота канала. Канал (подробнее…)

Большую степень ионной селективности проявляют потенциалзависимые каналы Na ⁺ и K ⁺ . Каналы Na ⁺ более чем в десять раз более проницаемы для Na ⁺ , чем для K ⁺ , тогда как каналы K ⁺ более чем в тысячу раз более проницаемы для K ⁺ , чем для Na ⁺ . Селективность канала Na ⁺ может быть объяснена, по крайней мере, частично, на основе узких пор, которые действуют как размерный фильтр. Ионный радиус Na ⁺ (0,95 Å) меньше, чем у K ⁺ (1,33 Å), и считается, что пора канала Na ⁺ достаточно узкая, чтобы препятствовать прохождению ионов K ⁺ или более крупных ( ).

Рисунок 12.24

Ионная селективность каналов Na ⁺ . Узкая пора позволяет проходить Na ⁺ , связанным с одной молекулой воды, но препятствует прохождению ионов K ⁺ или более крупных ионов.

K ⁺ каналы также имеют узкие поры, препятствующие прохождению более крупных ионов. Однако, поскольку Na ⁺ имеет меньший ионный радиус, это не объясняет избирательной проницаемости этих каналов для K ⁺ . Селективность канала K ⁺ основана на другом механизме, который был выяснен при определении трехмерной структуры канала K ⁺ с помощью рентгеновской кристаллографии в 1998 г. (). Пора канала содержит фильтр с узкой селективностью, выстланный атомами карбонильного кислорода (C=O) из основной цепи полипептида. Когда К 9Ион 0061 + поступает в фильтр селективности, взаимодействия с этими карбонильными атомами кислорода вытесняют молекулы воды, с которыми связан K ⁺ , позволяя обезвоженному K ⁺ проходить через поры. Напротив, обезвоженный Na ⁺ слишком мал, чтобы взаимодействовать с этими карбонильными атомами кислорода в селективном фильтре, который удерживается жестко открытым. Следовательно, Na ⁺ остается связанным с молекулами воды в гидратированном комплексе, который слишком велик, чтобы пройти через канал.

Рисунок 12.25

Избирательность каналов K ⁺ . Канал К ⁺ содержит фильтр узкой селективности, выстланный карбонильными атомами кислорода (С=О). Поры достаточно широки, чтобы обеспечить прохождение обезвоженного K ⁺ , из которого все связанные молекулы воды были вытеснены в виде (далее…)

Потенциалзависимых Na ⁺ , K ⁺ и Ca ²⁺ канала принадлежат к большому семейству родственных белков (2). Например, последовательность генома C. elegans выявил почти 200 генов, кодирующих ионные каналы, которые, по-видимому, необходимы, чтобы играть различные роли в клеточной передаче сигналов. Каналы K ⁺ состоят из четырех идентичных субъединиц, каждая из которых содержит две или шесть трансмембранных α-спиралей. Каналы Na ⁺ и Ca ²⁺ состоят из одной полипептидной цепи, но каждый полипептид содержит четыре повторяющихся домена, соответствующих субъединицам каналов K ⁺ . Запирание напряжения опосредовано одной из трансмембранных α-спиралей, которая содержит несколько положительно заряженных аминокислот. Мембранная деполяризация индуцирует перемещение этих положительных зарядов наружу клетки, сдвигая положение этого трансмембранного сегмента и открывая канал. Быстрая инактивация Na ⁺ и К ⁺ каналы при распространении потенциалов действия затем опосредованы цитоплазматическими участками полипептидной цепи, которые связываются с цитоплазматическим устьем поры канала и препятствуют дальнейшему току ионов ().

Рисунок 12.26

Структуры потенциалзависимых катионных каналов. Каналы K ⁺ , Na ⁺ и Ca ²⁺ принадлежат к семейству родственных белков. Канал К ⁺ образован объединением четырех идентичных субъединиц, одна из которых показана. На 9Канал 0061 + состоит из одного полипептида (подробнее…)

Рисунок 12.27

Инактивация каналов K ⁺ и Na ⁺ . После потенциалзависимого открытия каналы K ⁺ и Na ⁺ быстро инактивируются за счет связывания цитоплазматических частей полипептидных цепей с порой. Для канала K ⁺ инактивация опосредована шаровой цепью (подробнее…)

Широкий спектр ионных каналов (включая Ca ²⁺ и Cl ^– каналы) реагируют на разные нейротрансмиттеры или открываются и закрываются с разной кинетикой после деполяризации мембраны. Согласованные действия этих многочисленных каналов ответственны за сложность передачи сигналов в нервной системе. Более того, как будет показано в следующей главе, роль ионных каналов не ограничивается электрически возбудимыми нервными и мышечными клетками; они также играют важную роль в передаче сигналов в других типах клеток. Таким образом, регулируемое открытие и закрытие ионных каналов обеспечивает клетки чувствительным и универсальным механизмом реагирования на различные стимулы окружающей среды.

Активный транспорт, управляемый гидролизом АТФ

Чистый поток молекул за счет облегченной диффузии либо через белки-носители, либо через белки-каналы всегда энергетически направлен вниз в направлении, определяемом электрохимическими градиентами через мембрану. Однако во многих случаях клетка должна транспортировать молекулы против градиента их концентрации. При активном транспорте энергия, обеспечиваемая другой связанной реакцией (например, гидролизом АТФ), используется для перемещения молекул в гору в энергетически невыгодном направлении.

Ионные насосы, отвечающие за поддержание градиента ионов через плазматическую мембрану, являются важными примерами активного транспорта, управляемого непосредственно гидролизом АТФ. Как обсуждалось ранее (см.), концентрация Na ⁺ примерно в десять раз выше снаружи, чем внутри клеток, тогда как концентрация K ⁺ выше внутри, чем снаружи. Эти градиенты ионов поддерживаются насосом Na ⁺ -K ⁺ (также называемая Na ⁺ -K ⁺ АТФаза ), которая использует энергию, полученную в результате гидролиза АТФ, для транспорта Na ⁺ и K ⁺ против их электрохимических градиентов. Этот процесс является результатом конформационных изменений в помпе, вызванных АТФ. Во-первых, ионы Na ⁺ связываются с центрами высокого сродства внутри клетки. Это связывание стимулирует гидролиз АТФ и фосфорилирование помпы, вызывая конформационные изменения, которые обнажают Na ⁺ – связывает сайты снаружи клетки и снижает их сродство к Na ⁺ . Следовательно, связанный Na ⁺ высвобождается во внеклеточную жидкость. В то же время на клеточной поверхности экспонируются высокоаффинные сайты связывания К ⁺ -. Связывание внеклеточного K ⁺ с этими сайтами затем стимулирует гидролиз фосфатной группы, связанной с насосом, что вызывает второе конформационное изменение, открывая сайты связывания K ⁺ цитозолю и снижая их аффинность связывания, так что K ⁺ высвобождается внутри клетки. Насос имеет три сайта связывания для Na ⁺ и два для K ⁺ , поэтому каждый цикл переносит через плазматическую мембрану три Na ⁺ и два K ⁺ за счет одной молекулы АТФ.

Рисунок 12.28

Модель для работы насоса Na ⁺ -K ⁺ .

Важность помпы Na ⁺ -K ⁺ подтверждается тем фактом, что она потребляет почти 25% АТФ, используемого многими животными клетками. Одна из важнейших ролей Na ⁺ и К ⁺ градиенты, установленные насосом, — это распространение электрических сигналов в нерве и мышце. Как будет сказано ниже, градиент Na ⁺ , создаваемый помпой, также используется для обеспечения активного транспорта множества других молекул. Еще одна важная роль насоса Na ⁺ -K ⁺ в большинстве клеток животных заключается в поддержании осмотического баланса и объема клетки. Цитоплазма содержит высокую концентрацию органических молекул, включая макромолекулы, аминокислоты, сахара и нуклеотиды. В отсутствие противовеса это будет стимулировать поток воды внутрь за счет осмоса, что, если его не остановить, приведет к набуханию и, в конечном итоге, к разрыву клетки. Необходимый противовес обеспечивается градиентами ионов, установленными Na ⁺ -К ⁺ насос (). В частности, насос устанавливает более высокую концентрацию Na ⁺ снаружи, чем внутри клетки. Как уже обсуждалось, поток K ⁺ через открытые каналы дополнительно устанавливает электрический потенциал через плазматическую мембрану. Этот мембранный потенциал, в свою очередь, выталкивает Cl ^– из клетки, поэтому концентрация Cl ^– (как и Na ⁺ ) примерно в десять раз выше во внеклеточной жидкости, чем в цитоплазме. Эти различия в концентрациях ионов уравновешивают высокие концентрации органических молекул внутри клеток, выравнивая осмотическое давление и предотвращая чистый приток воды.

Рис. 12.29

Градиенты ионов через плазматическую мембрану типичной клетки млекопитающих. Концентрации Na ⁺ и Cl ^– выше снаружи, чем внутри клетки, тогда как концентрация К ⁺ выше внутри, чем снаружи. Низкие концентрации Na ⁺ и Cl ^– уравновешивают (подробнее…)

Активный транспорт Ca ²⁺ через плазматическую мембрану управляется насосом Ca ²⁺ , который структурно родственен до На ⁺ -K ⁺ насос и аналогичным образом питается от гидролиза АТФ. Насос Ca ²⁺ транспортирует Ca ²⁺ из клетки, поэтому внутриклеточные концентрации Ca ²⁺ чрезвычайно низки: приблизительно 0,1 мкМ, по сравнению с внеклеточными концентрациями около 1 м M . Эта низкая внутриклеточная концентрация Ca ²⁺ делает клетку чувствительной к небольшому увеличению внутриклеточного уровня Ca ²⁺ . Такое временное увеличение внутриклеточного Ca ²⁺ играют важную роль в клеточной передаче сигналов, как уже отмечалось в отношении мышечного сокращения (см. ) и обсуждается далее в следующей главе.

Аналогичные ионные насосы в плазматических мембранах бактерий, дрожжей и растительных клеток ответственны за активный транспорт H ⁺ из клетки. Кроме того, H ⁺ активно выкачиваются из клеток, выстилающих желудок, что приводит к повышению кислотности желудочного сока. Структурно различные помпы ответственны за активный транспорт H ⁺ на лизосомы и эндосомы (см.). Тем не менее, третий тип насоса H ⁺ иллюстрируется АТФ-синтазами митохондрий и хлоропластов: в этих случаях насосы можно рассматривать как работающие в обратном направлении, когда движение ионов по электрохимическому градиенту используется для управления синтезом АТФ.

Самое большое семейство мембранных транспортеров состоит из транспортеров ABC, названных так потому, что они характеризуются высококонсервативными АТФ-связывающими доменами или A TP- b inding c активы (). Как в прокариотических, так и в эукариотических клетках идентифицировано более сотни членов семейства. У бактерий транспортеры ABC используют энергию, полученную в результате гидролиза АТФ, для транспорта широкого спектра молекул, включая ионы, сахара и аминокислоты. В эукариотических клетках был обнаружен первый переносчик ABC как продукт гена (называемого геном множественной лекарственной устойчивости, или mdr ), который делает раковые клетки устойчивыми к различным лекарствам, используемым в химиотерапии. В настоящее время идентифицированы два переносчика MDR. Обычно они экспрессируются в различных клетках, где они удаляют потенциально токсичные чужеродные соединения. Например, экспрессия переносчика MDR в капиллярных эндотелиальных клетках головного мозга, по-видимому, играет важную роль в защите мозга от токсичных химических веществ. К сожалению, транспортеры MDR часто экспрессируются на высоких уровнях в раковых клетках, где они распознают различные лекарства и выкачивают их из клеток, тем самым делая раковые клетки устойчивыми к широкому спектру химиотерапевтических агентов и создавая серьезное препятствие для успешного лечения рака. .

Рисунок 12.30

Структура транспортера ABC. Базовая структурная единица транспортеров ABC состоит из шести трансмембранных доменов, за которыми следует АТФ-связывающая кассета. В транспортерах плазматической мембраны (таких как показанный транспортер MDR) две из этих единиц являются (подробнее…)

Еще одним важным с медицинской точки зрения членом семейства транспортеров ABC является ген, ответственный за муковисцидоз. Хотя он является членом семейства ABC, продукт этого гена (называемый регулятором трансмембранной проводимости при муковисцидозе, или CFTR) функционирует как Cl 9.0061- канал в эпителиальных клетках и дефектный транспорт Cl ^– характерны для заболевания. Канал CFTR Cl ^– также необычен тем, что для его открытия, по-видимому, требуется как гидролиз АТФ, так и зависимое от цАМФ фосфорилирование. Структурная основа функции CFTR как регулируемого ионного канала еще предстоит выяснить в ходе будущих исследований.

Активный транспорт, управляемый ионными градиентами

Ионные насосы и АВС-переносчики, рассмотренные в предыдущем разделе, используют энергию, полученную непосредственно в результате гидролиза АТФ, для транспортировки молекул против их электрохимических градиентов. Другие молекулы транспортируются против градиента их концентрации с использованием энергии, полученной не от гидролиза АТФ, а от связанного транспорта второй молекулы в энергетически выгодном направлении. На 9Градиент 0061 + , созданный насосом Na ⁺ -K ⁺ , обеспечивает источник энергии, который часто используется для обеспечения активного транспорта сахаров, аминокислот и ионов в клетках млекопитающих. Аналогичную роль играют градиенты H ⁺ , установленные насосами H ⁺ клеток бактерий, дрожжей и растений.

Эпителиальные клетки, выстилающие кишечник, представляют собой хороший пример активного транспорта, управляемого градиентом Na ⁺ . Эти клетки используют активные транспортные системы в апикальных областях своих плазматических мембран для захвата пищевых сахаров и аминокислот из просвета кишечника. Поглощение глюкозы, например, осуществляется транспортером, который координированно транспортирует два Na ⁺ и одна глюкоза в клетку (). Поток Na ⁺ по его электрохимическому градиенту обеспечивает энергию, необходимую для поглощения пищевой глюкозы и накопления высоких концентраций внутриклеточной глюкозы. Затем глюкоза высвобождается в подлежащую соединительную ткань (которая содержит кровеносные капилляры) на базолатеральной поверхности кишечного эпителия, где она транспортируется по градиенту концентрации за счет облегченной диффузии (12). Таким образом, поглощение глюкозы из просвета кишечника и ее высвобождение в кровоток является хорошим примером поляризованной функции эпителиальных клеток, которая является результатом специфической локализации активного транспорта и облегченной диффузии переносчиков в апикальный и базолатеральный домены плазматической мембраны. , соответственно.

Рис. 12.31

Активный транспорт глюкозы. Активный транспорт, управляемый градиентом Na ⁺ , отвечает за поглощение глюкозы из просвета кишечника. Транспортер координированно связывает и транспортирует в клетку одну глюкозу и две Na ⁺ . Транспорт Na ⁺ (подробнее…)

Рис. 12.32

Транспорт глюкозы эпителиальными клетками кишечника. Транспортер в апикальном домене плазматической мембраны отвечает за активное поглощение глюкозы (путем котранспорта с Na ⁺ ) из ​​просвета кишечника. В результате пищевая глюкоза поглощается и (подробнее…)

Координированное поглощение глюкозы и Na ⁺ является примером симпорта, транспорта двух молекул в одном направлении. Напротив, облегченная диффузия глюкозы является примером унипорта, транспорта только одной молекулы. Активный транспорт также может осуществляться антипортом, при котором две молекулы транспортируются в противоположных направлениях (1). Например, Са ²⁺ экспортируется из клеток не только насосом Ca ²⁺ , но и антипортером Na ⁺ -Ca ²⁺ , который транспортирует Na ⁺ в клетку и Ca ²⁺ наружу. Другим примером является обменный белок Na ⁺ -H ⁺ , который участвует в регуляции внутриклеточного pH. Антипортер Na ⁺ -H ⁺ связывает транспорт Na ⁺ в клетку с экспортом H ⁺ , тем самым удаляя избыток H ⁺ , образующиеся в результате метаболических реакций и препятствующие закислению цитоплазмы.

Рисунок 12.33

Примеры антипорта. Ca ²⁺ и H ⁺ экспортируются из клеток антипортерами, которые связывают их экспорт с энергетически выгодным импортом Na ⁺ .

Коробка

Молекулярная медицина: кистозный фиброз.

Транспорт малых молекул — клетка

Внутренний состав клетки сохраняется, поскольку плазматическая мембрана избирательно проницаема для малых молекул. Большинство биологических молекул не способны диффундировать через фосфолипидный бислой, поэтому плазматическая мембрана образует барьер, блокирующий свободный обмен молекул между цитоплазмой и внешней средой клетки. Специфические транспортные белки (белки-носители и белковые каналы) опосредуют избирательное прохождение малых молекул через мембрану, позволяя клетке контролировать состав своей цитоплазмы.

Пассивная диффузия

Простейший механизм пересечения молекулами плазматической мембраны — пассивная диффузия. Во время пассивной диффузии молекула просто растворяется в бислое фосфолипидов, диффундирует через него, а затем растворяется в водном растворе на другой стороне мембраны. Никакие мембранные белки не участвуют, и направление транспорта определяется просто относительными концентрациями молекулы внутри и снаружи клетки. Чистый поток молекул всегда направлен вниз по градиенту их концентрации — из отсека с высокой концентрацией в отсек с более низкой концентрацией молекулы.

Таким образом, пассивная диффузия представляет собой неселективный процесс, при котором любая молекула, способная растворяться в двойном слое фосфолипидов, способна пересекать плазматическую мембрану и уравновешиваться между внутренней и внешней частью клетки. Важно отметить, что только небольшие, относительно гидрофобные молекулы способны диффундировать через бислой фосфолипидов со значительной скоростью. Так, газы (такие как O ₂ и CO ₂ ), гидрофобные молекулы (такие как бензол) и небольшие полярные, но незаряженные молекулы (такие как H ₂ O и этанол) способны диффундировать через плазматическую мембрану. Однако другие биологические молекулы не способны растворяться в гидрофобной внутренней части двойного слоя фосфолипидов. Следовательно, более крупные незаряженные полярные молекулы, такие как глюкоза, не могут пересечь плазматическую мембрану путем пассивной диффузии, как и заряженные молекулы любого размера (включая небольшие ионы, такие как H ⁺ , Na ⁺ , K ⁺ и Cl). ^– ). Прохождение этих молекул через мембрану вместо этого требует активности специфических транспортных и канальных белков, которые, таким образом, контролируют движение большинства биологических молекул в клетку и из нее.

Рисунок 12.15

Проницаемость фосфолипидных бислоев. Газы, гидрофобные молекулы и небольшие полярные незаряженные молекулы могут диффундировать через бислои фосфолипидов. Более крупные полярные молекулы и заряженные молекулы не могут.

Облегченная диффузия и белки-носители

Облегченная диффузия, как и пассивная, включает движение молекул в направлении, определяемом их относительными концентрациями внутри и снаружи клетки. Никакого внешнего источника энергии не предусмотрено, поэтому молекулы движутся через мембрану в направлении, определяемом их градиентами концентрации и, в случае заряженных молекул, электрическим потенциалом на мембране. Однако облегченная диффузия отличается от пассивной диффузии тем, что транспортируемые молекулы не растворяются в двойном слое фосфолипидов. Вместо этого их прохождение опосредуется белками, которые позволяют транспортируемым молекулам пересекать мембрану, не взаимодействуя непосредственно с ее гидрофобной внутренней частью. Таким образом, облегченная диффузия позволяет полярным и заряженным молекулам, таким как углеводы, аминокислоты, нуклеозиды и ионы, пересекать плазматическую мембрану.

Обычно различают два класса белков, которые опосредуют облегченную диффузию: белки-носители и белки-каналы. Белки-переносчики связывают определенные молекулы для транспортировки на одной стороне мембраны. Затем они претерпевают конформационные изменения, которые позволяют молекуле пройти через мембрану и выйти на другую сторону. Напротив, канальные белки (см. следующий раздел) образуют открытые поры через мембрану, обеспечивая свободную диффузию любой молекулы соответствующего размера и заряда.

Белки-носители отвечают за облегченную диффузию сахаров, аминокислот и нуклеозидов через плазматические мембраны большинства клеток. Поглощение глюкозы, которая служит основным источником метаболической энергии, является одной из наиболее важных транспортных функций плазматической мембраны, а транспортер глюкозы является хорошо изученным примером белка-переносчика. Транспортер глюкозы первоначально был идентифицирован как белок массой 55 кД в эритроцитах человека, в которых он составляет примерно 5% от общего белка мембраны. Последующее выделение и анализ последовательности клона кДНК выявили, что переносчик глюкозы имеет 12 α-спиральных трансмембранных сегментов — структура, типичная для многих белков-переносчиков (12). Эти трансмембранные α-спирали содержат преимущественно гидрофобные аминокислоты, но некоторые из них также содержат полярные аминокислотные остатки, которые, как считается, образуют сайт связывания глюкозы внутри белка.

Рисунок 12.16

Структура переносчика глюкозы. Транспортер глюкозы имеет 12 трансмембранных α-спиралей. Полярные аминокислотные остатки, расположенные внутри фосфолипидного бислоя, обозначены темно-фиолетовыми кружками. (Адаптировано из G. I. Bell, C. F. Burant, J. Takeda (подробнее…)

Как и для многих мембранных белков, трехмерная структура транспортера глюкозы неизвестна, поэтому молекулярный механизм транспорта глюкозы остается открытым вопросом. Однако кинетические исследования показывают, что переносчик глюкозы функционирует путем чередования двух конформационных состояний (1). В первой конформации сайт связывания глюкозы обращен к внешней стороне клетки. Связывание глюкозы с этим внешним сайтом вызывает конформационные изменения в транспортер, так что сайт связывания глюкозы теперь обращен внутрь клетки. Затем глюкоза может высвобождаться в цитозоль, после чего транспортер возвращается к своей исходной конформации.

Рисунок 12.17

Модель облегченной диффузии глюкозы. Транспортер глюкозы чередуется между двумя конформациями, в которых сайт связывания глюкозы попеременно экспонируется снаружи и внутри клетки. В первой показанной конформации (A) глюкоза (подробнее…)

Большинство клеток, включая эритроциты, подвергаются воздействию внеклеточных концентраций глюкозы, которые выше, чем концентрации внутри клетки, поэтому облегченная диффузия приводит к чистому транспорту глюкозы внутрь . Как только глюкоза поглощается этими клетками, она быстро метаболизируется, поэтому внутриклеточные концентрации глюкозы остаются низкими, и глюкоза продолжает транспортироваться в клетку из внеклеточной жидкости. Однако, поскольку конформационные изменения переносчика глюкозы обратимы, глюкоза может транспортироваться в противоположном направлении, просто обращая шаги в . Такой обратный поток имеет место, например, в клетках печени, в которых синтезируется глюкоза и высвобождается в кровоток.

Ионные каналы

В отличие от белков-носителей, канальные белки просто образуют открытые поры в мембране, позволяя небольшим молекулам соответствующего размера и заряда свободно проходить через липидный бислой. Одна группа белков каналов, обсуждавшаяся ранее, — это порины, которые обеспечивают свободное прохождение ионов и небольших полярных молекул через наружные мембраны бактерий (см. ). Канальные белки также обеспечивают прохождение молекул между клетками, соединенными щелевыми контактами, которые обсуждаются далее в этой главе. Плазматические мембраны многих клеток также содержат белки водных каналов (аквапорины), через которые молекулы воды способны пересекать мембрану гораздо быстрее, чем они могут диффундировать через бислой фосфолипидов. Однако наиболее хорошо охарактеризованными белками каналов являются ионные каналы, которые опосредуют прохождение ионов через плазматические мембраны. Хотя ионные каналы присутствуют в мембранах всех клеток, они особенно хорошо изучены в нервах и мышцах, где их регулируемое открытие и закрытие отвечает за передачу электрических сигналов.

Три свойства ионных каналов лежат в основе их функции (). Во-первых, транспортировка по каналам чрезвычайно быстра. Более миллиона ионов в секунду проходят через открытые каналы — скорость потока примерно в тысячу раз превышает скорость транспорта белков-переносчиков. Во-вторых, ионные каналы обладают высокой селективностью, поскольку узкие поры в канале ограничивают прохождение ионов соответствующего размера и заряда. Таким образом, специфические белки каналов обеспечивают прохождение Na ⁺ , K ⁺ , Ca ²⁺ и Cl ^– через мембрану. В-третьих, большинство ионных каналов открыты не постоянно. Вместо этого открытие ионных каналов регулируется «воротами», которые кратковременно открываются в ответ на определенные раздражители. Некоторые каналы (называемые лиганд-зависимыми каналами ) открываются в ответ на связывание нейротрансмиттеров или других сигнальных молекул; другие ( потенциалзависимых канала ) открываются в ответ на изменения электрического потенциала на плазматической мембране.

Рисунок 12.18

Модель ионного канала. В закрытой конформации поток ионов блокируется воротами. Открытие ворот позволяет ионам быстро проходить через канал. Канал содержит узкую пору, которая ограничивает прохождение ионов соответствующего размера (подробнее…)

Фундаментальная роль ионных каналов в передаче электрических импульсов была выяснена в серии элегантных экспериментов, описанных Аланом Ходжкиным и Эндрю Хаксли. в 1952 году. Эти исследователи использовали в качестве модели гигантские нервные клетки кальмара. Аксоны этих гигантских нейронов имеют диаметр около 1 мм, что позволяет вводить электроды и измерять изменения мембранного потенциала, происходящие при передаче нервных импульсов. Используя этот подход, Ходжкин и Хаксли продемонстрировали, что эти изменения мембранного потенциала являются результатом регулируемого открытия и закрытия Na ⁺ и К ⁺ каналы в плазматической мембране. Впоследствии стало возможным изучать активность отдельных ионных каналов с помощью методики patch-clamp , разработанной Erwin Neher и Bert Sakmann в 1976 г. (). В этом методе микропипетка с диаметром наконечника около 1 мкм используется для выделения небольшого участка мембраны, что позволяет анализировать поток ионов через один канал и значительно повышает точность, с которой можно определить активность ионных каналов. учился.

Рисунок 12.19

Метод накладного зажима. На кончике микропипетки выделяют небольшой участок мембраны. Затем внутри пипетки можно применять стимулы, что позволяет измерить поведение захваченного канала. (Адаптировано из E. Neher and B. Sakmann, 1992. (подробнее…)

Поток ионов через мембранные каналы зависит от установления ионных градиентов через плазматическую мембрану. Все клетки, включая нервные и мышечные, содержат ионных насосов (обсуждается в следующем разделе), которые используют энергию, полученную в результате гидролиза АТФ, для активного транспорта ионов через плазматическую мембрану.В результате ионный состав цитоплазмы существенно отличается от внеклеточной жидкости ().Например, Na ⁺ активно выкачивается из клеток, а К ⁺ закачивается. Таким образом, в аксоне кальмара концентрация Na ⁺ примерно в 10 раз выше во внеклеточной жидкости, чем внутри клетки, тогда как концентрация К ⁺ примерно в 20 раз выше в цитозоле, чем в окружающей среде.

Таблица 12.1

Концентрации внеклеточных и внутриклеточных ионов.

Поскольку ионы электрически заряжены, их перенос приводит к возникновению электрического градиента на плазматической мембране. В покоящихся аксонах кальмара существует электрический потенциал около 60 мВ через плазматическую мембрану, при этом внутренняя часть клетки отрицательная по отношению к внешней (). Этот электрический потенциал возникает как от ионных насосов, так и от потока ионов через каналы, открытые в плазматической мембране покоящейся клетки. Плазматическая мембрана аксонов покоящегося кальмара содержит открытые K ⁺ , поэтому он более проницаем для K ⁺ , чем для Na ⁺ или других ионов. Следовательно, поток К ⁺ вносит наибольший вклад в мембранный потенциал покоя.

Рис. 12.20

Ионные градиенты и мембранный потенциал покоя аксона гигантского кальмара. Показаны только концентрации Na ⁺ и K ⁺ , поскольку именно эти ионы участвуют в передаче нервных импульсов. Na ⁺ выкачивается из клетки, а K ⁺ закачивается, (подробнее…)

Как обсуждалось в главе 10, поток ионов через мембрану управляется как концентрацией, так и компонентами напряжения электрохимического градиента. Например, концентрация K ⁺ внутри аксона кальмара в 20 раз выше, чем во внеклеточной жидкости, что приводит к выходу K ⁺ из клетки. Однако, поскольку K ⁺ заряжен положительно, этот выход K ⁺ из клетки генерирует электрический потенциал через мембрану, при этом внутренняя часть клетки становится отрицательно заряженной. Этот мембранный потенциал противостоит продолжающемуся потоку K ⁺ из клетки, и система приближается к равновесному состоянию, при котором мембранный потенциал уравновешивает градиент концентрации К ⁺ .

Количественно связь между концентрацией ионов и мембранным потенциалом определяется уравнением Нернста:

где В – равновесный потенциал в вольтах, R – газовая постоянная, T – абсолютная температура, z – заряд иона, F — постоянная Фарадея, а C _o и C _i — концентрации иона снаружи и внутри клетки соответственно. Равновесный потенциал существует отдельно для каждого иона, а мембранный потенциал определяется потоком всех ионов, пересекающих плазматическую мембрану. Однако, поскольку покоящиеся аксоны кальмаров более проницаемы для K ⁺ , чем для Na ⁺ или других ионов (включая Cl ^– ), мембранный потенциал покоя (-60 мВ) близок к равновесному потенциалу, определяемому внутриклеточным и внеклеточный K ⁺ концентрации (-75 мВ).

Когда нервные импульсы ( потенциалы действия ) проходят по аксонам, мембрана деполяризуется (). Мембранный потенциал изменяется от -60 мВ до примерно +30 мВ менее чем за миллисекунду, после чего снова становится отрицательным и возвращается к своему значению покоя. Эти изменения являются результатом быстрого последовательного открытия и закрытия потенциалзависимых каналов Na ⁺ и K ⁺ . Относительно небольшие начальные изменения мембранного потенциала (от -60 до примерно -40 мВ) приводят к быстрому открытию Na ⁺ канала. Это позволяет Na ⁺ поступать в клетку под действием как градиента его концентрации, так и мембранного потенциала. Внезапное поступление Na ⁺ приводит к сильному изменению мембранного потенциала, который увеличивается почти до +30 мВ, приближаясь к равновесному потенциалу Na ⁺ примерно +50 мВ. В это время каналы Na ⁺ инактивируются, а потенциалзависимые каналы K ⁺ открываются, существенно повышая проницаемость мембраны для K ⁺ . Затем K ⁺ быстро вытекает из клетки под действием как мембранного потенциала, так и градиента концентрации K ⁺ , что приводит к быстрому снижению мембранного потенциала примерно до -75 мВ (равновесный потенциал K ⁺ ). Затем потенциалзависимые каналы K ⁺ инактивируются, и мембранный потенциал возвращается к уровню покоя -60 мВ, определяемому потоком K ⁺ и других ионов через каналы, которые остаются открытыми в нестимулированных клетках.

Рис. 12.21

Мембранный потенциал и ионные каналы во время потенциала действия. (A) Изменения мембранного потенциала в одной точке гигантского аксона кальмара после стимула. E _Na и E _K – равновесные потенциалы Na ⁺ и K ⁺ соответственно. (B) Мембранный потенциал (подробнее…)

Деполяризация соседних областей плазматической мембраны позволяет потенциалам действия проходить по длине аксонов нервных клеток в виде электрических сигналов, что приводит к быстрой передаче нервных импульсов на большие расстояния. Например, аксоны двигательных нейронов человека могут иметь длину более метра. Прибытие потенциалов действия на окончание большинства нейронов сигнализирует о высвобождении нейротрансмиттеров, таких как ацетилхолин, которые передают сигналы между клетками в синапсах. Нейротрансмиттеры, высвобождаемые из пресинаптических клеток, связываются с рецепторами на мембранах постсинаптических клеток, где они действуют, открывая управляемые лигандом ионные каналы. Одним из наиболее хорошо охарактеризованных таких каналов является ацетилхолиновый рецептор мышечных клеток. Связывание ацетилхолина открывает канал, проницаемый как для Na ⁺ и К ⁺. Это обеспечивает быстрый приток Na ⁺ , который деполяризует мембрану мышечной клетки и запускает потенциал действия. Затем потенциал действия приводит к открытию потенциалзависимых каналов Ca ²⁺ , что приводит к увеличению внутриклеточного количества Ca ²⁺ , что сигнализирует о сокращении (see ).

Рисунок 12.22

Передача сигналов за счет высвобождения нейротрансмиттера в синапсе. Прибытие нервного импульса на окончание нейрона сигнализирует о слиянии синаптических пузырьков с плазматической мембраной, что приводит к высвобождению нейротрансмиттера из пресинаптической клетки в (далее. ..)

Ацетилхолиновый рецептор, первоначально выделенный из электрического органа скатов Torpedo в 1970-х годах, является прототипом лиганд-управляемых каналов. Рецептор состоит из пяти субъединиц, расположенных в виде цилиндра в мембране (). Считается, что в закрытом состоянии поры канала блокируются боковыми цепями гидрофобных аминокислот. Связывание ацетилхолина вызывает конформационные изменения в рецепторе, так что эти гидрофобные боковые цепи смещаются из канала, открывая пору, через которую проходят положительно заряженные ионы, включая Na ⁺ и К ⁺. Однако канал остается непроницаемым для отрицательно заряженных ионов, таких как Cl ^–, поскольку он выстлан отрицательно заряженными аминокислотами.

Рисунок 12.23

Модель рецептора ацетилхолина. Рецептор состоит из пяти субъединиц, расположенных вокруг центральной поры. Связывание ацетилхолина с участком во внеклеточной области рецептора вызывает аллостерические изменения, которые открывают ворота канала. Канал (подробнее…)

Большую степень ионной селективности проявляют потенциалзависимые каналы Na ⁺ и K ⁺ . Каналы Na ⁺ более чем в десять раз более проницаемы для Na ⁺ , чем для K ⁺ , тогда как каналы K ⁺ более чем в тысячу раз более проницаемы для K ⁺ , чем для Na ⁺ . Селективность канала Na ⁺ может быть объяснена, по крайней мере, частично, на основе узких пор, которые действуют как размерный фильтр. Ионный радиус Na ⁺ (0,95 Å) меньше, чем у K ⁺ (1,33 Å), и считается, что пора канала Na ⁺ достаточно узкая, чтобы препятствовать прохождению ионов K ⁺ или более крупных ( ).

Рисунок 12.24

Ионная селективность каналов Na ⁺ . Узкая пора позволяет проходить Na ⁺ , связанным с одной молекулой воды, но препятствует прохождению ионов K ⁺ или более крупных ионов.

K ⁺ каналы также имеют узкие поры, препятствующие прохождению более крупных ионов. Однако, поскольку Na ⁺ имеет меньший ионный радиус, это не объясняет избирательной проницаемости этих каналов для K ⁺ . Селективность канала K ⁺ основана на другом механизме, который был выяснен при определении трехмерной структуры канала K ⁺ с помощью рентгеновской кристаллографии в 1998 г. (). Пора канала содержит фильтр с узкой селективностью, выстланный атомами карбонильного кислорода (C=O) из основной цепи полипептида. Когда К 9Ион 0061 + поступает в фильтр селективности, взаимодействия с этими карбонильными атомами кислорода вытесняют молекулы воды, с которыми связан K ⁺ , позволяя обезвоженному K ⁺ проходить через поры. Напротив, обезвоженный Na ⁺ слишком мал, чтобы взаимодействовать с этими карбонильными атомами кислорода в селективном фильтре, который удерживается жестко открытым. Следовательно, Na ⁺ остается связанным с молекулами воды в гидратированном комплексе, который слишком велик, чтобы пройти через канал.

Рисунок 12.25

Избирательность каналов K ⁺ . Канал К ⁺ содержит фильтр узкой селективности, выстланный карбонильными атомами кислорода (С=О). Поры достаточно широки, чтобы обеспечить прохождение обезвоженного K ⁺ , из которого все связанные молекулы воды были вытеснены в виде (далее…)

Потенциалзависимых Na ⁺ , K ⁺ и Ca ²⁺ канала принадлежат к большому семейству родственных белков (2). Например, последовательность генома C. elegans выявил почти 200 генов, кодирующих ионные каналы, которые, по-видимому, необходимы, чтобы играть различные роли в клеточной передаче сигналов. Каналы K ⁺ состоят из четырех идентичных субъединиц, каждая из которых содержит две или шесть трансмембранных α-спиралей. Каналы Na ⁺ и Ca ²⁺ состоят из одной полипептидной цепи, но каждый полипептид содержит четыре повторяющихся домена, соответствующих субъединицам каналов K ⁺ . Запирание напряжения опосредовано одной из трансмембранных α-спиралей, которая содержит несколько положительно заряженных аминокислот. Мембранная деполяризация индуцирует перемещение этих положительных зарядов наружу клетки, сдвигая положение этого трансмембранного сегмента и открывая канал. Быстрая инактивация Na ⁺ и К ⁺ каналы при распространении потенциалов действия затем опосредованы цитоплазматическими участками полипептидной цепи, которые связываются с цитоплазматическим устьем поры канала и препятствуют дальнейшему току ионов ().

Рисунок 12.26

Структуры потенциалзависимых катионных каналов. Каналы K ⁺ , Na ⁺ и Ca ²⁺ принадлежат к семейству родственных белков. Канал К ⁺ образован объединением четырех идентичных субъединиц, одна из которых показана. На 9Канал 0061 + состоит из одного полипептида (подробнее…)

Рисунок 12.27

Инактивация каналов K ⁺ и Na ⁺ . После потенциалзависимого открытия каналы K ⁺ и Na ⁺ быстро инактивируются за счет связывания цитоплазматических частей полипептидных цепей с порой. Для канала K ⁺ инактивация опосредована шаровой цепью (подробнее…)

Широкий спектр ионных каналов (включая Ca ²⁺ и Cl ^– каналы) реагируют на разные нейротрансмиттеры или открываются и закрываются с разной кинетикой после деполяризации мембраны. Согласованные действия этих многочисленных каналов ответственны за сложность передачи сигналов в нервной системе. Более того, как будет показано в следующей главе, роль ионных каналов не ограничивается электрически возбудимыми нервными и мышечными клетками; они также играют важную роль в передаче сигналов в других типах клеток. Таким образом, регулируемое открытие и закрытие ионных каналов обеспечивает клетки чувствительным и универсальным механизмом реагирования на различные стимулы окружающей среды.

Активный транспорт, управляемый гидролизом АТФ

Чистый поток молекул за счет облегченной диффузии либо через белки-носители, либо через белки-каналы всегда энергетически направлен вниз в направлении, определяемом электрохимическими градиентами через мембрану. Однако во многих случаях клетка должна транспортировать молекулы против градиента их концентрации. При активном транспорте энергия, обеспечиваемая другой связанной реакцией (например, гидролизом АТФ), используется для перемещения молекул в гору в энергетически невыгодном направлении.

Ионные насосы, отвечающие за поддержание градиента ионов через плазматическую мембрану, являются важными примерами активного транспорта, управляемого непосредственно гидролизом АТФ. Как обсуждалось ранее (см.), концентрация Na ⁺ примерно в десять раз выше снаружи, чем внутри клеток, тогда как концентрация K ⁺ выше внутри, чем снаружи. Эти градиенты ионов поддерживаются насосом Na ⁺ -K ⁺ (также называемая Na ⁺ -K ⁺ АТФаза ), которая использует энергию, полученную в результате гидролиза АТФ, для транспорта Na ⁺ и K ⁺ против их электрохимических градиентов. Этот процесс является результатом конформационных изменений в помпе, вызванных АТФ. Во-первых, ионы Na ⁺ связываются с центрами высокого сродства внутри клетки. Это связывание стимулирует гидролиз АТФ и фосфорилирование помпы, вызывая конформационные изменения, которые обнажают Na ⁺ – связывает сайты снаружи клетки и снижает их сродство к Na ⁺ . Следовательно, связанный Na ⁺ высвобождается во внеклеточную жидкость. В то же время на клеточной поверхности экспонируются высокоаффинные сайты связывания К ⁺ -. Связывание внеклеточного K ⁺ с этими сайтами затем стимулирует гидролиз фосфатной группы, связанной с насосом, что вызывает второе конформационное изменение, открывая сайты связывания K ⁺ цитозолю и снижая их аффинность связывания, так что K ⁺ высвобождается внутри клетки. Насос имеет три сайта связывания для Na ⁺ и два для K ⁺ , поэтому каждый цикл переносит через плазматическую мембрану три Na ⁺ и два K ⁺ за счет одной молекулы АТФ.

Рисунок 12.28

Модель для работы насоса Na ⁺ -K ⁺ .

Важность помпы Na ⁺ -K ⁺ подтверждается тем фактом, что она потребляет почти 25% АТФ, используемого многими животными клетками. Одна из важнейших ролей Na ⁺ и К ⁺ градиенты, установленные насосом, — это распространение электрических сигналов в нерве и мышце. Как будет сказано ниже, градиент Na ⁺ , создаваемый помпой, также используется для обеспечения активного транспорта множества других молекул. Еще одна важная роль насоса Na ⁺ -K ⁺ в большинстве клеток животных заключается в поддержании осмотического баланса и объема клетки. Цитоплазма содержит высокую концентрацию органических молекул, включая макромолекулы, аминокислоты, сахара и нуклеотиды. В отсутствие противовеса это будет стимулировать поток воды внутрь за счет осмоса, что, если его не остановить, приведет к набуханию и, в конечном итоге, к разрыву клетки. Необходимый противовес обеспечивается градиентами ионов, установленными Na ⁺ -К ⁺ насос (). В частности, насос устанавливает более высокую концентрацию Na ⁺ снаружи, чем внутри клетки. Как уже обсуждалось, поток K ⁺ через открытые каналы дополнительно устанавливает электрический потенциал через плазматическую мембрану. Этот мембранный потенциал, в свою очередь, выталкивает Cl ^– из клетки, поэтому концентрация Cl ^– (как и Na ⁺ ) примерно в десять раз выше во внеклеточной жидкости, чем в цитоплазме. Эти различия в концентрациях ионов уравновешивают высокие концентрации органических молекул внутри клеток, выравнивая осмотическое давление и предотвращая чистый приток воды.

Рис. 12.29

Градиенты ионов через плазматическую мембрану типичной клетки млекопитающих. Концентрации Na ⁺ и Cl ^– выше снаружи, чем внутри клетки, тогда как концентрация К ⁺ выше внутри, чем снаружи. Низкие концентрации Na ⁺ и Cl ^– уравновешивают (подробнее…)

Активный транспорт Ca ²⁺ через плазматическую мембрану управляется насосом Ca ²⁺ , который структурно родственен до На ⁺ -K ⁺ насос и аналогичным образом питается от гидролиза АТФ. Насос Ca ²⁺ транспортирует Ca ²⁺ из клетки, поэтому внутриклеточные концентрации Ca ²⁺ чрезвычайно низки: приблизительно 0,1 мкМ, по сравнению с внеклеточными концентрациями около 1 м M . Эта низкая внутриклеточная концентрация Ca ²⁺ делает клетку чувствительной к небольшому увеличению внутриклеточного уровня Ca ²⁺ . Такое временное увеличение внутриклеточного Ca ²⁺ играют важную роль в клеточной передаче сигналов, как уже отмечалось в отношении мышечного сокращения (см. ) и обсуждается далее в следующей главе.

Аналогичные ионные насосы в плазматических мембранах бактерий, дрожжей и растительных клеток ответственны за активный транспорт H ⁺ из клетки. Кроме того, H ⁺ активно выкачиваются из клеток, выстилающих желудок, что приводит к повышению кислотности желудочного сока. Структурно различные помпы ответственны за активный транспорт H ⁺ на лизосомы и эндосомы (см.). Тем не менее, третий тип насоса H ⁺ иллюстрируется АТФ-синтазами митохондрий и хлоропластов: в этих случаях насосы можно рассматривать как работающие в обратном направлении, когда движение ионов по электрохимическому градиенту используется для управления синтезом АТФ.

Самое большое семейство мембранных транспортеров состоит из транспортеров ABC, названных так потому, что они характеризуются высококонсервативными АТФ-связывающими доменами или A TP- b inding c активы (). Как в прокариотических, так и в эукариотических клетках идентифицировано более сотни членов семейства. У бактерий транспортеры ABC используют энергию, полученную в результате гидролиза АТФ, для транспорта широкого спектра молекул, включая ионы, сахара и аминокислоты. В эукариотических клетках был обнаружен первый переносчик ABC как продукт гена (называемого геном множественной лекарственной устойчивости, или mdr ), который делает раковые клетки устойчивыми к различным лекарствам, используемым в химиотерапии. В настоящее время идентифицированы два переносчика MDR. Обычно они экспрессируются в различных клетках, где они удаляют потенциально токсичные чужеродные соединения. Например, экспрессия переносчика MDR в капиллярных эндотелиальных клетках головного мозга, по-видимому, играет важную роль в защите мозга от токсичных химических веществ. К сожалению, транспортеры MDR часто экспрессируются на высоких уровнях в раковых клетках, где они распознают различные лекарства и выкачивают их из клеток, тем самым делая раковые клетки устойчивыми к широкому спектру химиотерапевтических агентов и создавая серьезное препятствие для успешного лечения рака. .

Рисунок 12.30

Структура транспортера ABC. Базовая структурная единица транспортеров ABC состоит из шести трансмембранных доменов, за которыми следует АТФ-связывающая кассета. В транспортерах плазматической мембраны (таких как показанный транспортер MDR) две из этих единиц являются (подробнее…)

Еще одним важным с медицинской точки зрения членом семейства транспортеров ABC является ген, ответственный за муковисцидоз. Хотя он является членом семейства ABC, продукт этого гена (называемый регулятором трансмембранной проводимости при муковисцидозе, или CFTR) функционирует как Cl 9.0061- канал в эпителиальных клетках и дефектный транспорт Cl ^– характерны для заболевания. Канал CFTR Cl ^– также необычен тем, что для его открытия, по-видимому, требуется как гидролиз АТФ, так и зависимое от цАМФ фосфорилирование. Структурная основа функции CFTR как регулируемого ионного канала еще предстоит выяснить в ходе будущих исследований.

Активный транспорт, управляемый ионными градиентами

Ионные насосы и АВС-переносчики, рассмотренные в предыдущем разделе, используют энергию, полученную непосредственно в результате гидролиза АТФ, для транспортировки молекул против их электрохимических градиентов. Другие молекулы транспортируются против градиента их концентрации с использованием энергии, полученной не от гидролиза АТФ, а от связанного транспорта второй молекулы в энергетически выгодном направлении. На 9Градиент 0061 + , созданный насосом Na ⁺ -K ⁺ , обеспечивает источник энергии, который часто используется для обеспечения активного транспорта сахаров, аминокислот и ионов в клетках млекопитающих. Аналогичную роль играют градиенты H ⁺ , установленные насосами H ⁺ клеток бактерий, дрожжей и растений.

Эпителиальные клетки, выстилающие кишечник, представляют собой хороший пример активного транспорта, управляемого градиентом Na ⁺ . Эти клетки используют активные транспортные системы в апикальных областях своих плазматических мембран для захвата пищевых сахаров и аминокислот из просвета кишечника. Поглощение глюкозы, например, осуществляется транспортером, который координированно транспортирует два Na ⁺ и одна глюкоза в клетку (). Поток Na ⁺ по его электрохимическому градиенту обеспечивает энергию, необходимую для поглощения пищевой глюкозы и накопления высоких концентраций внутриклеточной глюкозы. Затем глюкоза высвобождается в подлежащую соединительную ткань (которая содержит кровеносные капилляры) на базолатеральной поверхности кишечного эпителия, где она транспортируется по градиенту концентрации за счет облегченной диффузии (12). Таким образом, поглощение глюкозы из просвета кишечника и ее высвобождение в кровоток является хорошим примером поляризованной функции эпителиальных клеток, которая является результатом специфической локализации активного транспорта и облегченной диффузии переносчиков в апикальный и базолатеральный домены плазматической мембраны. , соответственно.

Рис. 12.31

Активный транспорт глюкозы. Активный транспорт, управляемый градиентом Na ⁺ , отвечает за поглощение глюкозы из просвета кишечника. Транспортер координированно связывает и транспортирует в клетку одну глюкозу и две Na ⁺ . Транспорт Na ⁺ (подробнее…)

Рис. 12.32

Транспорт глюкозы эпителиальными клетками кишечника. Транспортер в апикальном домене плазматической мембраны отвечает за активное поглощение глюкозы (путем котранспорта с Na ⁺ ) из ​​просвета кишечника. В результате пищевая глюкоза поглощается и (подробнее…)

Координированное поглощение глюкозы и Na ⁺ является примером симпорта, транспорта двух молекул в одном направлении. Напротив, облегченная диффузия глюкозы является примером унипорта, транспорта только одной молекулы. Активный транспорт также может осуществляться антипортом, при котором две молекулы транспортируются в противоположных направлениях (1). Например, Са ²⁺ экспортируется из клеток не только насосом Ca ²⁺ , но и антипортером Na ⁺ -Ca ²⁺ , который транспортирует Na ⁺ в клетку и Ca ²⁺ наружу. Другим примером является обменный белок Na ⁺ -H ⁺ , который участвует в регуляции внутриклеточного pH. Антипортер Na ⁺ -H ⁺ связывает транспорт Na ⁺ в клетку с экспортом H ⁺ , тем самым удаляя избыток H ⁺ , образующиеся в результате метаболических реакций и препятствующие закислению цитоплазмы.

Рисунок 12.33

Примеры антипорта. Ca ²⁺ и H ⁺ экспортируются из клеток антипортерами, которые связывают их экспорт с энергетически выгодным импортом Na ⁺ .

Коробка

Молекулярная медицина: кистозный фиброз.

Клеточная мембрана: диффузия, осмос и активный транспорт

Думайте об этом как о привратнике, страже или пограничнике. Несмотря на то, что ее толщина всего от 6 до 10 нанометров и она видна только в электронный микроскоп, клеточная мембрана удерживает цитоплазму клетки на месте и позволяет только избранным материалам входить и выходить из клетки по мере необходимости.

Эта полупроницаемость, или селективная проницаемость, является результатом двойного слоя (бислоя) молекул фосфолипидов с вкраплениями белковых молекул . Внешняя поверхность каждого слоя состоит из плотно упакованных гидрофильных (или водолюбивых) полярных головок. Внутри, между двумя слоями, вы найдете гидрофобные (или боящиеся воды) неполярные хвосты состоящие из цепочек жирных кислот .

Молекулы холестерина между молекулами фосфолипидов придают эластичной мембране стабильность и делают ее менее проницаемой для водорастворимых веществ. И цитоплазма, и матрикс, материал, в котором лежат клетки, состоят в основном из воды. Полярные головки электростатически притягивают поляризованные молекулы воды, а неполярные хвосты лежат между слоями, экранированные от воды и образующие сухой средний слой.

Внутренняя часть мембраны состоит из маслянистых молекул жирных кислот, обладающих электростатической симметрией, или неполяризованный. Липидорастворимые молекулы могут проходить через этот слой, но водорастворимые молекулы, такие как аминокислоты, сахара и белки, не могут, вместо этого перемещаясь через мембрану через транспортные каналы, образованные встроенными белками каналов . Поскольку фосфолипиды имеют как полярные, так и неполярные области, их также называют амфипатическими молекулами.

Авторы и права: Иллюстрация Кэтрин Борн, Массачусетс,

Клеточная мембрана удерживает клетку вместе и изолирует ее как отдельную функциональную единицу протоплазмы. Хотя он может спонтанно восстанавливать небольшие разрывы, серьезное повреждение мембраны приведет к распаду клетки. Мембрана разборчива в том, какие молекулы она пропускает или выпускает. Позволяет передвигаться через барьер на диффузия, осмос, или активный транспорт.

Распространение

Диффузия — это естественное явление с наблюдаемыми эффектами, подобными Броуновскому движению. Молекулы или другие частицы спонтанно распространяются или мигрируют из областей с более высокой концентрацией в области с более низкой концентрацией, пока не наступит равновесие. В состоянии равновесия диффузия продолжается, но чистый поток уравновешивается, за исключением случайных колебаний.

Это происходит потому, что все молекулы обладают кинетической энергией хаотического движения. Они движутся с высокой скоростью, сталкиваются друг с другом, меняют направление и удаляются от областей с большей концентрацией в области с меньшей концентрацией. Скорость диффузии зависит от массы и температуры молекулы; более легкие и теплые молекулы движутся быстрее.

Диффузия — это одна из форм пассивного транспорта , которая не требует затрат клеточной энергии. Молекула может пассивно диффундировать через клеточную мембрану, если она растворима в липидах, незаряжена и очень мала, или если ей может помочь молекула-носитель. Самостоятельная диффузия очень мелких или жирорастворимых частиц называется простой диффузией. Вспомогательный процесс известен как облегченная диффузия.

Клеточная мембрана позволяет неполярным молекулам (тем, которые плохо связываются с водой) течь из области, где они высоко сконцентрированы, в область, где их концентрация меньше. В мембрану встроены молекулы трансмембранного белка, называемые 9.0253 каналы белков , которые проходят от внешнего слоя к внутреннему слою и создают благоприятные для диффузии отверстия для движения молекул.

Осмос

Осмос — это форма пассивного транспорта, аналогичная диффузии, при которой растворитель перемещается через селективно проницаемую или полупроницаемую мембрану из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией. Растворы состоят из двух частей: растворителя и растворенного вещества.

Обычно в ячейке содержится примерно 1 % солевого раствора, другими словами, 1 % соли (растворенного вещества) и 99 процентов воды (растворитель). Вода представляет собой полярную молекулу, которая не проходит через липидный бислой; однако он достаточно мал, чтобы проходить через поры, образованные белковыми молекулами, большинства клеточных мембран.

Осмос возникает, когда молекулярная концентрация воды на двух сторонах мембраны различается. Мембрана пропускает растворитель (воду), но не пропускает растворенное вещество (частицы, растворенные в воде).

На перенос посредством осмоса влияет концентрация растворенного вещества (количество частиц) в воде . Одна молекула или один ион растворенного вещества вытесняет одну молекулу воды. Осмолярность — это термин, используемый для описания концентрации частиц растворенного вещества на литр. Когда вода диффундирует в клетку, внутри клетки создается гидростатическое давление. В конце концов, давление внутри клетки становится равным внешнему осмотическому давлению и уравновешивается им.

• Изотонический раствор имеет ту же концентрацию растворенного вещества и растворителя, что и внутри клетки, поэтому клетка, помещенная в изотонический раствор (обычно это 1-процентный физиологический раствор для человека), испытывает одинаковый поток воды в клетку и из нее, поддержание равновесия.

• Гипотонический раствор имеет меньший растворенный потенциал и более высокий водный потенциал, чем внутри клетки. Примером может служить 100-процентная дистиллированная вода, в которой меньше растворенных веществ, чем внутри клетки. Следовательно, если человеческую клетку поместить в гипотонический раствор, молекулы диффундируют по градиенту концентрации до тех пор, пока клеточная мембрана не лопнет.

• Гипертонический раствор имеет более высокий растворенный потенциал и более низкий водный потенциал, чем внутри клетки. Так мембрану клетки человека помещают в 10-процентный солевой раствор (10-процентная соль и 90 процентов воды) позволяет воде вытекать из клетки (от более высокой концентрации внутри к более низкой концентрации снаружи), тем самым уменьшая ее.

Активный транспорт

Активный транспорт происходит через полупроницаемую мембрану против нормального градиента концентрации, перемещаясь из области меньшей концентрации в область большей концентрации и требуя затрат энергии, высвобождаемой из молекулы АТФ.

Трансмембранные белковые молекулы, встроенные гидрофильными головками во внешний слой мембраны, способны обнаруживать и перемещать соединения через мембрану.