Модели строения мембран

С.Дж.Сингер и Л.Г.Никольсон в 1972 г. предложили «жидкостно-мозаичную модель» строения мембраны. Согласно этой модели мембрана представляет собой липидный бислой, в котором расположены глобулярные белки. Каждая молекула липидов расположена так, что ее неполярная углеводородная часть направлена внутрь бислоя, а полярные головки находятся на поверхности, контактируя с водой. По этой модели, мембрана представляет собой динамическую систему, в которой молекулы белка относительно свободно «плавают в липидном море в виде айсбергов». Прямые измерения показали, что белки движутся в сотни раз медленнее из-за переплетения углеводных цепей на поверхности мембраны (гликокаликс). Кроме того компоненты мембраны с внутренней стороны связаны с системой белков цитокаркаса.

Существует решетчато-мозаичная модель. Молекулы белков, которые связаны с цитокаркасом, малоподвижны. Те белки, которые с цитокаркасом не связаны, могут относительно свободно перемещаться в плоскости мембраны.

Механизмы мембранного транспорта

Липидные бислои в значительной степени непроницаемы для подавляющего большинства веществ, и поэтому перенос через липидную фазу требует значительных энергетических затрат.

Различают пассивный транспорт (диффузию), активный транспорт и везикулярный транспорт.

Пассивный транспорт – это перенос молекул по концентрационному или электрохимическому градиенту, т.е. он определяется только разностью концентраций переносимого вещества на противоположных сторонах мембраны или направлением электрического поля и осуществляется без затраты энергии АТФ. Возможны два типа диффузии: простая и облегченная.

1. Простая диффузия. Происходит без участия мембранного белка. Скорость простой диффузии хорошо описывается обычными законами диффузии для веществ, растворимых в липидном бислое. Скорость движения молекулы определяется концентрационным градиентом и растворимостью молекулы в липидах. Механизм диффузии водорастворимых веществ менее изучен. Перенос вещества через липидный бислой, например, таких соединений, как этанол, возможен через временные поры в мембране, образованные разрывами в липидном слое при движении мембранных липидов. В мембранах также существуют каналы, образованные белками, через которые могут двигаться молекулы. По механизму простой диффузии осуществляется трансмембранный перенос газов (например, О₂, СО₂, N₂, метан), некоторых простых органических ионов и ряда низкомолекулярных жирорастворимых соединений. Простая диффузия осуществляется не избирательно и отличается низкой скоростью. Транспорт воды через мембрану простой диффузией происходит очень медленно. В тканях, где необходим быстрый перенос воды (почки), вода диффундирует через специфические интегральные белки (аквапорины).

2. Облегченная диффузия – движение молекул по градиенту концентрации с использованием специфических мембранных белков-переносчиков. Следовательно, облегченная диффузия – это диффузионный процесс, сопряженный с химической реакцией взаимодействия транспортируемого вещества с белком-переносчиком. Этот процесс специфичен и протекает с более высокой скоростью, чем простая диффузия. Скорость переноса определяется концентрационным градиентом через мембрану и количеством молекул переносчика.

Известны два типа мембранных транспортных белков: белки-переносчики, называемые транслоказами или пермеазами, и каналообразующие белки.

Для объяснения механизма облегченной диффузии используют модель «пинг-понг». В этой модели, переносчик существует в 2-х конформационных состояниях. В состоянии «понг» белок открыт на стороне высокой концентрации переносимого вещества и связывает это вещество. Затем происходит изменение конформации («пинг») и белок со связанным веществом открывается на сторону с низкой концентрацией переносимого вещества.

Транспортные белки имеют ряд свойств: обладают высокой специфичностью и имеют участки связывания для транспортируемой молекулы; насыщаемы при высокой концентрации переносимого вещества; ингибируются конкурентными и неконкурентными ингибиторами.

Облегченная диффузия обычно характерна для водорастворимых веществ: углеводов, аминокислот, метаболически важных органических кислот, некоторых ионов. Путем облегченной диффузии осуществляется также транспорт стероидных гормонов, ряда жирорастворимых витаминов и других молекул этого класса. Практически направленные потоки веществ в клетку путем простой и облегченной диффузии никогда не прекращаются, поскольку вещества, поступившие в клетку, вовлекаются в метаболические превращения, а их убыль постоянно восполняется путем трансмембранного переноса по градиенту концентрации.

Активный транспорт - транспорт веществ против градиента концентрации (незаряженные частицы) или электрохимического градиента (для заряженных частиц), требующий затрат энергии.

Известны три основных типа первичного активного транспорта:

1) Натрий-калиевый насос – Na,K⁺-аденозинтрифосфатаза (Na,K⁺-АТФ-аза) переносит ионы натрия из клетки, а калия – в клетку.

2) Кальциевый насос – Ca²⁺-АТФ-аза, который транспортирует Са²⁺ из клетки или цитозоля в саркоплазматический ретикулум.

3) Н⁺-АТФ-аза – протонный насос, функционирующий в сопрягающих мембранах, в том числе в митохондриальной мембране.

При нарушении снабжения АТФ активный транспорт останавливается.

Выделяют два вида активного транспорта: 1) первичный активный транспорт использует энергию АТФ или окислительно-восстановительного потенциала; 2) при вторичном активном транспорте используют градиент ионов (Н⁺, К⁺, Na⁺, и др.), созданный на мембране за счет работы системы первичного активного транспорта.

Примером первичного активного транспорта является транспорт К⁺ и Nа⁺ при участии Nа⁺,К⁺-АТФ-азы. Клетка содержит низкую концентрацию Na⁺ (в 10 раз ниже) и высокую концентрацию К⁺ (в 30 раз выше), чем в окружающей среде. Поэтому считают, что Na⁺ это внеклеточный катион, а К⁺ - внутриклеточный катион. Nа⁺,К⁺-АТФ-азы обеспечивают выведение 3 ионов Na⁺ из клетки в обмен на введение в клетку двух ионов К⁺ против градиента концентрации с затратой 1 молекулы АТФ.

Na⁺,K⁺-АТФ-аза была открыта в 1957 г. Й.Скоу во фракции плазматических мембран нервов краба. Затем она была обнаружена во всех исследованных клетках животных, особенно велико ее содержание в органах, осуществляющих солевой обмен (почки) или выполняющих электрическую работу (мозг, нервы).

Строение Nа⁺,К⁺-АТФ-азы. Это тетрамер ₂₂; м.м 270 кДа. Субъединица  (95 кДа) пронизывает мембрану насквозь и содержит на внутренней стороне участки связывания АТФ и Nа⁺, а на внешней стороне - для К⁺ и сердечных гликозидов. -субъединицы (40 кДа) содержат углеводные группы, расположенные на наружной стороне плазматической мембраны. Она способствует правильной ориентации фермента в липидном бислое. Перенос ионов происходит за счет изменения конформации фермента при его фосфорилировании - дефосфорилировании за счет АТФ. В присутствии Na⁺ активируется гидролиз АТФ и происходит фосфорилирование фермента, дефосфорилирование происходит в присутствии К⁺.

Описание химизма по этапам:

1) присоединение 3 Na⁺ вызывает активацию АТФ-азы, т.е. происходит гидролиз АТФ;

2) фосфорилирование фермента;

3) изменение его конформации с открытием канала снаружи;

4) уменьшение сродства к Na⁺ и присоединение К⁺ приводит к дефосфорилированию фермента;

5) это изменяет конформацию фермента с открытием канала изнутри;

6) снижение сродства к К⁺ и выход его в цитозоль и вновь присоединение АТФ и 3 Na⁺ (сердечные гликозиды могут конкурировать с К⁺ за места связывания и ингибируют Na⁺,К⁺-АТФ-азы).

Неравнозначный перенос заряженных ионов (частиц) через мембрану вызывает ее поляризацию: появление "+" снаружи и "-" изнутри, поэтому Nа⁺, К⁺ насос называют элекрогенным.

Создаваемый градиент Nа⁺ используется для вторичного активного транспорта глюкозы в клетки. Например, рассмотрим всасывание глюкозы из просвета кишечника.

1. Переносчик глюкозы обеспечивает транспорт глюкозы в цитозоль энтероцита за счет входа в клетку ионов Na⁺ под действием электрохимического градиента (концентрация Na⁺ высокая в просвете кишечника и низкая в цитозоле клеток).

2. Глюкоза из клетки переходит во внеклеточную жидкость по механизму облегченной диффузии. Скорость переноса глюкозы зависит от величины градиента Na⁺: она увеличивается при повышении разности концентраций Na⁺ в просвете кишечника и цитозоле энтероцита.

3. Na⁺, К⁺-АТФаза поддерживает эту разность концентраций Na⁺ за счет его откачки в межклеточное пространство в обмен на К⁺ с затратой АТФ.

Транспорт макромолекул (везикулярный транспорт). Крупные макромолекулы (белки, полисахариды и полинуклеотиды) даже крупные частицы могут как поглощаться, так и секретироваться. При их переносе происходит последовательное образование и слияние окруженных мембраной пузырьков (везикул), т.е. перенос веществ вместе с частью плазматической мембраны.

Фагоцитоз (от греч. фагос – есть, цитос – клетка) наблюдается в специальных клетках (макрофагах и гранулоцитах). При фагоцитозе происходит захват крупных молекул (вирусы, бактерии, клетки). Пиноцитоз (от греч. пинос – пить) характерен для всех клеток. Происходит захват жидкости или растворенных компонентов. Пиноцитоз бывает неизбирательный и селективный рецепторно-опосредованный. При эндоцитозе поглощенное вещество окружается небольшим участком мембраны, который вначале впячивается, а затем отщепляется, образуя внутриклеточный пузырек, содержащий захваченный клеткой материал. Большинство частиц, поглощенных при эндоцитозе, попадает затем в лизосомы, где они подвергаются деградации.

Вещества, высвобождаемые путем экзоцитоза делят на 3 группы: 1) вещества, связывающиеся с клеточной поверхностью как периферические белки – антигены; 2) вещества, включающиеся во внеклеточный матрикс – коллаген, гликозаминогликаны; 3) вещества, входящие во внеклеточную среду, как сигнальные молекулы (инсулин, катехоламины, паратгормон) или ферменты (экзокринные железы, эктоферменты).

Функции метаболизма

1. Обеспечение организма энергией, полученной при расщеплении богатых энергией пищевых веществ или путем преобразования энергии солнца.

2. Превращение пищевых молекул в предшественники, которые используются в клетке для биосинтеза собственных макромолекул.

3. Сборка макромолекулярных (биополимеры) и надмолекулярных структур живого организма, т.е. пластическое и энергетическое поддержание его структуры.

4. Синтез и разрушение биомолекул, выполняющих специфические функции в организме (мембранные липиды, внутриклеточные посредники и пигменты).

Основные механизмы регуляции метаболизма

Существуют следующие механизмы регуляции метаболизма: изменение активности ферментов, количества ферментов, проницаемости клеточных мембран.

1. Изменение активности ферментов – самый распространенный способ регуляции метаболизма. Регуляции подвержены «ключевые» ферменты, которые определяют скорость всего полиферментного процесса. Как правило, такие ферменты состоят из субъединиц – олигомерны. Активность фермента зависит от количества, доступности и химического строения субстрата катализируемой реакции, от условий протекания ферментативной реакции в клетке (рН, температуры и др.), от наличия эффекторов (активаторов, ингибиторов), от строения фермента (наличие химической модификации, доступности кофакторов) и др. Изменение активности ферментов играет принципиальную роль в регуляции метаболизма конечными продуктами (ретроингибирование) и реже первыми продуктами (форактивация).

2. Изменение количества фермента в клетке осуществляется путем индукции или репрессии генов, а также его протеолитической деградации в клетке. Ферменты, которые присутствуют в клетке в относительно постоянном количестве, называются конституитивными. Ферменты, количество которых резко изменяется в зависимости от метаболической ситуации, называются адаптивными или индуцибельными. Индуцибельные ферменты и их изоферменты чувствительны к протеолизу. Индукция или репрессия генов регулируется гормонами или другими субстратами.

3. Изменение проницаемости мембран, или точнее – изменение целого комплекса функций мембран (изменение скоростей потоков метаболитов, газов в клетку и из клетки; компартментализация метаболических процессов, изменение электрохимического потенциала, передача нервных импульсов, функционирование рецепторов др.). Эти три основных механизма лежат в основе действия гормонов.

Фазы метаболизма

Метаболизм складывается из 2-х фаз – катаболизм и анаболизм.

Катаболизм – это ферментативное расщепление крупных пищевых или депонированных молекул (углеводов, липидов, белков) до более простых (лактат, Н₂О, СО₂, NH₃) с выделением энергии и запасанием ее в виде АТФ или восстановительных эквивалентов (НАДН, НАДФН, ФАДН₂). Катаболизм включает 3 стадии.

1 стадия – превращение полимеров в мономеры (крахмал и гликоген – в глюкозу, белки – в аминокислоты, триацилглицеролы – в жирные кислоты и глицерол, нуклеиновые кислоты – в нуклеотиды и т.д.). Первая стадия превращения пищевых молекул протекает в желудочно-кишечном тракте и называется перевариванием.

2 стадия (специфические пути катаболизма) – мономеры превращаются в общие промежуточные продукты – пируват и ацетил-КоА;

3 стадия (общий путь катаболизма) – окисление ацетильной группы ацетил КоА до СО₂ и Н₂О. 3 стадия катаболизма включает: 1) цикл трикарбоновых кислот, 2) цепи переноса электронов и 3) окислительное фосфорилирование.

Анаболизм – ферментативный синтез крупных полимерных молекул из простых предшественников с затратой АТФ или восстановительных эквивалентов НАДН, НАДФН и ФАДН₂.

Стадии анаболизма:

1 стадия – третья стадия катаболизма, т.е. цикл трикарбоновых кислот;

2 стадия – образование мономеров по реакциям, обратным реакциям катаболизма;

3 стадия – синтез полимеров из мономеров.

Амфиболические пути расположены в точках переключения метаболизма и связывают анаболизм и катаболизм.

Амфиболическим путем метаболизма является цикл трикарбоновых кислот.

Анаболизм и катаболизм не являются простым обращением реакций. Катаболические и анаболические пути должны отличаться хотя бы одной из ферментативных реакций, чтобы регулироваться независимо. Например, специфический путь распада глюкозы до лактата (анаэробный гликолиз) включает 11 реакций; обратный процесс – синтез глюкозы из лактата (глюконеогенез) включает 8 обратимых реакций и 3 дополнительные реакции с новыми наборами ферментов. Именно на этих стадиях за счет направленного изменения активности ферментов регулируются суммарные скорости распада и синтеза глюкозы.