§7. Первичный транспорт: механизм работы ионных насосов, эндоцитоз и экзоцитоз.

1. Классификация транспорта веществ и его значение

Транспорт через клеточную мембрану обеспечивает: 1) поступление в клетку различных веществ, необходимых для синтеза клеточных структур и выработки энергии; 2) все перемещения частиц между клеткой и интерстицием, сосудами и интерстицием; 3) регуляцию физико-хим 222e48jc ических констант внутренней среды клетки; 4) создание электрических зарядов клеток, возникновение и распространение возбуждения; 5) выделение клетками продук­тов ее обмена и биологически активных веществ: нейрогормонов, нейромедиаторов.

Транспорт веществ через клеточную мембрану делят напассивный (без затрат энергии) и активный (с затратой энергии). Движущей силой пассивного перемещения веществ являются концентрационный (химический) и электрический гради­енты. Согласно концентрационному градиенту, частицы переме­щаются из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Согласно электрическому градиенту, положи­тельно заряженные частицы стремятся перейти в область с отри­цательным электрическим зарядом, отрицательно заряженные частицы - в противоположном направлении. Направления элек­трического и концентрационного градиентов могут совпадать и не совпадать.

Если энергия расходуется непосредственно на перенос частиц, транспорт называется первично активным. Если же на транспорт частиц расходуется ранее запасенная энергия, напри­мер концентрационный градиент, то такой транспорт называется вторично активным. В обоих случаях транспорт веществ является активным (с затратой энергии).

Первичный транспорт

Первичный транспорт - это такой транспорт, когда энергия расходуется непосредственно на перенос частиц. Он включает, во-первых, перенос отдельных ионов вопреки концентрационному и электрическому градиентам с помощью специальных ионных насосов, во-вторых, эндоцитоз, экзоцитоз и трансцитоз (микро­везикулярный транспорт).

Транспорт веществ с помощью насосов (помп). Насосы пред­ставляют собой белковые молекулы, обладающие свойствами пе­реносчика и АТФазной активностью. Непосредственным источ­ником энергии являются АТФ. Достаточно хорошо изучены Na/K-, Са- и Н- насосы. Рассмот­рим основные характеристики насосов.

1. Специфичность насосов заключается в том, что они обычно переносят какой-то определенный ион или 2 иона. Например, Na/K-насос (объединенный насос для Na+ и К+) не способен пере­носить ион лития, хотя по своим свойствам он очень бли­зок к натрию.

2. Характеристика отдельных насосов. Натрий-калиевый насос (Na/K-АТФаза) - это интегральный белок клеточной мем­браны, обладающий, как и все другие насосы, свойствами фер­мента, т.е. сам переносчик обеспечивает расщепление АТФ и освобождение энергии, которую он же сам использует. Этот на­сос изучен наиболее хорошо, он имеется в мембранах всех кле­ток и создает характерный признак живого - градиент концентрации Na+ и К+ внутри и вне клетки, что обеспечивает форми­рование мембранного потенциала и вторичный транспорт веществ. Главными активаторами насоса являются гормоны (альдостерон, тироксин). Работа натриевого насо­са после удаления К+ из среды сильно нарушается. Кальциевый насос локализуется в эндоплазматическом ретикулуме, он обес­печивает транспорт ионов Са2+. Насос строго контролирует со­держание ионов Са в клетке, поскольку изменение уровня Са нарушает ее функцию. Насос переносит ионы Са либо во вне­клеточную среду, либо в цистерны ретикулума и митохондрии (внутриклеточное депо ионов Са).

3. Постоянная работа насосов необходима для поддержания концентрационных градиентов ионов, связанного с ними элек­трического заряда клетки и движения воды и незаряженных час­тиц в клетку и из клетки вторично активно согласно законам диффузии и осмоса. Эти процессы обеспечивают жизнедеятельность нейрона, как и любой другой клетки. В ре­зультате разной проницаемости клеточной мембраны для различ­ных ионов и постоянной работы ионных помп концентрация ио­нов внутри и снаружи клетки неодинакова. Ионы являются заря­женными частицами, поэтому существует электрический заряд нейрона. Почти во всех изученных клетках внутреннее содержи­мое их заряжено отрицательно по отношению к внешней среде, т.е. внутри клетки преобладают отрицательные ионы, а снаружи - положительные.

Ионы К+ находятся преимущественно в клетке, а ионы Na+ и Сl - во внеклеточной жидкости. Внутри клетки расположены также крупномолекулярные (в основном белкового происхожде­ния) анионы. Na/K-насос транспортирует не только ионы Na+ и К+, но и другие молекулы, например глюкозу, аминокислоты. Более трети энергии АТФ, потребляемой клеткой в состоянии покоя, расходуется на перенос только ионов Na+ и К+. Это обеспечивает сохранение клеточного объема (осморегуляция), поддержание электрической активности в нервных клетках, транспорт других веществ.

Таким образом, первичный транспорт ионов играет исключи­тельно важную роль в жизнедеятельности клеток.

4. Механизм работы ионных насосов заключается в следующем. Na/K-насос - молекула интегрального белка, пронизывающая всю толщу клеточной мембраны, переносит за один цикл 3 иона Na+ из клетки и 2 иона К+ в клетку (антипорт - противотранспорт). Это осуществляется в результате конформации молекулы белка в форму E1 или Е2. Молекула имеет участок, который связывает либо ион Na+, либо ион К+, - это активный участок. При конформации E1 белковая молекула активной своей частью обращена внутрь клетки и обладает сродством к иону Na+, который присоединяется к белку, в результате чего активируется его АТФаза, обеспечиваю­щая гидролиз АТФ и освобождение энергии. В результате освобо­ждения энергии изменяется конформация молекулы белка: она пре­вращается в форму Е2, в результате чего активный ее участок уже обращен наружу клеточной мембраны. Теперь белок теряет сродст­во к иону Na+, последний отщепляется от него, а белок-помпа при­обретает сродство к иону К+ и соединяется с ним. Это ведет снова к изменению конформации переносчика: форма Е2 переходит в фор­му E1, активный участок белка снова обращен внутрь клетки. При этом он теряет сродство к иону К+ и последний отщепляется, а бе­лок приобретает снова сродство к иону Na+ - цикл повторяется. Насос является электрогенным, поскольку за один цикл выводится из клетки 3 иона Na+, а возвращаются в клетку 2 иона К+. Энергия расходуется только на перенос ионов Na+. На обеспечение одного цикла работы Na/K-помпы расходуется одна молекула АТФ.

Подобным образом работают Са-АТФазы эндоплазматического ретикулума и клеточной мембраны, с той лишь разницей, что пере­носятся только ионы Са и в одном направлении - из гиалоплазмы в эндоплазматический ретикулум, а также наружу клетки.

Эндоцитоз и экзоцитоз (микровезикулярный транспорт).

Это еще два первичных (первично активных), близких по меха­низму транспорта, посредством которых различные материалы переносятся через мембрану либо в клетку (эндоцитоз), либо из клетки (экзоцитоз). С их помощью транспортируются крупно­молекулярные вещества (белки, полисахариды, нуклеиновые кис­лоты), которые не могут транспортироваться по каналам или с помощью насосов.

1. При эндоцитозе клеточная мембрана образует впячивания, или выросты, внутрь клетки, которые, отшнуровываясь, превра­щаются в пузырьки. Последние затем обычно сливаются с пер­вичными лизосомами, образуя вторичные лизосомы, в которых содержимое подвергается гидролизу - внутриклеточному перева­риванию. Продукты гидролиза используются клеткой. Например, выделившийся медиатор нервным окончанием захватывается сно­ва посредством эндоцитоза.

2. Экзоцитоз - процесс, обратный эндоцитозу, это механизм сек­реции нейрогормонов и нейромедиаторов. Экзоцитозные пузырьки образуются в аппарате Гольджи. В пузырьки упаковываются белки, образовавшиеся в рибосомах эндоплазматического ретикулума. Пузырьки транспортируются посредством сократительного аппарата клетки к клеточной мембране, сливаются с ней, а содер­жимое клетки выделяется во внеклеточную среду. Энергия АТФ расходуется на деятельность сократительного аппарата клетки. В процессе взаимодействия эндо- и экзоцитоза происходит самообновление клеточной мембраны (кругооборот, рециркуляция): в течение каждого часа в процессе эндоцитоза в разных клетках используется от 3 до 100% клеточной оболочки, но с такой же скоростью происходит ее возобновление в результате экзоцитоза.

3. Трансцитоз сочетает элементы эндо- и экзоцитоза. Это пере­нос частиц через клетку: например, перенос молекул белка в виде везикул через эндотелиальную клетку капилляров на другую сто­рону в интерстиций мозга. В данном случае эндоцитозные пу­зырьки не взаимодействуют с лизосомами, при этом пузырьки мо­гут сливаться друг с другом, образуя каналы, пересекающие всю клетку.

Вторичный транспорт: виды диффузии, осмос, натриевый механизм.

Механизмы вторичного транспорта.

I. Натриевый механизм: энергия затрачивается на создание градиента натрия. Различают два варианта данного механизма транспорта.

Вариант 1. При этом варианте направление движения транспортируемого вещества совпадает с направлением движения натрия согласно его электрохимическому градиенту (симпорт). Глюкоза соединяется с белком-переносчиком, который соединяется с Na+, а Na+, согласно концентрационному и электрическому градиентам диффундирует в клетку и несет с собой глюкозу. В клетке комплекс распадается, Na+ выводится помпой с непосредственной затратой энергии из клетки в интерстиций вопреки электрохимическому градиенту. Транспорт веществ с помощью натрия осуществляется согласно законам диффузии. Транспортируемое вещество при этом может поступать в клетку вопреки собственному химическому градиенту. Движущей силой является электрохимический градиент Na+. Вместе с Na+ в клетку поступает глюкоза, даже если ее концентрация в клетке больше, чем в среде, и если, конечно, электрохимический градиент Na+ превосходит химический градиент глюкозы. С помощью этого варианта обеспечивается реабсорбция медиатора в пресинаптическую терминаль из синаптической щели, а также транспорт глюкозы.

Вариант 2. При втором варианте натриевого механизма перемещение транспортируемых частиц направлено в противоположную сторону движения Na+ (антипорт). С помощью этого обменного механизма регулируется содержание Са2+ в клетке и рН внутри клетки за счет выведения Н-иона в обмен на внеклеточный Na+. Хотя внутриклеточная концентрация Са2+ на несколько порядков ниже внеклеточной, Са2+ выводится из клетки в обмен на поступающий в нее Na+ и противоположно направленные потоки этих ионов сопряжены друг с другом. Этот процесс обеспечивается натриевого химического градиента переносчиком. Переносчик может транспортировать Са2+ и Н+ вопреки их электрическим и химическим градиентам только в том случае, когда сам переносчик имеет собственный градиент: его концентрация на внешней стороне мембраны больше, чем на внутренней.