Жизнедеятельность клетки зависит от непрерывного проникновения внутрь клетки и выхода из нее разнообразных веществ. Поступают в клетку для удовлетворения потребностей, связанных с ростом и производством энергии сахара, аминокислоты и другие питательные вещества, а удаляются продукты обмена. Кроме того, ионный состав цитоплазмы очень отличается от ионного состава внеклеточной среды и для поддержания такого различия необходим постоянный трансмембранный перенос ионов. Различают пассивный (т.е. не энергозависимый) и активный транспорт . Пассивный транспорт вещества или ионов происходит только в сторону их меньшей концентрации (диффузия ) и осуществляется путем простой диффузии через липидный бислой, диффузии через мембранные каналы и облегченной диффузии .

Простая диффузия через липидный бислой или каналы в мембране и облегченная диффузия - это пассивные процессы, в которых используется только потенциальная энергия, запасенная в форме разности концентраций вещества на противоположных сторонах мембраны. В ходе диффузии концентрация вещества в двух компартментах стремится к равновесному значению, и по достижении равновесия суммарный диффузионный поток становится равным нулю, хотя равные по величине и противоположные по направлению потоки по-прежнему существуют.

В случае простой диффузии через липидный бислой молекула растворенного вещества, может погрузиться в липидную фазу в силу теплового движения и пересечь мембрану, оказавшись по ее другую сторону. При этом, в соответствии с законами диффузии, подвижность нейтральных молекул (неэлектролитов ) внутри мембраны снижается при увеличении размера их молекул и увеличении вязкости мембраны. Чтобы перейти из водной фазы в липидную, растворенная в воде молекула должна сначала разорвать все водородные связи с водой. На это нужно затратить энергии около 5 ккал на моль водородных связей. Далее молекула должна раствориться в липидном бислое. Количественным параметром, определяющим скорость диффузии неэлектролита через липидный бислой (следовательно и транспорт в клетку), является коэффициент распределения между липидной и водной фазами (К ), равный отношению концентрации данного вещества в липидной фазе (например, оливковом масле) к его концентрации в воде. Величина К определяется экспериментально для каждого конкретного вещества. Спектр коэффициентов распределения для неэлектролитов весьма широк и различается на несколько порядков. Например, для трехатомного спирта глицерина этот коэффициент в 1000 раз меньше, чем для уретана. Плохая жирорастворимость глицерина, обусловлена наличием в его молекуле трех гидроксильных групп, образующих водородные связи с водой, а образование одной водородной связи приводит к уменьшению величины коэффициента распределения примерно в 40 раз.

Простая диффузия через липидный бислой характеризуется кинетикой без насыщения т.е. скорость переноса вещества монотонно увеличивается при увеличении его концентрации во внеклеточной жидкости. Эта пропорциональность между концентрацией и скоростью проникновения вещества в клетку, сохраняющаяся во всем диапазоне практически возможных концентраций отличает простую диффузию от облегченной диффузии.

Облегченная диффузия . При транспорте некоторых веществ в клетку наблюдается кинетика с насыщением , т.е. крутизна графика зависимости скорости поступления вещества в клетку от его внеклеточной концентрации все время снижается, а при достижении определенной концентрации выходит на плато, и дальнейшее увеличение концентрации не приводит к росту поступления вещества в клетку. Этот эффект обусловлен тем, что транспорт такого вещества (как правило гидрофильного, или иона) по градиенту концентрации через мембрану затруднен и осуществляется только после соединения с молекулой специального переносчика. Скорость такой облегченной диффузии достигает максимума, когда все молекулы переносчика заняты переносимым веществом. Концентрация переносимого вещества, при которой скорость его транспорта через мембрану составляет половину максимальной, характеризует специфичность молекулы переносчика по отношению к переносимому веществу и называется константой связывания. Чем меньше значение константы связывания, тем выше сродство молекулы переносчика и молекулы переносимого вещества. Например, константа связывания молекулы глюкозы с переносчиком на мембране эритроцитов равна 6,2 мМ. В тоже время, константа связывания этого переносчика с фруктозой, другим моносахаридом, близким по структуре к глюкозе, характеризуется константой связывания 2000 мМ. Поэтому, при концентрации в крови 5,5 мМ, глюкоза достаточно эффективно транспортируется в эритроциты, тогда как фруктоза в клетки с помощью данного переносчика практически не проникает.

Транспорт вещества в клетку с помощью молекул–переносчиков включает следующие этапы:

· распознавание - специфическое связывание переносчика с молекулой переносимого в клетку вещества и образование комплекса переносчика и транспортируемой молекулы;

· транслокация - перемещение образовавшегося комплекса от внешней стороны мембраны к внутренней;

· высвобождение молекулы переносимого вещества из комплекса с молекулой переносчиком в цитозоль;

· восстановление - переносчик возвращается на внешнюю сторону мембраны.

Переносчики это белковые молекулы, которые в отличие от других белков - ферментов не способны катализировать протекание биохимических реакций. Тем не мене переносчики и ферменты имеют ряд общих свойств:

· способность специфически связывать определенные вещества и эта способность количественно характеризуется константой связывания;

· их функции могут ингибироваться специфическими ингибиторами.

Транспорт, при котором переносчик в результате одного транспортного цикла переносит через мембрану одну молекулу вещества получил название унипорт . Примером такого транспорта является перенос глюкозы в эритроциты. Если переносчик переносит через мембрану одновременно две молекулы имеет место симпорт . При симпорте через мембрану одновременно могут перемещаться как две одинаковые молекулы, так и молекулы двух различных веществ. Транспорт глюкозы и аминокислот в клетки эпителия кишечника зависит от ионов натрия. При этом константа связывания глюкозы снижается до 3 мМ. Наконец транспорт называется антипорт если при движении переносчика от внешней стороны мембраны к внутренней переносится молекула одного вещества, а при движении в противоположном направлении переносится молекула другого вещества.

Диффузия через мембранные каналы. Ещеодин механизм, обеспечивающий возможность гидрофильным молекулам и неорганическим ионам Na+, K+, Cl- проходить через липидный бислой, заключается в их трансмембранной диффузии по специальным заполненным водой каналам. Мембранные каналы находятся внутри так называемых каналообразующих белков, пронизывающих насквозь клеточную мембрану. О существовании таких каналов свидетельствуют результаты исследования искусственных липидных бислойных мембран. Эти мембраны имеют очень низкую проницаемость для неорганических ионов и воды, однако, при добавлении к ним небольшого количества каналообразующих белков, экстрагированных из клеточных мембран, наблюдается существенное увеличение ионной проницаемости. Она становится близкой к проницаемости природных клеточных мембран. Диаметр таких каналов составляет не более 0,7-1,0 нм . Для обеспечения необходимого потока ионов в клетку, достаточно, чтобы на долю водных каналов приходилось лишь очень малая часть площади мембраны.

Некоторые вещества (ионофоры) сами способны создавать каналы в липидном бислое. К ионофорам относится антибиотик нистатин, его молекулы образуют каналы в мембранах. Через эти каналы могут проходить нейтральные молекулы и анионы, чей диаметр не превышает 0,4 нм: вода, мочевина, ионы хлора. Катионы проходить через эти каналы не могут - прежде всего, потому, что вдоль стенок канала находятся фиксированные положительные заряды. Показано, что включение нистатина в искусственные мембраны, приводящее к увеличению их площади всего на 0,001 - 0,01%, приводит к 100000-кратному увеличению мембранной проницаемости для ионов хлора . Ионофорные антибиотики грамицидин и валиномицин стимулируют поступление в через мембраны ионов К + . Эти антибиотики имеют форму «бублика». Транспортируемый ион располагается в дырке бублика, от размеров которой зависит способность связывать ионы определенных щелочных металлов. Например, для валиномицина характерна очень высокая избирательность для К + по сравнению с Na + (в 10000 раз).

Долгое время считали, что проницаемость мембран для воды обусловлена диффузией ее молекул через липидный бислой. Однако, было обнаружено, что соединения ртути ингибируют этот транспорт, инактивируя какие-то белки. В настоящее время установлено, что быстрый транспорт воды через биологические мембраны обеспечивают мембранные каналы – специальные белки аквапорины. Эти белки обнаружены у всех живых организмов, хотя открыты были всего 10 лет назад. Аквапорины в высшей степени селективны для воды, не пропускают даже ион гидроксония Н 3 О + . Обнаружен особый класс аквапоринов, переносящих в клетку глицерин – акваглицеропорины. Физиологическая роль аквапоринов особенно наглядна в почках, где благодаря им в собирательных трубках нефронов ежедневно реабсорбируется около 200 л воды. Аквапорины снижают энергию активации трансмембранного перехода Н 2 О с 14 до 4 ккал/М.

Активный транспорт . В живых клетках одни из растворенных веществ и ионов находятся в концентрации значительно большей, чем в окружающей среде, тогда как внутриклеточная концентрация других вещества и ионы, напротив, меньше внеклеточной. Эта неравновесная трансмембранная разность концентраций поддерживается благодаря активным процессам, которые постоянно потребляют химическую энергию, запасенную в молекулах органических фосфагенов, главным образом АТФ. Системы, с помощью которых осуществляется активный транспорт веществ против их концентрационного градиента, обобщенно называют мембранными насосами . Известны протонная помпа, кальциевый и натриевый насосы, которые поддерживают неравновесное распределение ионов Н + , Na + , K + , Ca 2+ на клеточных мембранах. Если с помощью определенных веществ (ингибиторов) выключить такой насос, то активный транспорт прекратится, распределение вещества, для которого мембрана проницаема, начнет определяться пассивной диффузией и концентрация вещества по обе стороны плазматической мембраны постепенно сместится к равновесному состоянию.

Активный транспорт имеет следующие основные особенности.

1. Транспорт осуществляется против концентрационного градиента . Например, натриевый насос, перекачивающий ион Na+из клетки во внеклеточную среду, обеспечивает соотношение концентраций Na+в клетке и во внеклеточной жидкости 1 к 15.

2. Для активного транспорта необходима АТФ или другие источники химической энергии, гидролиз которые осуществляется АТФазами присутствующими в мембране . Метаболические яды, подавляющие синтез АТФ, замедляют и активный транспорт.

3. Большинство мембранных насосов в высшей степени специфичны . Натриевый насос, например, не способен переносить ион лития, хотя по своим свойствам последний очень близок к натрию.

4. Некоторые мембранные насосы откачивают из клетки одну разновидность молекул или ионов и закачивают в противоположном направлении другую . Это свойство можно проиллюстрировать на примере натриевого насоса. Его рабочий цикл включает в себя обязательный обмен двух ионов калия, поступающих в клетку из внеклеточной среды на три иона натрия переносимых в обратном направлении. Если удалить из внеклеточного пространства ионы калия, то и ионы натрия не будут выводиться из клетки. Протонный насос обеспечивает секрецию соляной кислоты в желудке, выполняет Н + , К + -АТФаза

5. Активный транспорт может избирательно подавляться блокирующими агентами . Сердечный гликозид уабаин, введенный во внеклеточную среду, блокирует калий-натриевый насос, препятствуя связыванию ионов калия с соответствующим участком ионного насоса.

6. Некоторые мембранные насосы выполняют электрическую работу, осуществляя суммарный перенос заряда. Например, натриевый насос, производящий обмен трех ионов натрия на два иона калия, осуществляет суммарное выведение одного положительного заряда.

Эндоцитоз. Транспорт в клетки белков, полисахаридов и других макромолекул осуществляется путем эндоцитоза , который будет рассмотрен в лекции 6.

Два явления осмос и мембранный потенциал , возникающие вследствие разделения растворов избирательно (селективно) проницаемыми мембранами, играют важную физиологическую роль в растительных и животных организмах.

67. Пассивный транспорт. Диффузия. Простая и облегченная диффузия, осмос, фильтрация.

Выделяют следующие виды пассивного переноса через биологические мембраны: простая диффузия, диффузия через поры, облегченная диффузия, осмос и фильтрация :

а) Простая диффузия – это самопроизвольное перемещение вещества из мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией вследствие хаотического теплового движения частиц.

–уравнение Коллендера.

Величина Р = Dk / l называется коэффициентом проницаемости . В живой клетке такая диффузия обеспечивает прохождение кислорода и углекислого газа, а также ряда лекарственных веществ и ядов.

в) Облегченная диффузия происходит при участии молекул-переносчиков (перенос через мембрану ионов калия)

Соединения, обладающие способностью избирательно увеличивать скорость переноса ионов через мембрану получили название ионофоров .

При облегчённой диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда переносчиком выступает одно и тоже соединение. Например, глюкоза переносится лучше, чем фруктоза; фруктоза лучше, чем ксилоза; ксилоза, лучше, чем арабиноза и т.д.

Известны также соединения, способные избирательно блокировать облегчённую диффузию ионов через мембрану. Они образуют прочные комплексы с молекулами переносчиками. Например яд рыбы фугу тетродотоксин блокирует транспорт натрия, флоридзин подавляет транспорт сахаров и т.д.

в) Осмос – диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану, разделяющую два раствора с разной концентрацией . Сила, которая вызывает это движение растворителя, называется осмотическим давлением. Оно возникает вследствие теплового движения молекул воды и растворённого вещества. Избыточное давление вызывает фильтрацию воды в обратном направлении. В некоторый момент наступает состояние динамического равновесия. Давление соответствующее этому состоянию называется осмотическим давлением. Величина осмотического давления определяется уравнением Ван-Гоффа:

р = i·c·R·T, (16)

где с – концентрация растворённого вещества; Т – термодинамическая температура; R – газовая постоянная; i – изотонический коэффициент, показывает во сколько раз возросло число частиц в растворе из-за диссоциации молекул. Скорость осмотического переноса воды через мембрану определяется соотношением:

где Р о – коэффициент проницаемости, S – площадь мембраны, (р 1 – р 2) – разность осмотических давлений по одну и другую стороны мембраны.

г) Фильтрацией называется движение жидкости через поры в мембране под действием градиента гидростатического давления . Объёмная скорость переноса жидкости при этом подчиняется закону Пуазейля:

где r – радиус поры; l – длина канальца поры; (р 1 -р 2) – разность давлений на концах канальца; η – коэффициент вязкости переносимой жидкости; – модуль градиента давления вдоль поры;– гидравлическое сопротивление. Это явление наблюдается при переносе воды через стенки кровеносных сосудов (капилляров). Явление филь-трации играет важную роль во многих физиологических процессах. Так, например, образование первичной мочи в почечных нефронах происходит в результате фильтрации плазмы крови под действием давления крови. При некоторых патологиях фильтрация усиливается, что приводит к отёкам.

В биологических мембранах был обнаружен еще один вид диффузии – облегченная диффузия. Облегченная диффузия происходит при участии молекул – переносчиков (рис.5.5).

Рис.5.5.Схема облегченной диффузии: 1 – с подвижным переносчиком; 2 – с фиксированным переносчиком. А – переносимое вещество; Х – подвижный переносчик; Х 1 – Х 5 – фиксированные переносчики.

Диффузия с подвижным переносчиком. Скорость проникновения в клетку таких веществ, как глюкоза, глицерин, аминокислоты, не имеет линейной зависимости от разности концентраций. При определенных значениях концентрации скорость проникновения намного больше, чем следует ожидать для простой диффузии. При диффузии с подвижным переносчиком скорость переноса вещества возрастает, если молекулы (А) этого вещества образуют комплекс с молекулами (Х) вспомогательного вещества. Вспомогательное вещество обладает повышенной растворимостью в липидах. На поверхности мембраны молекулы (А) соединяются с молекулами (Х) и в виде комплекса (АХ) проходят в клетку. В клетке комплекс разрушается, молекулы вещества (А) освобождаются, а переносчик (Х) захватывает у наружной поверхности мембраны новую молекулу переносимого вещества. Процесс переноса проходит до тех пор, пока концентрация переносимого вещества не выровняется по обе стороны мембраны (рис.5.5, 1).

Облегченная диффузия с фиксированным переносчиком. Цепочка молекул переносчика выстраивается внутри канала в мембране или выстилает канал. Молекула переносимого вещества (А) передвигается внутри канала от одного переносчика л другому. При этом предполагается, что пространство в канале недостаточно велико для прохождения частиц вещества, поэтому они связываются с молекулами переносчиков, передвигаясь от одного к другому (рис.5.5, 2).

Отличия облегченной диффузии от простой состоят в следующем:

1) перенос вещества с участием переносчика проходит значительно быстрее;

2) облегченная диффузия обладает свойством насыщения (рис.5.6), то есть при увеличении концентрации вещества с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;

Рис.5.6.Зависимость плотности потока j m вещества через мембрану в клетку от концентрации вещества снаружи клетки (С НАР) при простой (1) и облегченной (2) диффузии.

3) при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда переносчик несет разные вещества; при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других; например, из сахаров глюкоза переносится лучше, чем фруктоза, фруктоза лучше, чем ксилоза, ксилоза лучше, чем арабиноза;

4) есть вещества, блокирующие облегченную диффузию – они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика, например, флоридзин подавляет транспорт сахаров через мембрану.

На рис. 2 представлены основные разновидности диффузии веществ через мембрану.

Диффузия – самопроизвольное перемещение вещества из мест с большей их концентрацией в места с меньшей концентрацией вещества вследствие хаотического теплового движения частиц . Диффузия вещества через липидный бислой вызывается градиентом концентрации в мембране. Плотность потока вещества по закону Фика:

Где С М 1 – концентрация вещества в мембране около одной ее поверхности и С М 2 – около другой, l – толщина мембраны.

Так как измерить концентрации С М 1 и С М 2 труд­но, на практике пользуются формулой, связывающей плотность потока вещества через мембрану с концентрациями этого вещества не внутри мембраны, а снаружи в растворах около поверхностей мембраны – С 1 и С 2:

где Р – коэффициент проницаемости.

К – коэффициент распределения – показывает, ка­кую часть концентрации у поверхности вне мембраны составляет концентрация у поверхности мемб­раны, но внутри ее.

Подставив (4) в (2), получим:

Из уравнений (3) и (5) видно, что коэффициент проницаемости:

Этот коэффициент удобен, поскольку имеет размерность линейной скорости (в м/с) и может быть определен по результатам измерения мембранных потенциалов.

Коэффициент проницаемости , как видно из формулы, тем больше, чем больше коэффициент диффузии D, чем тоньше мембрана и чем лучше вещество растворяется в липидной фазе мембраны (чем больше К).

Хорошо растворимы в липидной фазе мембраны неполярные вещества , например: органические и жирные кислоты, эфиры. В то же время плохо проходят через липидный бислой мембраны полярные вещества : вода, неорганические соли, сахара, аминокислоты. Электролиты , слабо растворимые в липидах, не образуют с водой водородных связей, но они обладают водной оболочкой, образующейся в результате электростатических взаимодействий. Размер оболочки прямо пропорционален плотности заряда электролита. Электролиты с большей плотностью заряда обладают большей гидратной оболочкой и, таким образом, меньшей скоростью диффузии. Ионы Na + , например, характеризуются большей плотностью заряда, чем ионы К + . Следовательно, гидратированный Na + имеет больший размер, чем К + , и его скорость пассивной диффузии ниже. Перенос воды происходит через наполненные водой белковые и липидные поры. Однако в последнее время помимо гидрофильных пор проникновение через мембрану мелких полярных молекул связывают с образованием между жирнокислотными хвостами фосфолипидных молекул при их тепловом движении небольших свободных полостей – кинков (от англ. kink – петля). Вследствие теплового движения хвостов молекул фосфолипидов кинки могут переме­щаться поперек мембраны и переносить попавшие в них мелкие молекулы, в первую очередь молекулы воды.

Долгое время считалось, что для диффузии воды через клеточные мембраны достаточно ее естественной проницаемости через липидную часть мембран за счет движения кинков. В 1988 г. В лаборатории П. Агре (лауреата Нобелевской премии по химии за 2003 год) были описаны аквапорины – новый класс белков, которые высокоэффективно пропускают молекулы воды, будучи абсолютно непроницаемы не для каких ионов, включая протоны.

В отличие от ионных каналов, аквапорины осуществляют избирательное пропускание воды через мембраны клеток. Аквапорины имеют молекулярную массу ~ 30 кДа и находятся в мембране в виде тетрамеров (рис. 3). Они встречаются в клетках всех живых организмов и играют особенно важную роль в физиологии почек (у человека через них проходит до 170 л воды в сутки). Нарушения работы аквапоринов (например, в случае генетических дефектов этих белков) приводят к тяжелым патологиям.

Рентгеноструктурный анализ аквапорина показал, что его структура сильно отличается от структуры калиевого канала. В мембране формируется очень узкое отверстие , в центре которого имеются два положительных заряда , расположенных на двух симметричных петлях с характерной последовательностью -N-P-A. Прохождение большинства катионов и анионов через данный канал невозможно из-за его малого размера, а протоны не проходят через него из-за наличия положительного заряда.

Через гидрофильные липидные и белковые поры сквозь мембрану проникают молекулы нерастворимых в липидах веществ и водорастворимые гидратированные ионы, окруженные молекулами воды. Для жиронерастворимых веществ и ионов мембрана выступает как молекулярное сито: чем больше размер частицы, тем меньше проницае­мость мембраны для этого вещества. Избирательность переноса обеспечивается набором в мембране пор определенного радиуса, соответствующих размеру проникающей частицы.

Некоторые микроорганизмы синтезируют малые органические молекулы – ионофоры, которые осуществляют челночные перемещения ионов через мембраны. Эти ионофоры содержат гидрофильные центры, которые связывают определенные ионы. По периферии центры окружены гидрофобными областями, что позволяет молекуле легко растворяться в мембране и диффундировать через нее. Существуют и другие ионофоры, подобные хорошо изученному полипептиду грамицидину, которые образуют каналы. Некоторые микробные токсины (например, дифтерийный токсин) и компоненты активированного сывороточного комплемента способны образовывать крупные поры в клеточных мембранах, через которые могут проходить макромолекулы.

Суммируя сказанное, можно сказать, что диффузия веществ определяется следующими факторами :

1) трансмембранным концентрационным градиентом веществ. Растворенные вещества перемещаются в сторону понижения концентрации;

2) трансмембранной разностью электрических потенциалов . Растворенные вещества движутся в сторону раствора с противоположным зарядом;

3) коэффициентом проницаемости мембраны для данного вещества;

4) градиентом гидростатического давления на мембране. При повышении давления будет увеличиваться скорость столкновений молекул и мембраны;

5) температурой . Чем выше температура, тем больше скорость частиц и, следовательно, частота столкновений между частицами и мембраной.

Простая диффузия

По пути простой диффузии частицы вещества перемещаются сквозь липидный бислой. Направление простой диффузии определяется только разностью концентраций вещества по обеим сторонам мембраны. Путём простой диффузии в клетку проникают гидрофобные вещества (O 2 , N 2 , бензол) и полярные маленькие молекулы (CO 2 , H 2 O, мочевина). Не проникают полярные относительно крупные молекулы (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы) и макромолекулы (ДНК, белки).

править]Облегчённая диффузия

Большинство веществ переносится через мембрану с помощью погружённых в неё транспортных белков (белков-переносчиков). Все транспортные белки образуют непрерывный белковый проход через мембрану. С помощью белков-переносчиков осуществляется как пассивный, так и активный транспорт веществ. Полярные вещества (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы) проходят через мембраны с помощью облегчённой диффузии, при участии белков-каналов или белков-переносчиков. Участие белков-переносчиков обеспечивает более высокую скорость облегчённой диффузии по сравнению с простой пассивной диффузией. Скорость облегчённой диффузии зависит от ряда причин: от трансмембранного концентрационного градиента переносимого вещества, от количества переносчика, который связывается с переносимым веществом, от скорости связывания вещества переносчиком на одной поверхности мембраны (например, на наружной), от скорости конформационных изменений в молекуле переносчика, в результате которых вещество переносится через мембрану и высвобождается на другой стороне мембраны. Облегчённая диффузия не требует специальных энергетических затрат за счёт гидролиза АТФ. Эта особенность отличает облегчённую диффузию от активного трансмембранного транспорта

Осмос играет важную роль во многих биологических процессах. Мембрана, окружающая нормальную клетку крови, проницаема лишь для молекул воды, кислорода, некоторых из растворённых в крови питательных веществ и продуктов клеточной жизнедеятельности; для больших белковых молекул, находящихся в растворённом состоянии внутри клетки, она непроницаема. Поэтому белки, столь важные для биологических процессов, остаются внутри клетки.

Осмос участвует в переносе питательных веществ в стволах высоких деревьев, где капиллярный перенос не способен выполнить эту функцию.

Осмос широко используют в лабораторной технике: при определении молярных характеристик полимеров, концентрировании растворов, исследовании разнообразных биологических структур. Осмотические явления иногда используются в промышленности, например при получении некоторых полимерных материалов, очистке высоко-минерализованной воды методом обратного осмоса жидкостей.

Клетки растений используют осмос также для увеличения объёма вакуоли, чтобы она распирала стенки клетки (тургорное давление). Клетки растений делают это путём запасания сахарозы. Увеличивая или уменьшая концентрацию сахарозы в цитоплазме, клетки могут регулировать осмос. За счёт этого повышается упругость растения в целом. С изменениями тургорного давления связаны многие движения растений (например, движения усов гороха и других лазающих растений). Пресноводные простейшие также имеют вакуоль, но задача вакуолей простейших заключается лишь в откачивании лишней воды из цитоплазмы для поддержания постоянной концентрации растворённых в ней веществ.

19)Активный транспорт - перенос вещества через клеточную или внутриклеточную мембрану (трансмембранный А.т.) или через слой клеток (трансцеллюлярный А.т.), протекающий против градиента концентрации из области низкой концентрации в область высокой, т. е. с затратой свободной энергии организма. В большинстве случаев, но не всегда, источником энергии служит энергия макроэргических связей АТФ.

Различные транспортные АТФазы, локализованные в клеточных мембранах и участвующие в механизмах переноса веществ, являются основным элементом молекулярных устройств - насосов, обеспечивающих избирательное поглощение и откачивание определенных веществ (например, электролитов) клеткой. Активный специфический транспорт неэлектролитов (молекулярный транспорт) реализуется с помощью нескольких типов молекулярных машин - насосов и переносчиков. Транспорт неэлектролитов (моносахаридов, аминокислот и других мономеров) может сопрягаться с симпортом - транспортом другого вещества, движение которого по градиенту концентрации является источником энергии для первого процесса. Симпорт может обеспечиваться ионными градиентами (например, натрия) без непосредственного участия АТФ.

В клетках животных наиболее важным механизмом активного транспорта является так называемый натриево-калиевый насос, связанный с разницей в градиенте концентрации ионов К+ и Na+ вне и внутри клетки.

Среди примеров активного транспорта против градиента концентрации лучше всего изучен натрий-калиевый насос. Во время его работы происходит перенос трех положительных ионов Na+ из клетки на каждые два положительных иона К в клетку. Эта работа сопровождается накоплением на мембране разности электрических потенциалов. При этом расщепляется АТФ, давая энергию. В течение многих лет молекулярная основа натрий-калиевого насоса оставалась неясной. В настоящее время установлено, что эта "машина" представляет собой не что иное, как фермент, расщепляющий АТФ,- натрий-калий-зависимую АТФ-азу. Этот фермент обычно расположен в мембранах и активируется при повышении концентрации ионов натрия внутри клетки или ионов калия в наружной среде. Большинство исследователей склоняется к мысли, что насос действует по принципу открывающихся и закрывающихся каналов. Предполагается, что натриевые и калиевые каналы соседствуют друг с другом. Связывание молекул "канального" белка с ионом натрия приводит к нарушению системы водородных связей, в результате чего меняется его форма. Обычная а- спираль, в которой на каждый виток приходится 3,6 аминокислотного остатка, переходит в более рыхную бета-спираль (4,4 аминокислотного остатка). В результате образуется внутренняя полость, достаточная для прохождения иона Na+, но слишком узкая для иона калия. После прохождения Na+ пи-спираль переходит в туго свернутую так называемую спираль З 10 (это означает, что 3 аминокислотных остатка приходится на виток и водородная связь у каждого десятого атома). При этом натриевый канал закрывается, а стенки соседнего калиевого канала раздвигаются, образуя полость, достаточно широкую для прохождения иона калия. Натрий-калиевый насос работает по принципу перистальтического насоса (вспомните передвижение пищевого комка по кишечнику), работа которого основана на переменном сжатии и расширении эластичных труб.

20)Эндоцито́з (англ. endocytosis ) - процесс захвата (интернализации) внешнего материала клеткой, осуществляемый путём образования мембранных везикул. В результате эндоцитоза клетка получает для своей жизнедеятельности гидрофильный материал, который иначе не проникает через липидный бислой клеточной мембраны. Различают фагоцитоз, пиноцитоз ирецептор-опосредованный эндоцитоз. Термин был предложен в 1963 году бельгийским цитологом Кристианом де Дювом для описания множества процессов интернализации, развившихся в клетке млекопитающих.

§ Фагоцитоз (поедание клеткой) - процесс поглощения клеткой твёрдых объектов, таких как клетки эукариот, бактерии,вирусы, остатки мёртвых клеток и т. п. Вокруг поглощаемого объекта образуется большая внутриклеточная вакуоль (фагосома). Размер фагосом - от 250 нм и больше. Путем слияния фагосомы с первичной лизосомой образуется вторичная лизосома. В кислой среде гидролитические ферменты расщепляют макромолекулы, оказавшиеся во вторичной лизосоме. Продукты расщепления (аминокислоты, моносахариды и прочие полезные вещества) транспортируются затем через лизосомную мембрану в цитоплазму клетки. Фагоцитоз распространен очень широко. У высокоорганизованных животных и человека процесс фагоцитоза играет защитную роль. Фагоцитарная деятельностьлейкоцитов и макрофагов имеет огромное значение в защите организма от попадающих в него патогенных микробов и других нежелательных частиц. Фагоцитоз впервые описал русский ученый И.И. Мечников.

§ Пиноцитоз (питьё клеткой) - процесс поглощения клеткой жидкой фазы из окружающей среды, содержащей растворимые вещества, включая крупные молекулы (белки, полисахариды и др.). При пиноцитозе от мембраны отшнуровываются внутрь клетки небольшие пузырьки - эндосомы. Они меньше фагосом (их размер до 150 нм) и обычно не содержат крупных частиц. После образования эндосомы к ней подходит первичная лизосома, и эти два мембранных пузырька сливаются. Образовавшаяся органелла носит название вторичной лизосомы. Процесс пиноцитоза постоянно осуществляют все эукариотическме клетки.

§ Рецептор-опосредованный эндоцитоз - активный специфический процесс, при котором клеточная мембрана выпучивается внутрь клетки, формируя окаймлённые ямки. Внутриклеточная сторона окаймлённой ямки содержит набор адаптивных белков (адаптин, клатрин, обуславливающий необходимую кривизну выпучивания, и др. белки). Макромолекулы, связывающиеся со специфическими рецепторами на поверхности клетки, проходят внутрь со значительно большей скоростью, чем вещества, поступающие в клетки за счет пиноцитоза. Внешняя сторона мембраны при этом включает специфические рецепторы (например, ЛПНП-рецептор). При связывании лиганда из окружающей клетку среды окаймлённые ямки формируют внутриклеточные везикулы (окаймлённые пузырьки). Рецептор-опосредованный эндоцитоз включается для быстрого и контролируемого поглощения клеткой соответствующего лиганда (например, ЛПНП). Эти пузырьки быстро теряют свою кайму и сливаются между собой, образуя более крупные пузырьки - эндосомы. После чего эндосомы сливаются с первичными лизосомами, в результате чего формируются вторичные лизосомы. Например, когда животной клетке необходимхолестерин для синтеза мембраны, она экспрессирует ЛПНП-рецепторы на плазматической мембране. Богатые холестерином и эфирами холестерина ЛПНП, связавшиеся с ЛПНП-рецепторами, быстро доставляют холестерин в клетку.

Основные этапы фагоцитарной реакции сходны для клеток обоих типов. Реакция фагоцитоза может быть подразделена на несколько этапов:

1. Хемотаксис. В реакции фагоцитоза более важная роль принадлежит положительному хемотаксису. В качестве хемоаттрактантов выступают продукты выделяемые микроорганизмами и активированными клетками в очаге воспаления (цитокины, лейкотриен В4, гистамин), а также продукты расщепления компонентов комплемента (С3а, С5а), протеолитические фрагменты факторов свертывания крови и фибринолиза (тромбин, фибрин), нейропептиды, фрагменты иммуноглобулинов и др. Однако, «профессиональными» хемотаксинами служат цитокины группы хемокинов.

Ранее других клеток в очаг воспаления мигрируют нейтрофилы, существенно позже поступают макрофаги. Скорость хемотаксического перемещения для нейтрофилов и макрофагов сопоставима, различия во времени поступления, вероятно, связаны с разной скоростью их активации.

2. Адгезия фагоцитов к объекту. Обусловлена наличием на поверхности фагоцитов рецепторов для молекул, представленных на поверхности объекта (собственных или связавшихся с ним). При фагоцитозе бактерий или старых клеток организма хозяина происходит распознавание концевых сахаридных групп - глюкозы, галактозы, фукозы, маннозы и др., которые представлены на поверхности фагоцитируемых клеток. Распознавание осуществляется лектиноподобными рецепторами соответствующей специфичности, в первую очередь маннозосвязывающим белком и селектинами, присутствующими на поверхности фагоцитов.

В тех случаях, когда объектами фагоцитоза являются не живые клетки, а кусочки угля, асбеста, стекла, металла и др., фагоциты предварительно делают объект поглощения приемлемым для осуществления реакции, окутывая его собственными продуктами, в том числе компонентами межклеточного матрикса, который они продуцируют.

Хотя фагоциты способны поглощать и разного рода «неподготовленные» объекты, наибольшей интенсивности фагоцитарный процесс достигает при опсонизации, т. е. фиксации на поверхности объектов опсонинов к которым у фагоцитов есть специфические рецепторы - к Fc-фрагменту антител, компонентам системы комплемента, фибронектину и т. д.

3. Активация мембраны. На этой стадии осуществляется подготовка объекта к погружению. Происходит активация протеинкиназы С, выход ионов кальция из внутриклеточных депо. Большое значение играют переходы золь-гель в системе клеточных коллоидов и актино-миозиновые перестройки.

4. Погружение. Происходит обволакивание объекта.

5. Образование фагосомы. Замыкание мембраны, погружение объекта с частью мембраны фагоцита внутрь клетки.

6. Образование фаголизосомы. Слияние фагосомы с лизосомами, в результате чего образуются оптимальные условия для бактериолиза и расщепления убитой клетки. Механизмы сближения фагосомы и лизосом неясны, вероятно имеется активное перемещение лизосом к фагосомам.