Активным транспортом называют процессы, в которых молекула должна двигаться через мембрану независимо от направления ее концентрационного градиента. Чаще всего это происходит и.ч области с более низкой концентрацией в область с более высокой и сопровождается увеличением свободной энергии, которое составляет 5,71 lgC2/C| кДж-моль-1.

Как указывалось раннее это процесс переноса веществ из мест с меньшим значением электрохимического потенциала в места с его большим значением.

Так как активный транспорт в мембране сопровождается ростом энергии Гиббса, он не может идти самопроизвольно, т. е. для такого процесса необходимо сопряжение с какой-нибудь самопроизвольно протекающей реакцией. В целом, это может осуществляться двумя путями: 1) в сопряжении с процессом гидролиза АТФ, т. е. за счет затраты энергии, запасенной в макроэргических связях; 2) опосредованный мембранным потенциалом и/или градиентом концентрации ионов при наличии и мембране специфических переносчиков.

В первом случае транспорт осуществляется с помощью электрогенных ионных насосов, работающих за счет свободной энергии гидролиза АТФ. Их относят к специальных систем интегральных белков и называют транспортными АТФазами. В настоящее время известны три типа электрогенных ионных насосов, осуществляющих перенос ионов через мембрану: К+ - Na+ - АТФазы, за счет энергии, освобождающейся при гидролизе каждой молекулы АТФ, в клетку переносится два иона калия и выкачиваются три иона натрия; в Са2+ - АТФазе за счет энергии гидролиза АТФ переносится два иона кальция; в Н+ - помпе - два протона.

Во втором случае транспорт веществ является вторичным, для которого глубоко исследованы три схемы.

Однонаправленный перенос иона в комплексе со специфическим переносчиком получил название унипорта. При этом через мембрану переносится заряд либо комплексом если молекула переносчика электронейтральна, либо пустым переносчиком, если транспорт обеспечивается заряженным переносчиком. Результатом переноса будет накопление ионов за счет снижения мембранного потенциала. Такой эффект наблюдается при накоплении ионов калия в присутствии валиномицина в энергизированных митохондриях.

Встречный перенос ионов с участием одноместной молекулы - переносчика получил название антипорта. Предполагается при этом, что молекула переносчика образует прочный комплекс с каждым из переносимых ионов. Перенос осуществляется в два этапа: сначала один ион пересекает мембрану слева направо, затем второй ион - в обратном направлении. Мембранный потенциал при этом не меняется. По-видимому, движущей силой в этом процессе является разность концентраций одного из переносимых ионов. Если исходно разность концентрации второго иона отсутствовала, то результатом переноса станет накопление второго иона за счет уменьшения разности концентраций первого. Классическим примером антипорта служит перенос через клеточную мембрану ионов калия и водорода с участием антибиотика нигирицина. Необходимо отметить, что большинство бел- ков-переносчиков функционируют по типу антипорта, т. е. движение вещества через мембрану становится возможным только в обмен на какое-либо довольно специфическое вещество, имеющее тот же заряд, но двигающееся в обратном направлении.

Таким образом, выход какого-либо основного компонента клетки по концентрационному градиенту, может управлять движением идущего навстречу вещества против его градиента и совершать «работу» до тех пор, пока обе движущие силы не уравновесятся.

Совместный однонаправленный перенос веществ с участием двухместного переносчика называеться симпортом. Предполагается, что в мембране могут находится две электронейтраль- ные частицы: переносчик в комплексе с катионом и анионом и пустой переносчик. Поскольку мембранный потенциал в такой системе переноса не изменяется, то причиной транспорта может быть разность концентраций одного из ионов. Считается, что по схеме симпорта следует, что этот процесс должен сопровождаться значительным смещением осмотического равновесия, поскольку в одном цикле переносятся через мембрану две частицы в одном направлении.

Благодаря наличию достаточно хорошо разработанных(теорий, механизмов переноса ионов и эндогенных органических веществ в клетке стало возможным интерпретировать данные, полученные в экспериментах с лекарствами (раздел 6.3.3).

По аналогии с рис. 6.10 активный транспорт можно представить таким образом, как показано на рис. 6.11.

В этом случае переносчик С образует на внешней стороне мембраны с лекарством (Л) комплекс СА. Он проникает в мембрану, отщепляя Л с ее другой стороны. В случае активного транспорта концентрация Л на внутренней стороне мембраны может быть на много больше концентрации на наружной. В отличии от пассивного транспорта (рис. 6.10) комплекс СА используя энергию АТФ, превращается в комплекс С"А, который легко отщепляет Л (рис. 6.11). Учитывая необходимость энергетических затрат для осуществления транспорта СА на противоположную сторону мембраны, можно считать, что /(, (константа расщепления) на внутренней стороне больше К0. Это так называемое ассиметричное расщепление комплекса лекарство-переносчик.

Внешняя водная фаза

Концентрация [Л]0 Активность (Л)0

В живых организмах активные транспортные механизмы широко распространены и их можно рассматривать как одну из фундаментальных функций клетки. Например, в клетках имеется высокая концентрация калия и низкая концентрация натрия в отличии от внеклеточного пространства, где эти ионы находятся в обратном взаимоотношении. Мембраны свободно проходимы для обоих ионов и ассиметрическое распределение поддерживается путем постоянного «накачивания» натрия из клетки наружу и калия внутрь. .Секреция НС1 в желудке является настоящим активным транспортом Н+ и СГ. Йод концентрируется в щитовидной железе по аналогичному механизму. Сахара переносятся против более высокой концентрации в кишках и проксимальных почечных канальцах. Аналогично ведут себя аминокислоты в кишках, почках, мышцах и мозге. Секреция органических кислот (napa-аминобензойной, гиппу- ровой) почечными канальцами является активным транспортным процессом .

Механизм активного транспорта высокоспецифичен, так как он был создан природой для удовлетворения биологической потребности организма в необходимых питательных веществах или выведения из него продуктов их метаболизма. Что касается лекарственных средств, подвергающихся активному транспорту, то они в этом случае должны быть близки по химическому строению к естественным веществам организма. Путем активного транспорта в кишечнике всасывается аналог пиримидина фторафур и железо. С помощью того же механизма леводофа проникает через гематоэнцефалический барьер. В почечных канальцах секретируются лекарства, относящиеся к органическим кислотам и основаниям.

Подводя итог рассмотрению механизмов трансмембранного транспорта веществ необходимо еще раз подчеркнуть, что в процессе жизнедеятельности границы клетки пересекают разнообразные вещества, потоки которых эффективно регулируются. С этой задачей справляется клеточная мембрана с встроенными в нее транспортными системами, включающими ионные насосы, систему молекул-переносчиков и высокоселективные ионные каналы.

Такое обилие систем переноса на первый взгляд кажется излишним, ведь работа только ионных насосов позволяет обеспечить характерные особенности биологического транспорта: нысокую избирательность, перенос веществ против сил диффузии и электрического поля. Парадокс заключается, однако, в том, что количество потоков, подлежащих регулированию, бесконечно велико, в то время как насосов всего три. В этом случае особое значение приобретают механизмы ионного сопряжения, получившие название вторичного активного транспорта, в которых важную роль играют диффузные процессы. Таким образом, сочетание активного транспорта веществ с явлениями диффузионного переноса в клеточной мембране - та основа, которая обеспечивает жизнедеятельность клетки.

В мембране существуют 2 типа специализированных интегральных белковых систем, которые обеспечивают транспорт ионов через клеточную мембрану: ионные насосы и ионные каналы . То есть, существует 2 принципиальных типа транспорта ионов через мембрану: пассивный и активный.

Ионные насосы и трансмембранные ионные градиенты

Ионные насосы (помпы) – интегральные белки, которые обеспечивают активный перенос ионов против градиента концентрации. Энергией для транспорта служит энергия гидролиза АТФ. Различают Na+ / K+ помпу (откачивает из клетки Na+ в обмен на К+), Ca++ помпу (откачивает из клетки Ca++), Cl– помпу (откачивает из клетки Cl –).

В результате работы ионных насосов создаются и поддерживаются трансмембранные ионные градиенты:

• концентрация Na+, Ca++, Cl – внутри клетки ниже, чем снаружи (в межклеточной жидкости);
• концентрация K+ внутри клетки выше, чем снаружи.

Механизм работы натрий-калиевого насоса. НКН за один цикл переносит 3 иона Na+ из клетки и 2 иона K+ в клетку. Это происходит из-за того, что молекула интегрального белка может находиться в 2 положениях. Молекула белка, образующая канал, имеет активный участок, который связывает либо Na+, либо K+. В положении (конформации) 1 она обращена внутрь клетки и может присоединять Na+. Активируется фермент АТФаза, расщипляющая АТФ до АДФ. Вследствие этого молекула превращается в конформацию 2. В положении 2 она обращена вне клетки и может присоединять K+. Затем конформация вновь меняет и цикл повторяется.

Ионные каналы

Ионные каналы – интегральные белки, которые обеспечивают пассивный транспорт ионов по градиенту концентрации. Энергией для транспорта служит разность концентрации ионов по обе стороны мембраны (трансмембранный ионный градиент).

Неселективные каналы обладают следующими свойствами :

• пропускают все типы ионов, но проницаемость для ионов K+ значительно выше, чем для других ионов;
• всегда находятся в открытом состоянии.

Селективные каналы обладают следующими свойствами :

• пропускают только один вид ионов; для каждого вида ионов существует свой вид каналов;
• могут находиться в одном из 3 состояний: закрытом, активированном, инактивированном.

Избирательная проницаемость селективного канала обеспечивается селективным фильтром, который образован кольцом из отрицательно заряженных атомов кислорода, которое находится в самом узком месте канала.

Изменение состояния канала обеспечивается работой воротного механизма , который представлен двумя белковыми молекулами. Эти белковые молекулы, так называемые активационные ворота и инактивационные ворота, изменяя свою конформацию, могут перекрывать ионный канал.

В состоянии покоя активационные ворота закрыты, инактивационные ворота открыты (канал закрыт). При действии на воротную систему сигнала активационные ворота открываются и начинается транспорт ионов через канал (канал активирован). При значительной деполяризации мембраны клетки инактивационные ворота закрываются и транспорт ионов прекращается (канал инактивирован). При восстановлении уровня потенциала покоя, канал возвращается в исходное (закрытое) состояние.

В зависимости от сигнала, который вызывает открытие активационных ворот, селективные ионные каналы подразделяют на:

• хемочувствительные каналы – сигналом к открытию активационных ворот является изменение конформации ассоциированного с каналом белка-рецептора в результате присоединения к нему лиганда;
• потенциалчувствительные каналы – сигналом к открытию активационных ворот является снижение потенциала покоя (деполяризация) клеточной мембраны до определенного уровня, который называют критическим уровнем деполяризации (КУД).

Активный транспорт - это перенос вещества из мест с меньшим значением электрохимического потенциала в места с его большим значением.

Активный транспорт в мембране сопровождается ростом энергии Гиббса, он не может идти самопроизвольно, а только в сопряжении с процессом гидролиза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), то есть за счет затраты энергии, запасенной в макроэргических связях АТФ.

Активный транспорт веществ через биологические мембраны имеет огромное значение. За счет активного транспорта в организме создаются градиенты концентраций, градиенты электрических потенциалов, градиенты давления и т.д., поддерживающие жизненные процессы, т.е. с точки зрения термодинамики активный перенос удерживает организм в неравновесном состоянии, поддерживает жизнь.

Существование активного транспорта веществ через биологические мембраны впервые было доказано в опытах Уссинга (1949 г.) на примере переноса ионов натрия через кожу лягушки (рис. 12).

Рис. 12. Схема опытов Уссинга (А - амперметр, V - вольтметр, Б - батарейка, П - потенциометр)

Экспериментальная камера Уссинга, заполненная нормальным раствором Рингера, была разделена на две части свежеизолированной кожей лягушки. На рис. 12, слева - наружная мукозная поверхность кожи, справа - внутренняя серозная. Наблюдались потоки ионов натрия через кожу лягушки: слева направо от наружной к внутренней поверхности и справа налево от внутренней к наружной поверхности.

Из уравнения Теорелла, описывающего пассивный транспорт, следует уравнение Уссинга- Теорелла для отношения этих потоков в случае пассивного транспорта:

J m ,вн /j m ,нар = (С нар /С вн)×е ZF j / RT

На коже лягушки, разделяющей раствор Рингера, возникает разность потенциалов (j вн -j нар) -внутренняя сторона кожи имеет положительный потенциал по отношению к наружной. В установке Уссинга (рис. 12) имелся блок компенсации напряжения, с помощью которого устанавливалась разность потенциалов на коже лягушки, равная нулю, что контролировалось вольтметром. Поддерживалась одинаковая концентрация ионов с наружной и внутренней стороны С нар = С вн.

При этих условиях, если бы перенос натрия через кожу лягушки определялся только пассивным транспортом, то согласно уравнению Уссинга-Теорелла потоки j m ,вн и j m ,нар были равны друг другу: j m ,вн = j m ,нар

Суммарный поток через мембрану был бы равен нулю.

С помощью амперметра обнаружено, что в условиях опыта (отсутствие градиентов электрического потенциала и концентрации) через кожу лягушки течет электрический ток I, следовательно происходит односторонний перенос заряженных частиц. Установлено, что ток через кожу течет от внешней среды к внутренней.

Экспериментальные данные неопровержимо свидетельствовали о том, что перенос ионов натрия через кожу лягушки не подчиняется уравнению пассивного транспорта. Следовательно, имеет место активный перенос.

Электрогенные ионные насосы

Согласно современным представлениям, в биологических мембранах имеются ионные насосы, работающие за счет свободной энергии гидролиза АТФ, - специальные системы интегральных белков (транспортные АТФазы).

В настоящее время известны три типа электрогенных ионных насосов, осуществляющих активный перенос ионов через мембрану (рис.13).

Перенос ионов транспортными АТФазами происходит вследствие сопряжения процессов переноса с химическими реакциями, за счет энергии метаболизма клеток.

При работе К + -Na + -АТФазы за счет энергии, освобождающейся при гидролизе каждой молекулы АТФ, в клетку переносится два иона калия и одновременно из клетки выкачиваются три иона натрия. Таким образом, создается повышенная по сравнению с межклеточной средой концентрация в клетке ионов калия и пониженная натрия, что имеет огромное физиологическое значение.

В Са 2+ -АТФазе за счет энергии гидролиза АТФ переносятся два иона кальция, а в Н + -помпе - два протона.

Рис.13 . Виды ионных насосов: а) К + -Na + - АТФаза в цитоплазматических мембранах

(К + -Nа + -насос); б) - Са 2+ -АТФаза (Са 2+ -насос); в) - Н + -АТФаза в энергосопрягающих мембранах митохондрий, хлоропластов (Н + -насос, или протонная помпа)

Молекулярный механизм работы ионных АТФаз до конца не изучен. Тем не менее прослеживаются основные этапы этого сложного ферментативного процесса. В случае К + -Nа + -АТФазы насчитывается семь этапов переноса ионов, сопряженных с гидролизом АТФ.

На схеме видно, что ключевыми этапами работы фермента являются:

1) образование комплекса фермента с АТФ на внутренней поверхности мембраны (эта реакция активируется ионами магния);

2) связывание комплексом трех ионов натрия;

3) фосфорилирование фермента с образованием аденозиндифосфата;

4) переворот (флип-флоп) фермента внутри мембраны;

5) реакция ионного обмена натрия на калий, происходящая на внешней поверхности мембраны;

6) обратный переворот ферментного комплекса с переносом ионов калия внутрь клетки;

7) возвращение фермента в исходное состояние с освобождением ионов калия и неорганического фосфата (Р).

Таким образом, за полный цикл происходят выброс из клетки трех ионов натрия, обогащение цитоплазмы двумя ионами калия и гидролиз одной молекулы АТФ.

Вторичный активный транспорт ионов .

Помимо ионных насосов, рассмотренных выше, известны сходные системы, в которых накопление веществ сопряжено не с гидролизом АТФ, а с работой окислительно-восстановительных ферментов или фотосинтезом. Транспорт веществ в этом случае является вторичным, опосредованным мембранным потенциалом и/или градиентом концентрации ионов при наличии в мембране специфических переносчиков. Такой механизм переноса получил название вторичного активного транспорта. Наиболее детально этот механизм рассмотрен Питером Митчелом (1966 г.) в хемиосмотической теории окислительного фосфорилирования. В плазматических и субклеточных мембранах живых клеток возможно одновременное функционирование первичного и вторичного активного транспорта. Примером может служить внутренняя мембрана митохондрий. Ингибирование АТФазы в ней не лишает частицу способности накапливать вещества за счет вторичного активного транспорта. Такой способ накопления особенно важен для тех метаболитов, насосы для которых отсутствуют (сахара, аминокислоты).

В настоящее время достаточно глубоко исследованы три схемы вторичного активного транспорта. Рассмотрим транспорт одновалентных ионов с участием молекул-переносчиков. При этом подразумевается, что переносчик в нагруженном или ненагруженном состоянии одинаково хорошо пересекает мембрану. Источником энергии служит мембранный потенциал и/или градиент концентрации одного из ионов. Схемы показаны на рис.14. Однонаправленный перенос иона в комплексе со специфическим переносчиком получил название унипорта . При этом через мембрану переносится заряд либо комплексом, если молекула переносчика электронейтральна, либо пустым переносчиком, если перенос обеспечивается заряженным переносчиком. Результатом переноса будет накопление ионов за счет снижения мембранного потенциала. Такой эффект наблюдается при накоплении ионов калия в присутствии валиномицина в энергизированных митохондриях.

Встречный перенос ионов с участием одноместной молекулы-переносчика получил название антипорта . Предполагается при этом, что молекула-переносчик образует прочный комплекс с каждым из переносимых ионов. Перенос осуществляется в два этапа: сначала один ион пересекает мембрану слева направо, затем второй ион - в обратном направлении. Мембранный потенциал при этом не меняется. Что же является движущей силой этого процесса? Очевидно, разность концентраций одного из переносимых ионов. Если исходно разность концентрации второго иона отсутствовала, то результатом переноса станет накопление второго иона за счет уменьшения разности концентраций первого. Классическим примером антипорта служит перенос через клеточную мембрану ионов калия и водорода с участием молекулы антибиотика нигерицина.

Совместный однонаправленный перенос ионов с участием двухместного переносчика называется симпортом . Предполагается, что в мембране могут находиться две электронейтральные частицы: переносчик в комплексе с катионом и анионом и пустой переносчик. Поскольку мембранный потенциал в такой схеме переноса не изменяется, то причиной переноса может быть разность концентраций одного из ионов. Считается, что по схеме симпорта осуществляется накопление клетками аминокислот. Калий-натриевый насос (рис.13) создает начальный градиент концентрации ионов натрия, которые затем по схеме симпорта способствуют накоплению аминокислот. Из схемы симпорта следует, что этот процесс должен сопровождаться значительным смещением осмотического равновесия, поскольку в одном цикле через мембрану переносятся две частицы в одном направлении.

Рис.14. Основные схемы вторичного активного транспорта ионов

В процессе жизнедеятельности границы клетки пересекают разнообразные вещества, потоки которых эффективно регулируются. С этой задачей справляется клеточная мембрана с встроенными в нее транспортными системами, включающими ионные насосы, систему молекул-переносчиков и высокоселективные ионные каналы.

Такое обилие систем переноса на первый взгляд кажется излишним, ведь работа только ионных насосов позволяет обеспечить характерные особенности биологического транспорта: высокую избирательность, перенос веществ против сил диффузии и электрического поля. Парадокс заключается, однако, в том, что количество потоков, подлежащих регулированию, бесконечно велико, в то время как насосов всего три. В этом случае особое значение приобретают механизмы ионного сопряжения, получившие название вторичного активного транспорта, в которых важную роль играют диффузные процессы. Таким образом, сочетание активного транспорта веществ с явлениями диффузионного переноса в клеточной мембране обеспечивает жизнедеятельность клетки.

Жизнедеятельность клетки связана с постоянным обменом ее содержимого с окружающей средой. Точно так же и внутри клетки происходит перемещение веществ между органеллами или компартментами. Все эти события связаны с преодолением основного барьера для веществ - мембраны, ограничивающей органеллу или саму клетку. При этом следует помнить, что главная функция биомембран - избирательность транспорта для различных - веществ и ионов. Возможные способы транспорта через мембраны можно разделить на 4 основных типа: пассивная диффузия, облегченная диффузия, активный транспорт и цитозы.

Пассивная диффузия . Это процесс транспорта через мембраны веществ из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией (по химическому градиенту), в котором не принимают участия транспортные белки и не затрачивается энергия. С помощью такого способа через мембрану транспортируются малые незаряженные молекулы, например молекулы газов, некоторые анестезирующие вещества, а также вода. Чтобы пересечь бислой, молекула должна преодолеть поверхностное натяжение на границе мембраны, проникнуть в бислой, продиффундировать через него и выйти с противоположной стороны, вновь преодолев энергетический барьер на границе раздела фаз. Этим и объясняется избирательная проницаемость липидного бислоя для небольших молекул неэлектролитов. Удивительным является факт весьма легкого и быстрого проникновения воды через мембраны: показано, что молекуле воды требуется для пересечения бислоя всего 1 мкс. Для объяснения этого феномена в последнее время появляются основанные на некоторых экспериментальных данных предположения о том, что в мембранах все же существуют какие-то белковые проводящие пути для воды, либо молекулы воды пользуются локальными дефектами в структуре бислоев.

Перемещение одних только молекул воды через полупроницаемую мембрану можно рассматривать как частный вид диффузии - осмос . Под осмосом понимают переход молекул воды из области с высоким водным потенциалом и низкой концентрацией растворенного вещества в область с низким водным потенциалом и высокой концентрацией растворенного вещества (рис. 4.9). В этом случае молекулы воды будут переходить из гипотонического раствора в гипертонический до тех пор, пока не наступит равновесие и оба раствора не станут изотоническими по отношению друг к другу.

Чтобы обозначить величину уменьшения водного потенциала , вызванного присутствием растворенных веществ, используют термин «осмотическое давление ». Под осмотическим давлением понимают давление, которое следует приложить к раствору, чтобы остановить осмотическое поступление воды в него через полупроницаемую мембрану. Повышение концентрации растворенного вещества увеличивает осмотическое давление и уменьшает водный потенциал раствора.

Перемещение воды через плазматические мембраны клеток в соответствии с законами осмоса создает организмам немалые проблемы, особенно для водных обитателей. Поэтому осморегуляция (поддержание водного потенциала в клетке на постоянном уровне) является важной стороной функциональной деятельности большинства организмов, и на ее осуществление зачастую тратится значительная доля запасенной клеткой энергии.

Скорость диффузии веществ через мембраны зависит от многих причин: растворимости вещества в мембране, коэффициента диффузии в мембране, а также разности концентрации вещества снаружи и внутри клетки (градиента концентрации) (рис. 4.10).

Облегченная диффузия . Этот вид транспорта осуществляется с помощью транспортных белков по электрохимическому градиенту (разность электрических потенциалов и концентраций веществ) без затрат энергии. Это селективный перенос веществ - вещество будет транспортировано через мембрану лишь в том случае, если для него в мембране имеется функционирующий транспортный белок. Поскольку в облегченной диффузии задействованы белки, этот процесс, в отличие от пассивной диффузии, может достигать эффекта насыщения. Стадия насыщения (рис. 4.10) характеризует состояние, когда все транспортные белки для данного вещества насыщены субстратом и скорость транспорта этого вещества достигает максимума.

С помощью облегченной диффузии через мембрану транспортируются многие вещества, в том числе гидрофильные молекулы: углеводы, аминокислоты, нуклеотиды, различные ионы и др. При этом скорость транспорта значительно превышает скорость пассивной диффузии (рис.4.10). Принципиально возможны два пути переноса веществ и ионов через мембрану: с помощью переносчиков и каналов. Поскольку трансмембранное перемещение белков в биомембранах не обнаружено, предложена модель, описывающая работу переносчиков - механизм «пинг-понг». Согласно этому механизму, транспорт веществ связан с конформационными изменениями в структуре белка-переносчика, которые индуцируются связыванием транспортируемого вещества (рис. 4.11).

Работу каналов можно рассмотреть на примере ацетилхолинового рецептора. Этот интегральный белок находится в основном в мембранах нервномышечных соединений скелетных мышц. Он состоит из пяти субъединиц четырех типов и открывается в ответ на связывание ацетилхолина (нейромедиатор ). При взаимодействии с ацетилхолином канал открывается, что связано с изменением конформации субъединиц, и пропускает определенные ионы (Na + , K + , Ca 2+ и некоторые другие), остается в таком положении 1 мс, а затем закрывается. Селективное перемещение катионов изменяет трансмембранный потенциал, в результате чего происходит электрическое возбуждение мышечной клетки, что приводит к сокращению мышцы. Изучение структуры ацетилхолинового рецептора показало, что пять белковых субъединиц встроены в бислой определенным образом: они организованы вокруг центральной поры диаметром 3 нм, через которую и транспортируются катионы. Непроницаемость канала для анионов и в три раза большую проницаемость для катионов, чем для незаряженных молекул, можно объяснить электростатическими взаимодействиями, возникающими благодаря присутствию в воротах канала биполярных или отрицательно заряженных групп.

Особым типом транспорта веществ в ходе облегченной диффузии является использование ионофоров, действие которых изучено на искусственных мембранах. Под ионофорами понимают низкомолекулярные вещества пептидной природы, избирательно транспортирующие через мембраны ионы. Различают ионофоры-каналообразователи (грамицидин А, амфотерицин B и др.) и ионофоры-переносчики (валиномицин, энниатины, боверицин).

Валиномицин представляет собой антибиотик депсипептидной природы, организованный по типу ионной «ловушки». В неполярных растворителях конформация валиномицина напоминает собой браслет, внутренняя полость которого точно подогнана под размеры ионов калия. Внешняя сфера валиномицина гидрофобна, в результате чего он способен перемещаться в липидном бислое и транспортировать через него ионы.

Хорошо изученным примером ионофоров-каналообразователей служит грамицидин А. Это антибиотик пептидной природы, состоящий из 15 аминокислот. Две молекулы грамицидина могут пронизывать мембрану в виде двойной спирали или образуя димер «голова к голове». В таких конформациях молекулы грамицидина А формируют полый цилиндр, по которому могут перемещаться ионы металлов.

В биологических мембранах ионофорный тип транспорта до сих пор не обнаружен.

Активный транспорт . Это сопряженный с потреблением энергии перенос молекул или ионов через мембрану против электрохимического градиента, в котором задействованы транспортные белки. Благодаря активному транспорту в жизнеспособных клетках между двумя сторонами мембраны поддерживается разность потенциалов, т. е. электрический заряд, при этом у большинства изученных клеток внутреннее содержимое заряжено отрицательно по отношению к внешней среде.

Активный транспорт сопряжен со значительными затратами энергии: некоторые клетки тратят более трети всей запасенной энергии для создания ионного градиента на мембране. Это необходимо для таких жизненно важных процессов, как осморегуляция, генерация и передача нервных импульсов, перенос в клетки питательных веществ (сахаров, аминокислот и др.).

Разнообразные системы активного транспорта отличаются друг от друга, в первую очередь тем, что служит для них источником энергии: АТР, ионный градиент, фосфоенолпируват, видимый свет. Наиболее хорошо изученной системой активного транспорта является натрий-калиевая (Na + /K +)-АТР-аза, функционирующая в плазматических мембранах животных клеток. Этот интегральный белок состоит из двух субъединиц: бульшая представлена полипептидом, имеющим участки связывания для ионов натрия и АТР на цито плазматической поверхности, а ионов калия - на наружной; меньшая субъединица является гликопротеином. Работа (Na + /K+)-АТР-азы заключается в следующем: при гидролизе одной молекулы АТР из клетки выкачивается 3 иона Na + , а извне в клетку проводится 2 иона K + , т. е. выводится больше положительных ионов, чем проводится внутрь клетки. Так на внутренней стороне мембраны создается избыточный отрицательный заряд, и клетка становится электрогенной. В мембранах обычно присутствуют проводящие пути для облегченной диффузии ионов натрия и калия по электрохимическому градиенту, и этот транспорт, хотя и с малой скоростью, совершается. Однако в жизнеспособной клетке не происходит уравнивания концентраций ионов, создающих электрохимический градиент на мембране, благодаря постоянной работе первичных активных переносчиков, таких, как (Na + /K +)-АТР-аза. Таким образом, ионные насосы , принимающие участие в первичном активном транспорте, осуществляют перемещение заряда на мембране и создают на ней электрохимический градиент, в котором заключена энергия.

Вторичные активные переносчики используют электрохимические градиенты в качестве движущей силы для транспорта растворимых веществ. Этот процесс можно проследить на примере клеток эпителия кишечника. Образуемые в кишечнике при переваривании пищи строительные блоки (аминокислоты, глюкоза и др.) поступают в кровь при диффузии через мембраны кровеносных сосудов, и эта диффузия осуществляется в ходе симпорта (однонаправленного транспорта) с ионами натрия. Ионы натрия стремятся возвратиться в клетку согласно закономерностям облегченной диффузии и как бы тянут с собой молекулы питательных веществ. В мембранах обнаружены специфические переносчики сахаров и разных аминокислот, которые функционируют в системе активного транспорта, накапливая в клетке эти вещества, извлекая их даже из очень разбавленных растворов, т. е. против химического градиента. Эти же транспортные системы могут участвовать и в облегченной диффузии, если вещества транспортируются по химическому градиенту. Кроме описанного выше примера симпорта питательных веществ вместе с возвращающимися в клетку ионами натрия, существует и разнонаправленный транспорт - антипорт . Например, белок полосы 3 эритроцитов осуществляет сопряженный транспорт Cl - и HCO3 - в противоположных направлениях через эритроцитарную мембрану.

У аэробных бактерий транспорт питательных веществ в клетку осуществляется в ходе симпорта не с ионами Na + , а с протонами. Наилучшим образом охарактеризованным примером подобного переносчика служит лактозопермеаза кишечной палочки. Этот интегральный белок использует протонный электрохимический градиент, созданный на мембране в результате окислительного фосфорилирования, для симпорта лактозы: с каждым возвращенным в клетку протоном переносится одна молекула лактозы.

Следует отметить, что АТР-азы представляют собой ферменты, катализирующие взаимообратимые реакции: при гидролизе АТР ионы транспортируются против электрохимического градиента, а перенос ионов по электрохимическому градиенту через каналы АТР-азы может запускать синтез АТР.

Эндоцитоз и экзоцитоз . Эти способы переноса веществ через мембраны связаны с образованием впячиваний (инвагинаций ) мембраны и формированием особых мембранных везикул , обеспечивающих прохождение через мембрану крупных макромолекул и частиц. При этом эндоцитоз обеспечивает поглощение клеткой веществ, а экзоцитоз - выделение из клетки. Принято делить цитозы еще на два типа: пиноцитоз и фагоцитоз . Пиноцитоз - это механизм, с помощью которого через мембрану проводятся белки и другие макромолекулы в жидкой фазе. Фагоцитоз представляет собой поглощение клеткой крупных частиц, например бактерий, вирусов. Эти виды транспорта характерны в основном для эукариотических клеток, причем у животных фагоцитоз осуществляют только специализированные клетки, такие, например, как макрофаги. Для многих простейших, например амеб, фагоцитоз является основным способом питания.

Важной особенностью цитозов является последовательное образование и слияние везикул, в которых заключено транспортируемое вещество, причем секретируемые и поглащаемые молекулы локализуются в везикулах и не смешиваются с другими макромолекулами или органеллами клетки. С помощью не установленного пока механизма каждый пузырек сливается только со специфическими мембранными структурами (рис. 4.12).

В основе цитозов лежит еще одно характерное свойство липидных слоев биомембран - способность к агрегации, в результате чего мелкие везикулы объединяются в более крупные или происходит объединение везикул с плазматической мембраной клетки. Такой механизм основан на универсальности структуры биомембран, участвующих в формировании клеточных органелл и протопластов. Аналогичное явление можно наблюдать в пенах, где мыльные пузыри, также состоящие из амфифильных молекул (мыла - соли жирных кислот), обладают тенденцией к объединению с образованием более крупных структур. Способность мембран к агрегации лежит в основе такого широко распространенного способа переноса генетической информации, как слияние протопластов.

Скорость цитозов удивительно высокая. Показано, что клетки печени поглощают путем эндоцитоза за 1 ч количество жидкости, составляющее не менее 20% их объема, и количество мембранного материала, по площади превышающее в пять раз площадь их плазматической мембраны. Сходство цитозов с другими способами транспорта веществ через биомембраны состоит в том, что переносимое вещество должно быть «узнано» мембранными компонентами, иными словами, и в этом случае проявляется избирательная проницаемость мембран для различных соединений.

Активный транспорт - энергозависимый трансмембранный перенос против электрохимического градиента . Различают первичный и вторичный активный транспорт. Первичный активный транспорт осуществляют насосы (различные АТФазы), вторичный - симпортёры (сочетанный однонаправленный транспорт) и антипортёры (встречный разнонаправленный транспорт).

 Первичный активный транспорт . Движущая сила трансмембранного переноса возникает при ферментативном гидролизе макроэргических связей АТФ. Родовой термин для таких АТФаз (например, Na + ,K + -, H + ,K + -, Ca 2+ ‑АТФазы) - насосы .

 Вторичный активный транспорт . Движущая сила для трансмембранного переноса одного вещества (или ионов) против электрохимического градиента возникает за счёт потенциальной энергии, запасённой за счёт сочетанного переноса ионов (как правило, Na +) по электрохимическому градиенту . В большинстве случаев поступление Na + в цитозоль из межклеточного пространства и обеспечивает вторичный активный транспорт разных ионов и веществ. Известно 2 типа вторичного активного переноса - симпорт и антипорт (рис. 2–6).

 Первичный активный транспорт обеспечивают следующие насосы - натрий, калиевые АТФазы, протонные и калиевые АТФазы, Са 2+ -транспортирующие АТФазы, митохондриальные АТФазы, лизосомальные протонные насосы и др.

 Натрий , калиевая АТФаза (рис. 2–11) регулирует трансмембранные потоки основных катионов (Na + , K +) и опосредованно - воды (что поддерживает постоянный объём клетки), обеспечивает Na + –связанный трансмембранный перенос (симпорт и антипорт) множества органических и неорганических молекул, участвует в создании МП покоя и генерации ПД нервных и мышечных элементов.

 Электрогенность . При каждом цикле гидролиза АТФ 3 иона Na + выбрасываются из клетки, а 2 иона K + поступают в цитозоль, суммарный эффект - выброс из клетки одного катиона. Другими словами, Na + ,K + ‑насос обладает электрогенностью: его работа приводит к поддержанию положительного заряда наружной (внеклеточной) поверхности мембраны.

 Сердечные гликозиды (например, уабаин и дигоксин) блокируют работу Na + ,K + –насоса, конкурентно с K + взаимодействуя с участком связывания K + на наружной поверхности мембраны. В результате при гипокалиемии (низкий плазмы крови) увеличивается токсичность сердечных гликозидов.

Рис . 2–11 . Na + ,K + –насос . Модель Na + ,K + –АТФазы, встроенной в плазматическую мембрану. Na + ,K + –насос - интегральный мембранный белок, состоящий из 4 СЕ (формирующие канал 2 каталитические субъединицы  и 2 гликопротеина ). Na + ,K + ‑насос осуществляет транспорт катионов против электрохимического градиента ( X) - транспортирует Na + из клетки в обмен на K + (при гидролизе одной молекулы АТФ 3 иона Na + выкачиваются из клетки, и 2 иона K + закачиваются в неё). Слева и справа от насоса при помощи стрелок показаны направления трансмембранного потока ионов и воды в клетку (Na +) и из клетки (K + , Cl – и вода) в силу различий их  X . АДФ - аденозиндифосфат, Фн - неорганический фосфат.

 Протонная и калиевая АТФаза (H + ,K + ‑насос). При помощи этого фермента париетальные клетки желёз слизистой оболочки желудка участвуют в образовании соляной кислоты (электронейтральный обмен 2 внеклеточных ионов K + на 2 внутриклеточных иона H + при гидролизе одной молекулы АТФ).

 H + ,K + ‑АТФаза - гетеродимер (2 высокомолекулярных ‑СЕ и 2 меньшей мол. массы и сильно гликозилированной ‑СЕ).

 ‑СЕ - главный Аг, к которому при некоторых заболеваниях (например, при витамин B 12 –анемиях и атрофическом гастрите) в крови циркулируют АТ.

 Са 2+ -транспортирующие АТФазы (Са 2+ ‑АТФазы) выкачивают ионы кальция из цитоплазмы в обмен на протоны против значительного электрохимического градиента Са 2+ .

 Са 2+ ‑АТФазы плазмолеммы переносят ионы кальция из цитоплазмы во внеклеточное пространство в обмен на протоны (1 H + в обмен на 1 Ca 2+ при гидролизе 1 молекулы АТФ).

 Са 2+ ‑АТФазы саркоплазматического ретикулума . Как и Са 2+ ‑АТФазы плазмолеммы, Са 2+ -транспортирующие АТФазы саркоплазматического ретикулума откачивают ионы кальция из цитоплазмы (2 H + в обмен на 2 Ca 2+ при гидролизе 1 молекулы АТФ), но не во внеклеточное пространство, а во внутриклеточные депо кальция (в замкнутые межмембранные объёмы гладкой эндоплазматической сети, именуемой в скелетных МВ и кардиомиоцитах - саркоплазматический ретикулум). Недостаточность Са 2+ ‑АТФазы саркоплазматического ретикулума проявляется симптомами мышечной усталости (миопатия) при физической нагрузке.

 Митохондриальная АТФаза типа F (F 0 F 1) - АТФ–синтаза внутренней мембраны митохондрий - катализируют конечный этап синтеза АТФ (рис. 2–12). Кристы митохондрий содержат АТФ-синтазу, сопрягающую окисление в цикле Кребса и фосфорилирование АДФ до АТФ. АТФ синтезируется при обратном токе протонов в матрикс через канал в АТФ-синтезирующем комплексе.

Хемиосмотическое сопряжение . Сопряжение переноса электронов и синтеза АТФ (механизм предложил Питер Митчелл в 1961 г.) обеспечивает протонный градиент. Внутренняя мембрана непроницаема для анионов и катионов. Но при прохождении электронов по дыхательной цепи ионы H + откачиваются из матрикса митохондрий в межмембранное пространство (рис. 2–12). Эта энергия электрохимического протонного градиента и используется для синтеза АТФ и транспорта метаболитов и неорганических ионов в матрикс.

Рис . 2–12 . Механизм хемиосмотического сопряжения при образовании АТФ в митохондриях . При транспорте электронов по дыхательной цепи из матрикса через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство митохондрий поступает H + . Созданный таким образом электрохимический градиент ( H) позволяет АТФ-синтазе катализировать реакцию АДФ + неорганический фосфат (Ф н)  АТФ.

 Лизосомальные протонные насосы (H + ‑АТФазы типа V [от Vesicular]), встроенные в мембраны, окружающие лизосомы (также комплекс Гольджи и секреторные пузырьки), транспортируют H + из цитозоля в эти мембранные органеллы. В результате в них понижается значение pH, что оптимизирует функции этих структур.

 Транспортёры ABC (от A TP-B inding C assette - АТФ-связывающая последовательность) - либо гидролизующие АТФ насосы для активного транспорта разных ионов и молекул, либо ионные каналы или регуляторы ионных каналов. Так, ген CFTR (от cystic fibrosis transmembrane regulator - трансмембранный регулятор кистозного фиброза) кодирует структуру хлорного канала (одновременно регулятор функционирования других каналов), мутации которого приводят к развитию муковисцидоза (кистозного фиброза).

 Вторичный активный транспорт . Известны 2 формы активного вторичного транспорта: сочетанный (симпорт ) и встречный (антипорт ) (см. рис. 2–6).

 Симпорт - сочетанный перенос (котранспорт, сочетанный транспорт) - движение двух веществ сквозь мембрану при помощи одного и того же переносчика (симпортёра).

 Антипорт - одновременное трансмембранное перемещение двух веществ, но в противоположном направлении (встречный транспорт) при помощи одного и того же переносчика (антипортёра, обменника).

 Симпорт реализуют интегральные мембранные белки. Перенос вещества Х против его электрохимического градиента ( Х) в большинстве случаев происходит за счёт поступления в цитозоль из межклеточного пространства по градиенту диффузии ионов натрия (т.е. за счёт  Na), а в ряде случаев - за счёт поступления в цитозоль из межклеточного пространства по градиенту диффузии протонов (т.е. за счёт  H). В итоге и ионы (Na + или H +), и вещество Х (например, глюкоза, аминокислоты, неорганические анионы, ионы калия и хлора) перемещаются из межклеточного вещества в цитозоль.

 Всасывание глюкозы происходит через верхушечные поверхности клеток, окаймляющих просвет проксимальных извитых канальцев почки и тонкого кишечника при помощи сочетанного транспорта с ионами Na + . Разные изоформы транспортёра переносят Na + и глюкозу в соотношении 1:1 или 2:1. Расчёты показывают, что максимальная концентрация глюкозы в клетке может в 100 или в 10 4 раз превышать её концентрацию в плазме крови.