Транспорт веществ через мембрану. Активный и пассивный транспорт

Виды мембранного транспорта

Процесс может осуществляться различными способами, на основе этого выделяют следующие виды мембранного транспорта:

  • пассивный (без затрат энергии);

  • активный (с энергетическими затратами на транспортировку различных структур).

Прежде чем переходить к описанию каждого конкретного вида и его особенностью, необходимо обозначить основные функции транспорта веществ в клетке:

Видео

Активный транспорт

Активный транспорт веществ через мембрану – это вид трансмембранного переноса веществ и молекул, в основе которого лежит затрата энергии, образуемой в результате гидролиза макроэргических молекул аденозинтрифосфата.

Активный транспорт можно подразделить на первично-активный и вторично-активный. Также частным видом данного способа переноса различных соединений через цитоплазматическую мембрану является везикулярный транспорт (экзо- и эндоцитоз, а также трансцитоз).

Первично-активный

Первично-активный транспорт реализуется с затратами энергии, использованием специальных белковых молекул (переносчиков), а также обладает невысокой скоростью переноса молекул сквозь мембранную структуру. В основе данного вида переноса лежит гидролиз молекулы АТФ, в результате которого образуется свободная энергия, которая тратится на перенос той или иной молекулы через ЦПМ. Посредством работы механизмом первично-активного способа перемещения веществ через плазматическую мембрану в клетки поступают некоторые виды аминокислот и ионов.

Вторично-активный

Вторично-активный транспорт в целом схож с другими видами активного транспорта, однако имеет уникальную особенность – белок (транспортер) содержит в себе два центра связывания, то есть он связывается не только с субстратом, который необходимо перенести сквозь мембранную структуру, но и также с другими каким-либо дополнительным агентом. В качестве подобного дополнительного агента чаще всего выступает положительно заряженный ион натрия, отсюда возникло название Na-зависимый перенос. Так, в клетках кишечника осуществляется транспорт питательных веществ: глюкозы и некоторых аминокислот вслед за переносом через ЦПМ положительного заряженного иона натрия. Таким образом, во время протекания механизмов вторично-активного транспорта создается градиент энергии, способствующей транспортировке другой молекулы через ЦПМ клетки. Стоит отметить, что данный вид переноса молекул сквозь мембранную структур может быть следующих видов:

  • симпорт (однонаправленный);

  • антипорт (разнонаправленный).

Пассивный транспорт через мембрану

Здесь всего два вида — простая диффузия и облегченная диффузия. В чем отличие? При облегченной диффузии для молекулы, которая будет проходить через мембрану нужен проводник — белок переносчик. Для простой диффузии же переносчик не требуется, она и сама справляется.  

Диффузия

Она идет по градиенту концентрации — если на одной стороне мембраны вещества много, то оно будет стремиться перейти на другую сторону. На самом деле диффузия зависит не только от градиента концентрации — еще на нее влияет заряд мембраны и частиц, которые пытаются пройти через мембрану, и давление.

Диффузия жирорастворимых веществ через клеточную м
Диффузия жирорастворимых веществ через клеточную мембрану

Вспоминаем, что основа мембраны — это амфифильные липиды. Если вещество растворимо в липидах, то оно без проблем перейдет на другую сторону. Лучше всего растворимы в липидах неполярные и незаряженные молекулы (CO2,O2, стероидные гормоны). Но через мембрану могут проходить полярные молекулы и незаряженные (тонированные), но здесь все решает размер. Вода пройдет через мембрану, а вот глюкоза — нет. Вода хоть и проходит через мембрану, но хуже чем неполярные и незаряженные молекулы, поэтому для нее есть специальные поры (аквапорины). Кстати, возможно аквапорины еще нужны потому, что вода в растворе переходит в ион гидроксония.

А вот совсем не могут пройти заряженные и полярные молекулы — ионы натрия, калия, гидроксония. Поэтому простую диффузию разделим еще на два варианта:

1) Диффузия жирорастворимых веществ. Молекула растворима в мембране, то есть она неполярная и незаряженная. Она спокойно проходит через мембрану. Избранные молекулы проходят так — O2, CO2, стероидные и тиреоидные гормоны.

2) Но что делать простым пацанам с района, которые не растворимы в жирах? Не парьтесь, для них есть интегральные белки — они образуют каналы и поры. Это просто трубы. Эти каналы очень избирательны, например, у ионов K+, Na+ и молекул воды свои собственные каналы, которые не пропускают другие вещества. Это связано с их строением, так у натриевого канала очень много отрицательных групп, которые буквально вытягивают натрий. Поры же пропускают молекулы только определенного размера (если меньше, то пройдет).

Отличие каналов и пор

Отличие каналов и пор в том, что первые открыты не всегда, а вторые постоянно. У натриевых и калиевых каналов есть шляпка (или ворота), которая открывается двумя способами — в зависимости от типа клетки. Первый способ — изменение электрического заряда мембраны (или ее потенциала). Потеря отрицательного заряда клеткой ведет к открытию натриевых каналов — это важно для потенциала действия. Второй способ — действие химического вещества. Есть ацетилхолиновые каналы, которые открываются под действием(угадайте сами чего)… Так нервные клетки передают сигнал о сокращении мышцам.

Представьте два входа в клуб и один отдельный выход из него. Перед каждым входом стоит фейсер, но в первом нет двери — там просто дверной проем, а у второго и третьего дверь есть и для нее нужен ключик. Первый вход — это пора, молекула воды подходит к нему и фейсер пропускает ее, но иногда в толпе воды может затеряться другая молекула, например, мочевина. Фейсер по ошибке пропускает ее, ну а что — за всеми не углядишь, и она попадает внутрь клетки. Ко второму входу подходит ион натрия, фейсер его пропускает, но войти он не может пока дверь не откроют ключом — изменением потенциала или ацетилхолином. У выхода из клуба тоже стоит фейсер, вот такой вот странный клуб, к нему подходит ион калия и ждет пока дверь откроется таким же ключом. Фейсеры — это часть канала или поры, которая отвечает за узнавание ионов и молекул, а дверь или проем — это сам канал. Ну вы поняли.

Почему клеткам просто не забить: убрать фейсеров и держать двери постоянно открытыми? Смотрите — внутри клетки много калия, но мало натрия. В межклеточном веществе наоборот, очень много натрия и мало калия. А это значит, что калий стремится сбежать из клетки, а натрий войти в клетку.

Во-первых, такая разница ионов создает заряд внутри клетки — отрицательный, если бы каналы были постоянно открыты, то такой разницы бы не существовало, клетка стала бы незаряженной. Что не очень хорошо, так как она не сможет создать потенциал действия. Во-вторых, натрий это любимчик воды и если в клетке его будет много, то будет много и воды. Клетка просто лопнет от такой тусовки.  

Облегченная диффузия

Здесь молекуле, которая идет тоже по градиенту концентрации, необходим переносчик. Все это из-за того, что молекула слишком большая для перехода через мембрану самостоятельно. Переносчик — это интегральный белок, который пронизывает мембрану, у него тоже есть фейсер (только здесь это участок связывания). При взаимодействии молекулы с переносчиком — он изменяет свою структуру (конформационные изменения белка) и переносит молекулу в клетку, а затем возвращается обратно.  

Такой механизм характерен для переносчиков глюкозы — ГЛЮТов в жировой и мышечной ткани. Однако ГЛЮТы не всегда находятся на поверхности клетки, а только после еды — повышенный уровень глюкозы в крови вызывает секрецию инсулина из Б-клеток островков Лангерганса. Инсулин действует на жировую и мышечную ткань и взывает к ГЛЮТам, которые встраиваются в мембрану. Ой, как-то на автомате получилось. Еще таким способом транспортируются аминокислоты.

Облегченная диффузия
Облегченная диффузия

Смотрите, еще один прикол. Эти переносчики могут работать в обе стороны, все зависит от градиента концентрации глюкозы. Если ее будет слишком много в клетке, то они могут выкидывать ее в кровь. Прикольненько?

Если интересно, что быстрее: диффузия или облегченная диффузия, то вот график. Видим, что вначале быстрее облегченная диффузия, а потом обычная. Почему? Просто белки могут связать только одну молекулу, когда молекул глюкозы становится очень много, то все переносчики связаны с ней. Наступает насыщение переносчиков, и они не могут быстрее работать. Диффузия же не зависит от переносчиков, но она немного медленнее.  

Сравнение скорости диффузии и облегченной диффузии
Сравнение скорости диффузии и облегченной диффузии

Пассивный транспорт все, поэтому давайте суммируем все и добавим в нашу начальную схему.

Экзоцитоз и эндоцитоз

Начнем с экзоцитоза и сделаем это на каком-нибудь примере. Пусть это будут пищеварительные ферменты в поджелудочной железе. Синтезировала значит клетка липазу, но она ведь внутри клетки — это значит проку от нее мало. Нужно ее как-то переместить в проток поджелудочной железы, хорошо было бы использовать белок переносчик. А тут проблемка. Липаза слишком большая — ее не засунуть в белок переносчик. Но ничего — у клетки есть выход.

Все ферменты, белки плазмы, пептидные гормоны и так далее, синтезируются в упаковке — пузырьке (по строению он амфифильный). Оно и правильно, представьте — липаза попадает в цитоплазму клетки и просто переваривает ее. Эти пузырьки направляются к мембране, сливаются с ней и попадают в кровь, межклеточное вещество или проток поджелудочной железы. В общем куда им надо, туда они и попадают.

Экзоцитоз липазы
Экзоцитоз липазы

Теперь эндоцитоз. Все тоже самое только наоборот — это мое лучшее объяснение… Ладно, шутки кончились. На клеточной мембране есть определенный участок с рецепторами — окаймленная ямка. На рецепторах накапливаются макромолекулы, а потом ямка погружается в клетку и охватывает их, образуя пузырек. Этот пузырек направляется к лизосоме, где из него образуются мономеры. Эти мономеры клетка использует по своему усмотрению. Посмотрите картинку и все поймете, базарю.

Эндоцитоз
Эндоцитоз

Таким способом идет фагоцитоз лейкоцитами, а еще так в клетку попадают липопротеиды низкой плотности — это переносчики холестерина и жирных кислот.

Белки-помощники

И в первом, и во втором случае транспорт невозможен без белков-переносчиков. Эти транспортные белки очень специфичны и предназначаются для переноса определенных молекул, а иногда даже определенной разновидности молекул. Это было доказано экспериментально на мутировавших генах бактерий, что приводило к невозможности активного транспорта через мембрану определенного углевода. Трансмембранные белки-переносчики могут быть собственно переносчиками (они взаимодействуют с молекулами и непосредственно проносят ее через мембрану) или каналообразующими (формируют поры в мембранах, которые открыты для специфичных веществ).

Пассивный транспорт веществ через клеточную мембрану

Чтобы понять, как вещества перемещаются пассивно через клеточную мембрану , необходимо понять градиенты концентрации и диффузии. Градиент концентрации является различие в концентрации вещества через пробел. Молекулы (или ионы) будут распространяться / распространяться от того места, где они более сконцентрированы, до места, где они менее концентрированы, до тех пор, пока они не будут равномерно распределены в этом пространстве. (Когда молекулы движутся таким образом, говорят, что они понижают градиент концентрации).

Диффузия — это движение частиц из области более высокой концентрации в область более низкой концентрации. Несколько общих примеров помогут проиллюстрировать эту концепцию. Представьте, что вы находитесь в закрытой ванной комнате. Если распылять флакон духов, молекулы аромата естественным образом диффундируют из места, где они оставляли флакон, во все углы ванной комнаты, и эта диффузия будет продолжаться до тех пор, пока не останется больше градиента концентрации. Другой пример — ложка сахара, помещенная в чашку чая. В конечном итоге сахар будет распространяться по всему чаю, пока не останется градиент концентрации. В обоих случаях, если в комнате теплее или чай теплее, диффузия происходит даже быстрее, поскольку молекулы сталкиваются друг с другом и распространяются быстрее, чем при более низких температурах. Имея внутреннюю температуру тела около 98,6 °Таким образом, F также способствует диффузии частиц внутри тела.

Всякий раз, когда вещество существует в большей концентрации на одной стороне полупроницаемой мембраны, такой как клеточные мембраны, это будет делать любое вещество, которое может перемещаться по градиенту концентрации через мембрану. Рассмотрим вещества, которые могут легко диффундировать через липидный бислой клеточной мембраны, такие как газы кислород (O 2 ) и CO 2. O 2 обычно диффундирует в клетки, потому что он более концентрирован вне их, а CO 2 обычно диффундирует из клеток, потому что он более концентрирован внутри них. Ни один из этих примеров не требует никакой энергии со стороны клетки, и поэтому они используют пассивный транспорт для перемещения через мембрану.

Прежде чем двигаться дальше, вам необходимо рассмотреть газы, которые могут диффундировать через клеточную мембрану. Поскольку клетки быстро расходуют кислород во время обмена веществ, обычно внутри клетки концентрация O 2 ниже, чем снаружи. В результате кислород будет диффундировать из межклеточной жидкости непосредственно через липидный бислой мембраны и в цитоплазму внутри клетки. С другой стороны, поскольку клетки продуцируют CO 2 как побочный продукт метаболизма, концентрации CO 2 возрастают в цитоплазме; следовательно, CO 2 будет двигаться из клетки через липидный бислой в межклеточную жидкость, где его концентрация ниже. Этот механизм перемещения молекул через клеточную мембрану со стороны, где они более сконцентрированы, в сторону, где они менее сконцентрированы, является формой пассивного транспорта, называемой простой диффузией .

Простая диффузия через клеточную (плазменную) мембрану. Структура липидного бислоя позволяет небольшим незаряженным веществам, таким как кислород и углекислый газ, и гидрофобным молекулам, таким как липиды, проходить через клеточную мембрану вниз по градиенту их концентрации посредством простой диффузии.

Большие полярные или ионные молекулы, которые являются гидрофильными, не могут легко пересекать фосфолипидный бислой. Очень маленькие полярные молекулы, такие как вода, могут пересекаться посредством простой диффузии из-за их небольшого размера. Заряженные атомы или молекулы любого размера не могут пересечь клеточную мембрану посредством простой диффузии, так как заряды отталкиваются гидрофобными хвостами внутри фосфолипидного бислоя. Растворенные вещества, растворенные в воде с обеих сторон клеточной мембраны, будут стремиться диффундировать вниз по своим градиентам концентрации, но поскольку большинство веществ не могут свободно проходить через липидный бислой клеточной мембраны, их движение ограничено белковыми каналами и специализированными транспортными механизмами в мембране. , Облегченная диффузияэто процесс диффузии, используемый для тех веществ, которые не могут пересекать липидный бислой из-за их размера, заряда и / или полярности.

Облегченная диффузия. Облегченная диффузия веществ, пересекающих клеточную (плазменную) мембрану, происходит с помощью белков, таких как канальные белки и белки-носители. Канальные белки менее избирательны, чем белки-носители, и обычно мягко различают их груз по размеру и заряду. (б) Белки-носители являются более селективными, часто позволяя скрещивать только один конкретный тип молекулы.

Типичным примером облегченной диффузии является движение глюкозы в клетку, где она используется для производства АТФ. Хотя глюкоза может быть более концентрированной вне клетки, она не может пересечь липидный бислой посредством простой диффузии, потому что она и большая, и полярная. Чтобы решить эту проблему, специализированный белок-носитель, называемый транспортером глюкозы, будет переносить молекулы глюкозы в клетку для облегчения ее внутренней диффузии.

Например, несмотря на то, что ионы натрия (Na + ) высоко концентрированы вне клеток, эти электролиты заряжены и не могут проходить через неполярный липидный бислой мембраны. Их диффузия облегчается мембранными белками, которые образуют натриевые каналы (или «поры»), так что ионы Na + могут перемещаться по градиенту концентрации снаружи от клеток внутрь клеток. Существует много других растворенных веществ, которые должны пройти ускоренную диффузию, чтобы проникнуть в клетку, например, в аминокислоты, или выйти из клетки, например, в отходы. Поскольку облегченная диффузия является пассивным процессом, он не требует затрат энергии клеткой.

Вода также может свободно перемещаться по клеточной мембране всех клеток либо через белковые каналы, либо проскальзывая между липидными хвостами самой мембраны. Осмос — это диффузия воды через полупроницаемую мембрану.

Движение молекул воды само по себе не регулируется клетками, поэтому важно, чтобы клетки подвергались воздействию среды, в которой концентрация растворенных веществ вне клеток (во внеклеточной жидкости) равна концентрации растворенных веществ внутри клеток ( в цитоплазме). Два раствора, которые имеют одинаковую концентрацию растворенных веществ, называются изотоническими (одинаковое напряжение). Когда клетки и их внеклеточные среды являются изотоническими, концентрация молекул воды одинакова снаружи и внутри клеток, и клетки сохраняют свою нормальную форму (и функцию).

Осмос возникает, когда существует дисбаланс растворенных веществ вне клетки и внутри клетки. Говорят, что раствор с более высокой концентрацией растворенных веществ, чем другой раствор, является гипертоническим , и молекулы воды имеют тенденцию диффундировать в гипертонический раствор.

Клетки в гипертоническом растворе будут высыхать, когда вода покидает клетку посредством осмоса. Напротив, раствор, который имеет более низкую концентрацию растворенных веществ, чем другой раствор, называется гипотоническими молекулы воды имеют тенденцию диффундировать из гипотонического раствора. Клетки в гипотоническом растворе будут поглощать слишком много воды и разбухать, что может привести к взрыву. Критическим аспектом гомеостаза в живых организмах является создание внутренней среды, в которой все клетки организма находятся в изотоническом растворе. Различные системы органов, особенно почки, работают для поддержания этого гомеостаза.

Другим механизмом, помимо диффузии для пассивного перемещения материалов между отсеками, является фильтрация . В отличие от диффузии вещества, из которого оно более концентрировано, в менее концентрированное, фильтрация использует градиент гидростатического давления, который выталкивает жидкость — и растворенные в ней вещества — из области более высокого давления в область более низкого давления. Фильтрация является чрезвычайно важным процессом в организме. Например, система кровообращения использует фильтрацию для перемещения плазмы и веществ через эндотелиальную оболочку капилляров и в окружающие ткани, снабжая клетки питательными веществами. Давление фильтрации в почках обеспечивает механизм для удаления отходов из кровотока.

Значение активного транспорта для клетки

Если бы обычная диффузия веществ через мембрану протекала сколь угодно долго, концентрации их снаружи и внутри клетки выровнялись бы. А это для клеток гибель. Ведь все биохимические процессы должны протекать в среде электрической разности потенциалов. Без активного, против градиента концентрации, транспорта веществ нейроны не смогли бы передавать нервный импульс. А мышечные клетки утратили бы возможность сокращаться. Клетка бы не смогла поддерживать осмотическое давление и сплющилась бы. А продукты метаболизма не выводились бы наружу. Да и гормоны никогда не попали бы в кровяное русло. Ведь даже амеба тратит энергию и создает разность потенциалов на своей мембране при помощи все тех же ионных насосов.

Теги