Активный и пассивный транспорт

Активный и пассивный  транспорт

Различают пассивный и активный транспорт. Пассивный транспорт  происходит без затрат энергии по электрохимическим градиентом. К пассивному относятся диффузия (простая и облегченная), осмос, фильтрация. Активный транспорт требует энергии и происходит вопреки концентрационном или электрическом градиента.

Пассивный транспорт  нейтральных частиц

При наличии градиента  концентраций вещества совершается  диффузия или пассивный транспорт  указанного вещества из области с  большей концентрацией в область  с меньшей концентрацией. Это  явление происходит самопроизвольно (без затрат энергии) до тех пор, пока концентрации не выровняются, и суммарный  поток вещества не обратится в  ноль (в случае живых клеток такое  выравнивание может и не наступить, если вещества непрерывно  синтезируются или, наоборот, затрачиваются в ходе химической реакции).

Различают несколько типов  пассивного переноса веществ через  мембраны: простая диффузия, перенос  через каналы и транспорт с  помощью переносчиков за счет диффузии переносчика вместе с веществом  в мембране (подвижный переносчик) или эстафетной передачи вещества от одной молекулы переносчика к  другой (молекулы переносчика образуют временную цепочку поперек мембраны). Все механизмы переноса  веществ делят на две группы:

 

  ·  Такие,  при которых каждая молекула переносится независимо от других и эффекты концентрационного насыщения отсутствуют;

 

  ·  Такие, в которых перенос осуществляется после связывания транспортируемой молекулы переносчиком; по мере заполнения свободных переносчиков наблюдается эффект концентрационного насыщения скорости переноса.

Пассивный перенос вещества вдоль оси х описывается уравнением Фика: Φ = –Ddc/dx, где Φ – поток вещества; D – коэффициент диффузии;  dc/dx – градиент концентрации c в направлении x. Знак «-« означает, что поток направлен в сторону меньших значений концентрации, то есть приводит к уменьшению величины концентрационного градиента. Для расчетного описания переноса веществ через биологическую мембрану пользуются  законом  Фика  для  пассивного транспорта веществ через  мембрану: Φ = –DK/l •(c_вн-c_вв) = –P(c_вн-c_вв), где Φ – плотность потока; D – коэффициент диффузии; К – коэффициент распределения вещества между мембраной и окружающей водной фазой; l – толщина мембраны; c_вв – концентрация частиц внутри клетки; с_вн – концентрация частиц снаружи клетки; P – коэффициент проницаемости (см. тему 2). Иными словами, величина потока и скорость транспорта веществ  через мембрану прямо пропорциональны коэффициенту распределения, который количественно отражает степень липофильности вещества. Чем больше значение коэффициента распределения, тем лучше вещество растворяется в мембране и с тем большей скоростью переносится через неё. Если рассматривать пассивный переход  с позиций превращения энергии, то поток, проходящий через биологическую мембрану, равен: Φ =  – uc (dG/dx), где u = D/RT - коэффициент пропорциональности, который  зависит от скорости диффузии молекул и называется подвижностью. Таким образом, поток пропорционален концентрации вещества и градиенту термодинамического потенциала в направлении тока.

Пассивный транспорт  веществ с помощью переносчиков

Для некоторых веществ  существуют специфические переносчики  белковой природы, которые понижают энергию активации, необходимую  для переноса вещества через липидный бислой. Переносчики осуществляют так называемую облегченную диффузию. Общий поток веществ через мембрану при участии переносчиков состоит из двух компонент: потока, вызванного простой диффузией, и потока, вызванного облегченной диффузией. Поэтому в данном случае вещества транспортируются с большей скоростью, чем при простой диффузии. Переносчики, осуществляющие пассивный транспорт, переносят вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией и не требуют затрат энергии.

Переносчики обеспечивают транспорт  веществ, которые сами по себе проникают  через мембрану крайне медленно из-за высокой гидрофильности.  Существуют переносчики для некоторых аминокислот, углеводов, пуриновых и пиримидиновых  оснований, нуклеозидов. Таким образом, например, происходит всасывание многих пищевых продуктов в кишечнике, процессы реабсорбции в почках.

Отличительные признаки транспорта веществ с помощью переносчиков:

1.  Переносчики обладают высокой химической специфичностью, то есть способны переносить только определённые субстраты (некоторые переносчики даже способны различать L- и D–изомеры одного и того же вещества).

2.  Скорость переноса возрастает пропорционально концентрации переносимого вещества, но лишь до некоторой определённой величины, то есть наблюдается эффект насыщения переносчика. Но в реальной клетке часто бывает так, что даже при полном насыщении переносчика при увеличении разности концентраций скорость переноса всё равно будет возрастать за счет простой диффузии.

3.  Переносчики способны конкурентно ингибироваться веществами, структура которых сходна со структурой субстрата.

Одним из наиболее изученных  случаев пассивного транспорта веществ  с помощью переносчиков является перенос глюкозы в эритроциты.  Переносчик D-глюкозы способен транспортировать также вещества, структурно напоминающие субстрат, например, D-маннозу, D-ксилозу, D-арабинозу и D-галактозу, но не соответствующие L-сахара.  Перечисленные D-изомеры углеводов вызывают конкурентное ингибирование переносчика D-глюкозы, который вынужден переносить эти вещества вместо своего собственного субстрата. Для того, чтобы специфический переносчик сахара перенёс другое вещество, последнее должно иметь в своей структуре шестиуглеродный  пиранозный скелет.

Явление насыщения переносчика  при высоких концентрациях транспортируемого  вещества можно увидеть на примере  реабсорбции глюкозы в почечных канальцах. Плазма крови выдавливается под действием гидростатического давления в почечный клубочек, а затем реабсорбируется обратно за исключением продуктов обмена и избыточных количеств воды и электролитов. Если концентрация глюкозы в плазме крови не превышает так называемый почечный порог, величина которого составляет  11 ммоль/л, то глюкоза  реабсорбируется полностью. В противном случае наблюдается явление насыщения системы переноса  глюкозы и тогда её остаток выделяется с мочой. Почечный порог  реабсорбции  существует и для некоторых других веществ, например, фосфата, сульфата, аминокислот. Явление насыщения переносчиков иногда может способствовать поддержанию постоянной концентрации данного вещества в организме. В случае глюкозы почечный порог вдвое выше её нормальной концентрации в плазме крови, поэтому почки не могут принимать участия в регуляции содержания глюкозы в крови. Для фосфата же нормальная концентрация в крови почти совпадает с величиной почечного порога, что приводит к выведению излишнего его количества с мочой и поддержанию его концентрации на постоянном уровне.

Активный транспорт

В организме часто наблюдается  транспорт нейтральных частиц или  ионов, в процессе которого электрохимический  потенциал возрастает.  Например, концентрация ионов калия  в клетке намного выше, чем в межклеточной среде, а натрия, наоборот, - ниже. Высокий градиент концентрации калия поддерживается градиентом электрического потенциала, направленным в противоположную сторону, и подчиняется условию равновесия, определяемым уравнением Нернста. Направление градиента электрического потенциала таково, что ионам натрия также гораздо выгоднее находиться в клетке, чем во внеклеточной среде. Самопроизвольный вынос из клетки ионов натрия невозможен и осуществляется только за счет притока энергии. Известны системы активного транспорта дл ионов калия, натрия, кальция и водорода.

Поддержание градиента концентраций ионов натрия и калия обеспечивается работой натрий-калиевого насоса.  Он представляет собой мембранные белки, которые работают как ферменты аденозинтрифосфатазы (АТФазы). Задачей этих ферментов является расщепление АТФ на АДФ и неорганический фосфат. Процесс распада сопровождается выделением энергии, которая расходуется на транспорт ионов в сторону увеличения электрохимического потенциала. Расщепление АТФ стимулируется ионами натрия и калия и зависит от наличия магния. Активный транспорт возможен только за счет сопряжения транспорта какого-либо вещества с реакцией гидролиза АТФ.

Механизм сопряжения окончательно не выяснен. Вероятнее всего, энергия  АТФ расходуется на изменение  конформации транспортного белка, что изменяет его сродство (константу связывания) к тем или иным ионам. Транспорт всегда осуществляется в ту сторону, где сродство ниже. В клетке константа связывания переносчика с Na⁺ значительно выше, чем с K⁺. Поэтому ионы натрия в клетке связываются с белком и транспортируются во внеклеточную  среду. По другую сторону мембраны конформация белка меняется таким образом, что константа связывания с Na⁺уменьшается, а с  K⁺ –  увеличивается. Структура ионсвязывающего участка белка в этом случае такова, что к нему могут присоединяться уже не три, а два иона калия, которые и переносятся в клетку.

Согласно современным  представлениям, процесс активного  транспорта  Na⁺  и  K⁺ происходит в следующие семь этапов.

1.  В присутствии Mg²⁺ на внутренней стороне мембраны образуется комплекс фермента АТФазы с АТФ.

2.  Присоединение АТФ изменяет конформацию фермента таким образом, что к образовавшемуся  комплексу присоединяются три иона натрия.

3.  Происходит фосфорилирование  Na⁺,K⁺ - АТФазы и отщепление АДФ.

4.  Ионсвязывающий центр фермента перемещается относительно толщины мембраны, в результате чего ион натрия оказывается на внешней стороне клетки.

5.  Снаружи клетки вследствие уменьшения сродства фермента к ионам натрия и повышения сродства к калию происходит обмен этими ионами.

6.  После отщепления фосфата фермент с присоединенными ионами калия снова изменяет положение относительно мембраны.

7.  Ионы калия и неорганический фосфат высвобождаются в цитоплазму,  и фермент возвращается в исходное  состояние.

Таким образом, энергии, выделяющейся при гидролизе одной молекулы АТФ достаточно, чтобы вынести  из клетки три иона натрия и внести два иона калия. Na⁺,K⁺ - насос способствует не только повышению градиентов концентраций ионов, но и возрастанию градиента электрического потенциала, то есть является электрогенным, так как сумма вносимых зарядов неравна сумме выносимых. Межклеточная среда приобретает «более положительный» заряд по сравнению с клеткой за счет выноса одного «лишнего» положительного иона.

В мембранах саркоплазматического ретикулума мышечных клеток и цитоплазматических мембранах кардиомиоцитов существует Ca²⁺ - насос, работа которого во многом сходна с механизмом переноса ионов Na⁺,K⁺ - насосом. За один цикл, в процессе которого расходуется одна молекула АТФ, переносится два иона кальция.

Активный транспорт протонов может осуществляться как с помощью  подвижных переносчиков, так и  через мембранные каналы. Протонные  каналы представляют собой интегральные белки, образующие внутреннюю пору, где  содержатся участки, к которым могут  присоединяться протоны. Энергия АТФ  расходуется на изменение конформации белковых молекул, вследствие чего сродство одних участков связывания к протонам понижается, а других – увеличивается, что заставляет протон перескочить на другой участок канала, сродство которого к протону на данный момент выше. Путем таких перескоков с одного участка связывания на другой ион  водорода пересекает мембрану.

Перенос  Н⁺ против градиентов их концентраций осуществляется не только за счет энергии, выделяющейся при гидролизе АТФ, но и за счет энергии фотонов. Этот способ используется галофильными бактериями, которые на свету выкачивают протоны из клетки, а энергию создавшегося градиента концентраций используют для синтеза АТФ.

Вторично-активный транспорт

Транспорт, источником энергии  которого служит не непосредственно  АТФ или энергия окислительно-восстановительных  реакций, а градиент концентраций других веществ, называется вторично-активным, или сопряженным транспортом. Существует три вида вторично-активного транспорта ионов: унипорт, симпорт и антипорт.

1.  В случае унипорта за счет существования на мембране градиента электрического потенциала осуществляется однонаправленный транспорт заряженных частиц в сторону меньшего значения потенциала. Например, митохондрии в процессе своего функционирования активно  выкачивают протоны из матрикса в цитоплазму, в результате чего их внутренняя область оказывается заряженной более  отрицательно, чем внешняя. В нормальных условиях созданный градиент электрохимического потенциала  используется для синтеза АТФ.

2.  В процессе антипорта осуществляется транспорт одинаково заряженных ионов двух типов в разные стороны.

3.  По механизму симпорта осуществляется транспорт противоположно  заряженных ионов  в одну сторону. При этом транспорт одного из ионов осуществляется по градиенту концентраций, а транспорт второго -  по градиенту электрического потенциала, создаваемого транспортом первого иона.

Рис. 3. Схема вторично-активного  транспорта веществ.

Одним из наиболее изученных  случаев вторично-активного транспорта незаряженных молекул является всасывание глюкозы в стенках кишечника. Концентрация глюкозы в энтероцитах выше, чем в просвете кишечника, поэтому пассивное её всасывание невозможно. Клетки кишечника активно выкачивают натрий из энтероцитов в серозную область кишечника, в результате чего концентрация Na⁺ в  клетке снижается по сравнению с его концентрацией снаружи. Благодаря этому становится возможным пассивный транспорт натрия из просвета кишечника в энтероцит. Однако простая диффузия ионов через бислой мало вероятна и натрий может пересечь мембрану только с помощью переносчика. При этом переносчик связывается не только с натрием, но и с молекулой глюкозы. Образовавшийся комплекс пассивно по градиенту концентраций ионов натрия и электрического потенциала переносится внутрь клетки. Таким образом, транспорт глюкозы осуществляется против градиента концентрации, но не за счет энергии АТФ, а за счет существования градиента концентрации другого вещества, в данном случае – ионов натрия. Подобные системы транспорта существуют и для многих других веществ, например, углеводов и аминокислот, что очень важно, так как для них отсутствуют специфические насосы.