Белясова Н.А. Биохимия и молекулярная биология

Подождите немного. Документ загружается.

Рис 4.9. Движение молекул воды в соответствии с закономерностями осмоса. Рас-

твор А содержит более высокую концентрацию глюкозы, чем раствор В, и явля-

ется по отношению к нему гипертоническим. Соответственно раствор В по отно-

шению к раствору А является гипотоническим. Результатом осмотического пере-

мещения воды становится уравнивание концентраций и воды, и

глюкозы: растворы становятся изотоническими по отношению друг к другу

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 элек-

трических потенциалов и концентраций веществ) без затрат энергии. Это се-

лективный перенос веществ — вещество будет транспортировано через мем-

брану лишь в том случае, если для него в мембране имеется функционирую-

щий транспортный белок. Поскольку в облегченной диффузии задействованы

белки, этот процесс, в отличие от пассивной диффузии, может достигать эф-

фекта 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, аминокис-

лоты, нуклеотиды, различные ионы и др. При этом скорость транспорта зна-

чительно превышает скорость пассивной диффузии (рис. 4.10). Принципи-

ально возможны два пути переноса веществ и ионов через мембрану: с по-

мощью 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).

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Рис. 4.10. Зависимость скорости процессов пассивной и облегченной диф-

фузии от разности концентраций транспортируемого вещества

Рис. 4.11. Модель работы интегральных транспортных белков по типу

«пинг-понг»

Работу каналов можно рассмотреть на примере ацетилхолинового рецеп-

тора. Этот интегральный белок находится в основном в мембранах нервно-

мышечных соединений скелетных мышц. Он состоит из пяти субъединиц че-

тырех типов и открывается в ответ на связывание ацетилхолина (нейроме-

диатор). При взаимодействии с ацетилхолином канал открывается, что свя-

зано с изменением конформации субъединиц, и пропускает определенные

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

ионы (Na

, K

, Ca

и некоторые другие), остается в таком положении 1 мс, а

затем закрывается. Селективное перемещение катионов изменяет трансмем-

бранный потенциал, в результате чего происходит электрическое возбужде-

ние мышечной клетки, что приводит к сокращению мышцы. Изучение струк-

туры ацетилхолинового рецептора показало, что пять белковых субъединиц

встроены в бислой определенным образом: они организованы вокруг цен-

тральной 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 электроста-

тическими взаимодействиями, возникающими благодаря присутствию в во-

ротах канала биполярных или отрицательно заряженных групп.

Особым типом транспорта веществ в ходе облегченной диффузии являет-

ся использование ионофоров, действие которых изучено на искусственных

мембранах. Под ионофорами понимают низкомолекулярные вещества пеп-

тидной природы, избирательно транспортирующие через мембраны ионы.

Различают ионофоры-каналообразователи (грамици-дин А, амфотерицин В

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 валино-

мицина 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 кон-

формациях молекулы грамицидина А формируют полый цилиндр, по которо-

му могут перемещаться ионы металлов.

В биологических мембранах ионофорный тип транспорта до сих пор не

обнаружен.

Активный транспорт. Это сопряженный с потреблением энергии пере-

нос молекул или ионов через мембрану против электрохимического градиен-

та, 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 отрица-

тельно по отношению к внешней среде.

Активный транспорт сопряжен со значительными затратами энергии: не-

которые клетки тратят более трети всей запасенной энергии для создания

ионного градиента на мембране. Это необходимо для таких жизненно важ-

ных 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

)-АТР-аза,

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

функционирующая в плазматических мембранах животных клеток. Этот ин-

тегральный белок состоит из двух субъединиц: бульшая представлена поли-

пептидом, имеющим участки связывания для ионов натрия и АТР на цито-

плазматической поверхности, а ионов калия — на наружной; меньшая субъе-

диница является гликопротеином. Работа (Na

)-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 ста-

новится 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

)-АТР-аза. Та-

ким 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 гради-

енты в качестве движущей силы для транспорта растворимых веществ. Этот

процесс можно проследить на примере клеток эпителия кишечника. Образуе-

мые в кишечнике при переваривании пищи строительные блоки (аминокис-

лоты, глюкоза и др.) поступают в кровь при диффузии через мембраны кро-

веносных сосудов, и эта диффузия осуществляется в ходе симпорта (однона-

правленного транспорта) с ионами натрия. Ионы натрия стремятся возвра-

титься в клетку согласно закономерностям облегченной диффузии и как бы

тянут с собой молекулы питательных веществ. В мембранах обнаружены спе-

цифические переносчики сахаров и разных аминокислот, которые функцио-

нируют 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 осуществля-

ет сопряженный транспорт Cl

и HCO

в противоположных направлениях

через эритроцитарную мембрану.

У аэробных бактерий транспорт питательных веществ в клетку осуществ-

ляется в ходе симпорта не с ионами Na

, а с протонами. Наилучшим образом

охарактеризованным примером подобного переносчика служит лактозопер-

меаза кишечной палочки. Этот интегральный белок использует протонный

электрохимический градиент, созданный на мембране в результате окисли-

тельного фосфорилирования, для симпорта лактозы: с каждым возвращен-

ным в клетку протоном переносится одна молекула лактозы.

Следует отметить, что АТР-азы представляют собой ферменты, катализи-

рующие взаимообратимые реакции: при гидролизе АТР ионы транспортиру-

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

ются против электрохимического градиента, а перенос ионов по электрохи-

мическому 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 формиро-

ванием 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 фа-

гоцитоз 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 помо-

щью 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 плаз-

матической 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 по-

глощают 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 состо-

ит в том, что переносимое вещество должно быть «узнано» мембранными

компонентами, иными словами, и в этом случае проявляется избирательная

проницаемость мембран для различных соединений.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Рис. 4.12. Схематическое изображение цитозов. Стадии: 1–1 — от аппарата

Гольджи отшнуровывается секреторная везикула; 1–2 — везикула диффунди-

рует к плазматической мембране и слипается с ней; 1–3 — слияние везикулы

с мембраной и выход содержимого везикулы в окружающую среду; 2–1 —

частица обволакивается мембраной; 2–2 — фагосома отшнуровывается от

мембраны; 2–3 — фагосома диффундирует к лизосоме;

2–4 — фагосома слипается с лизосомой и сливается с ней

4.6. Рецепторные функции мембран

Все клетки должны обладать системами, позволяющими определять со-

стояние и изменения окружающей среды, чтобы адаптироваться к ним. Эти

системы представляют собой разнообразные рецепторные молекулы, которые

располагаются в поверхностных структурах, чаще всего — в плазматических

мембранах, реже — в клеточных стенках, причем у грамотрицательных бак-

терий — в наружной мембране. Функция рецепторных молекул и их ассоциа-

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

ций состоит во взаимодействии с внеклеточными компонентами и иницииро-

вании специфического клеточного ответа.

Рецепторные молекулы в большинстве случаев представлены белками, но

эту роль могут выполнять и другие молекулы, например гликолипиды, глико-

протеины или сфинголипиды. Так, показано, что ганглиозиды служат местом

связывания холерного и столбнячного токсинов, а также участвуют в регуля-

ции процессов клеточного роста и дифференцировки.

Среди огромного разнообразия клеточных рецепторов можно выделить

несколько основных типов. В поверхностных структурах бактериальных,

дрожжевых, животных клеток присутствуют рецепторы, определяющие спо-

собность клеток распознавать друг друга, взаимодействовать, образуя скоп-

ления, а также связываться с нерастворимыми компонентами внеклеточного

матрикса. Примером рецепторов указанного типа служат белковые ворсинки,

обнаруженные у патогенных штаммов E. coli, которые вызывают инфекцион-

ные заболевания мочевых путей человека. Ворсинки крепятся в наружной

мембране и содержат на конце рецепторный белок — адгезин, способный

специфически связываться с дигалактозидсодержащими гликолипидами. Эти

липиды присутствуют на поверхности эпителиальных клеток, выстилающих

мочевые пути, где размножаются бактерии.

Другой класс рецепторов представлен молекулами, расположенными в

плазматических мембранах организмов и связывающими питательные веще-

ства и метаболиты. Эти рецепторы участвуют в процессах эндо- и экзоцитоза,

определяя специфичность этих видов транспорта.

Более сложные рецепторные реакции сопровождаются связыванием ре-

цептора с метаболитом, гормоном или нейромедиатором, передачей сигнала

внутрь клетки и следующим затем клеточным ответом. К подобному классу

рецепторов относятся, например, белки бактерий, ответственные за хемотак-

сис. В составе плазматической мембраны E. coli присутствует рецептор для

аспартата, который представляет собой трансмембранный белок. Этот белок

осуществляет связывание аспартата, что влечет за собой конформационное

изменение в той части молекулы, которая обращена в цитоплазму. Это изме-

нение и служит сигналом, заставляющим опосредованным образом (через

фосфорилирование другого белкового компонента системы) вращаться жгу-

тики. В результате клетка перемещается по градиенту концентрации аспарта-

та, получая возможность использовать его в качестве питательного субстрата.

Клеточный ответ на сигнал, обусловленный рецепцией специфического веще-

ства, может выражаться также в активации транскрипции отдельных генов. В

такую рецепторную систему входит белок-регулятор, находящийся, по-

видимому, в цитоплазме в растворимой форме. Считается, что рецепторы

каким-то образом модифицируют регуляторные белки, и затем последние

активируют транскрипцию.

Аналогичным образом происходит передача сигнала при связывании

лиганда (нейромедиатора или гормона) со специфическим рецептором на

наружной поверхности мембраны животной клетки. Это событие инициирует

конформационный переход в молекуле рецептора и следующий затем каскад

событий в клетке, который может включать открывание канала (никотиновый

ацетилхолиновый рецептор), фосфорилирование клеточных белков, сопрово-

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

ждающееся изменением их активности, образование комплекса с G-белками.

В последнем случае G-белки активируются, высвобождаются из комплекса и

диффундируют к клеточным мишеням, вызывая специфический ответ. Одной

из наиболее распространенных мишеней G-белков является аденилатциклаза

(катализирует образование сАМР). Конформационное изменение этого фер-

мента приводит к изменению внутриклеточной конценрации сАМР, который,

как известно (глава 3), служит вторым посредником, влияя на множество

внутриклеточных процессов.

Наконец, многие клетки имеют в составе мембран рецепторы, способные

в ответ на стимул (внешний сигнал) генерировать нервный импульс. Нервный

импульс, возникший в мембране специализированной рецепторной клетки

передается через синапсы по отросткам центростремительных нервных кле-

ток к центральной нервной системе, а затем по отросткам центробежных

нервных клеток — к мышце или железе. В клетках скелетных мышц при этом

возбуждается ацетилхолиновый рецептор и возникает потенциал действия, а

через короткий промежуток времени (около 35 мс) происходит сокращение за

счет движения актина и миозина внутриклеточных миофибрилл.

Специализированные рецепторные клетки у высших животных и человека

могут формировать органы чувств. Работа этих органов основана на измене-

нии электрических характеристик рецепторных клеток в ответ на специфиче-

ский стимул, т. е. на свойстве клеток генерировать нервный импульс. Более

подробно эти процессы рассмотрены в главе 13 на примере функционирова-

ния органа зрения.

4.7. Генерация и проведение нервных импульсов

Благодаря непрерывной работе мембранных ионных насосов между внут-

ренним содержимым невозбужденной клетки и внешней средой постоянно

поддерживается разность потенциалов. Этот параметр можно измерить вве-

дением электрода в крупные нервные клетки, диаметр которых у кальмаров,

например, может достигать 1 мм. Определяемая величина называется потен-

циалом покоя и достигает в невозбужденных клетках (-60) — (-70) мВ (ми-

нус указывает на то, что внутренняя поверхность мембраны электроотрица-

тельна по отношению к внешней). Потенциал покоя характеризует состояние

динамического равновесия в перемещении ионов натрия и калия через мем-

брану.

При воздействии на мембрану в каком-либо локусе электрическим током

или другим раздражителем в этом месте открываются специфические натрие-

вые каналы и ионы Na

устремляются внутрь, нейтрализуя отрицательный

заряд на внутренней поверхности мембраны в данном локусе. Это явление

носит название «деполяризация». Если пороговая величина импульса, вы-

звавшего деполяризацию, достаточно велика (более 10 мВ), то в мембране

открываются натриевые каналы, работающие на потенциал действия. По-

тенциал действия представляет собой импульс, проходящий вдоль мембраны

нервной клетки и специфически изменяющий за доли секунды (в нервах мле-

копитающих приблизительно за 0,5 мс) мембранный потенциал. Особенно-

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

стями потенциала действия являются: высокая скорость распространения

вдоль мембраны нервной клетки — до 100 м/с и неизменная интенсивность.

Механизм передачи нервного импульса состоит в следующем. Повышение

проводимости мембраны в конкретном локусе для ионов натрия и деполяри-

зация взаимно усиливают друг друга. В результате быстрого перемещения

ионов натрия на внутреннюю поверхность мембраны исходный потенциал (-

70 мВ) падает до нуля, а затем достигает значения (+20) — (+40) мВ. Таким

образом, в данном локусе мембраны создается область положительного заря-

да и в местной цепи возникает ток между этим активным участком и отрица-

тельно заряженной областью, находящейся непосредственно перед ним. От-

личительной особенностью мембран нервных клеток, очень быстро проводя-

щих нервные импульсы, является наличие миелиновой оболочки, которая

выполняет роль изолятора. Благодаря этой оболочке плазматическая мембра-

на контактирует с содержащей Na

внеклеточной жидкостью лишь в опреде-

ленных точках — перехватах Ранвье, и деполяризация мембраны происходит

толь-ко в области этих перехватов. Так как нервная клетка покрыта изолято-

ром — миелином, распространение области электрического тока до следую-

щего перехвата осуществляется в основном через цитоплазму клетки. Дойдя

до очередного перехвата, ток снижает мембранный потенциал в этой области,

в ней происходит деполяризация и повышается проницаемость для ионов на-

трия, т. е. возникает потенциал действия. Так, в виде волны деполяризации

потенциал действия распространяется по мембране в одном направлении.

Восстановление поляризации происходит в результате выхода из аксона

ионов К

. Пока реполяризация не закончится, перехват не может возбудиться

снова, а к тому времени, когда перехват будет способен к ответу, импульс уже

уйдет по мембране слишком далеко, чтобы снова открыть в рассматриваемом

перехвате аксона натриевые каналы. По этой причине импульс распространя-

ется по мембране нервной клетки только в одном направлении. Реполяриза-

ция заканчивается после того, как АТР-азы, задействованные в активном

транспорте ионов, восстановят нормальное соотношение концентраций Na

в перехвате.

Амплитуда потенциала действия постоянна для каждой нервной клетки и

не уменьшается по мере движения по мембране, так как изменение в каждой

точке мембраны происходит за счет локального запаса энергии в виде ионно-

го градиента, хотя и запускается изменением в соседнем перехвате.

Передача нервного импульса между нейронами и от нейронов к мышеч-

ным клеткам происходит в нервных окончаниях (синапсах) с помощью сиг-

нальных веществ — медиаторов. Одним из наиболее распространенных

нейромедиаторов (синтезируются нервными клетками) является ацетилхо-

лин. Выделение ацетилхолина синаптическими мембранами служит сигналом

для генерирования нервного импульса в расположенной по соседству нервной

клетке. Осуществляется это с помощью ацетилхолиновых рецепторов, кото-

рые представляют собой трансмембранные комплексы из пяти субъединиц,

формирующие проницаемый для ионов Na

и K

каналы.

Участки для специфического присоединения ацетилхолина расположены

на внеклеточной части a-субъединицы рецептора и их связывание приводит к

формированию в центре комплекса трансмембранного канала, который от-

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

крывается на короткое время для прохождения ионов натрия и калия. Откры-

вание и закрывание канала происходит в результате аллостерического изме-

нения в заряженных участках полипептидных цепей рецептора. Перемещение

ионов через мембраны изменяет потенциал покоя нервной или мышечной

клетки, что стимулирует открывание потенциал-управляемых Na

-каналов, и

возникает потенциал действия.

Ацетилхолиновый рецептор может связывать различные лекарственные

вещества, например никотин, который в малых дозах активирует ацетилхо-

линовые рецепторы, а в больших — угнетает их. Кроме этого, многие нейро-

токсины змей способны взаимодействовать с ацетилхолиновым рецептором и

нарушать его функционирование. Известно также явление конкурентного ин-

гибирования ацетилхолина при связывании с рецептором ядом кураре (расти-

тельный алкалоид), которым южно-американские индейцы пропитывали на-

конечники для стрел.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)