2 курс / Биохимия / Н.Ю.Коневалова - Биохимия

Скорость обновления белков мембраны также различна. Например, для некоторых мембранных белков клеток печени t0,5 составляет: белки ядерной мембраны, микросом и плазматической мембраны – 2-3 дня; белки внешней митохондриальной мембраны – 5-6 дней; белки внутренней мембраны митохондрий обновляются за 8-10 дней (так как часть белков синтезируется в митохондриях, а часть транспортируется из цитозоля).

Несмотря на постоянное обновление всех мембранных компонентов, структурная организация биомембран в течение всей жизни клетки сохраняется неизменной.

Транспорт через мембраны

Избирательный транспорт различных веществ и ионов – одна из главных функций биологических мембран. Он обеспечивает активный обмен клетки и ее органелл с окружающей средой; служит основой всех биоэнергетических механизмов; определяет эффективность процессов рецепции, передачи нервного возбуждения и т. д. Для подавляющего большинства веществ и ионов мембраны представляют барьер и в таком случае их перенос через липидную фазу требует значительных энергетических затрат. В то же время вода и некоторые низкомолекулярные соединения легко проникают через мембрану.

Транспортные процессы в мембране принято характеризовать в первую очередь по признаку энергозависимости. Поэтому выделяют пассивный транспорт – то есть перенос вещества по градиенту концентрации, не связанный с затратой энергии, и активный транспорт – против градиента концентрации (для нейтральных частиц) или электрохимического градиента (для заряженных частиц), требующий затрат энергии. Отдельно рассматривают процесс цитоза или везикулярный транспорт – механизм переноса, связанный с изменением структурной целостности мембраны.

Самый простой механизм переноса – обыкновенная или простая диффузия – движение через мембрану веществ по градиенту концентрации без затрат энергии и не требующее участия переносчиков. Особенно легко так проходят небольшие гидрофобные соединения, которые относительно беспрепятственно внедряются в липидный бислой. Скорость простой диффузии через мембрану для нейтральных частиц определяется двумя основными факторами. Вопервых, разницей концентраций переносимого вещества по обе стороны мембраны и, во-вторых, его способностью растворяться в липидах.

81

Пассивный транспорт

Через белковую

пору (канал)

Для водорастворимых соединений бислой липидов является барьером и, ранее считалось, что такие вещества могут проходить только через специальные поры в мембране, которые окаймлены белками. Однако в последнее время, помимо наличия гидрофильных пор, проникновение через мембрану мелких полярных молекул объясняют с позиций динамичной структуры биологических мембран. В бислое, вследствие высокой способности молекул липидов к движению, постоянно присутствуют подвижные «дефекты» структуры (например, кинки), сквозь которые могут диффундировать небольшие полярные молекулы, и в первую очередь молекулы воды.

Таким образом, используя дефекты в жидкокристаллической структуре липидного бислоя и наличие гидрофильных белковых пор, через мембрану проникают гидратированные ионы и молекулы нерастворимых в липидах веществ. Для них мембрана выступает как молекулярное сито: чем больше размер частицы, тем меньше проницаемость мембраны для нее. Некоторая избирательность переноса обеспечивается наличием в мембране пор определенного размера, соответствующего диаметру проникающей частицы.

При облегченной диффузии перенос веществ также осуществляется по градиенту концентрации и не требует затрат энергии, но нужны переносчики. Облегченная диффузия характерна для водорастворимых веществ.

По принципу действия мембранные переносчики могут быть разделены на два типа. Переносчик первого типа действует подобно челноку, то есть, соединившись с транспортируемым веществом, он диф-

82

фундирует к противоположной стороне мембраны, где освобождается от связанной с ним молекулы или иона и возвращается назад либо пустым, либо захватив с противоположной стороны мембраны другое соединение.

Классический пример подвижного мембранного переносчика – валиномицин – антибиотик, продуцируемый различными штаммами Streptomyces. Он обладает уникальной способностью «отличать» ионы калия от других различных катионов, в том числе и от натрия, и переносить именно К+ через мембрану.

Переносчик второго типа не перемещается в липидном бислое. Механизм переноса основан на способности белковой молекулы находиться в двух различных конформационных состояниях. В одном из них он селективно связывает транспортируемую молекулу, в другом – освобождает ее с противоположной стороны мембраны. Большинство природных переносчиков – это интегральные прошивающие белки, которые не способны к поперечной диффузии и поэтому являются переносчиками второго типа. Установлено, что транспортные белки отвечают за перенос таких гидрофильных веществ, как сахара, аминокислоты и др. Например, в клетки организма глюкоза поступает облегченной диффузией, связанной с наличием в цитоплазматических мембранах специальных белков-переносчиков, называемых глюкозными транспортерами и обозначаемыми как GLUT-1 – GLUT-5. Они локализованы в разных тканях и отличаются сродством к глюкозе. Это обеспечивает ее транспорт в клетки соответствующих тканей согласно их потребности в глюкозе, ее содержанию в крови, уровню секреции инсулина и т. д.

Среди систем пассивного транспорта особую роль играют ионные каналы – специфические каналы проницаемости, обусловливающие быстрое и селективное проникновение ионов через мембрану. Например, электрическое возбуждение мембран нервных и мышечных клеток

связано с кратковременным увеличением их проницаемости для ионов

Na+, K+ и Ca2+.

Отличия облегченной диффузии от простой:

1.При облегченной диффузии обеспечивается бóльшая скорость переноса.

83

2.Облегченная диффузия – специфичный вид транспорта, так как белки-переносчики отличаются высокой избирательностью.

3.Для облегченной диффузии характерен эффект насыщения, который заключается в том, что по мере увеличения градиента концентрации диффундирующего вещества, скорость его переноса через мембрану стремится к некоторому максимуму. В момент достижения состояния насыщения уже использована вся «мощность» переносчиков.

Рис. Некоторые виды пассивного транспорта:

а, б – простая диффузия через бислой и белковую пору (канал) соответственно; в – облегченная диффузия с

участием фиксированного переносчика

Биомембраны обладают не только пассивной проницаемостью (транспорт по градиенту), но, действуя подобно насосу, могут перекачивать вещество в сторону его бóльшей концентрации. Транспорт веществ против градиента концентрации (для нейтральных частиц) или электрохимического градиента (для заряженных частиц), требующий затрат энергии, называется активным транспортом. Следовательно, факторы, которые нарушают снабжение клеток энергией, будут приводить и к приостановке активного транспорта, вызывая, как правило, гибель клеток. Например, отсутствие кислорода; действие ингибиторов тканевого дыхания, наркотиков и др.

В зависимости от способа использования энергии для переноса молекул и ионов различают первичный и вторичный активный транспорт. При первичном активном транспорте имеет место сопряжение переноса вещества через мембрану с реакцией гидролиза АТФ (ионные насосы) или системой переноса электронов (транспорт Н+ из матрикса в межмембранное пространство митохондрий в процессе тканевого дыхания).

Типичным примером первичного активного транспорта является транспорт ионов с помощью специальных селективных насосов – транспортных АТФаз. Например, перенос Na+ и K+ через плазматическую мембрану, который осуществляется Na+/K+-АТФазой. Известно, что Na+ – это внеклеточный катион, а К+ – внутриклеточный. Na+/K+-

84

АТФаза обеспечивает выведение трех ионов Na+ из клетки в обмен на введение в клетку двух ионов К+ против их градиентов с затратой одной молекулы АТФ.

Внешняя сторона

Мембрана

Внутренняя сторона

Рис. Строение Na+/K+-АТФазы

Na+/K+-АТФаза имеет сложное строение – это интегральный белок, обладающий четвертичной структурой. Он состоит из четырех субъединиц двух типов – две α и две β (αβ)2 с общей молекулярной массой 270 кДа. Каналом для транспорта ионов служит α-субъединица, представляющая собой полипептидную цепь с молекулярной массой 95 кДа. Она пронизывает мембрану насквозь и содержит со стороны цитоплазмы участки связывания для АТФ и ионов Na+, а на внешней п о- верхности мембраны – для ионов К+. β-субъединица (40 кДа) является гликопротеином и способствует правильной ориентации тетрамера в липидном бислое. Она содержит углеводные группы, которые расположены на внешней стороне плазматической мембраны. Na+/K+-АТФаза способна гидролизовать АТФ на АДФ и неорганический фосфат (Рн), то есть является ферментом. Высвобождающаяся при гидролизе АТФ энергия используется для транспорта ионов Na+ и К+ через мембрану.

Перенос ионов происходит за счет изменения конформации Na+/K+-АТФазы при ее фосфорилировании и дефосфорилированиии (химической модификации). В присутствии ионов Na+ активируется гидролиз АТФ и освободившийся неорганический фосфат присоединяется к α-субъединице фермента (фосфорилирование). Дефосфорилирование происходит в присутствии К+.

85

МЕХАНИЗМ ПЕРЕНОСА NА+ И К+

86

В кардиологии используются лекарственные препараты – сердечные гликозиды. У них есть побочное действие, связанное с ингибированием Na+/K+-АТФазы. Сердечные гликозиды способны конкурировать с ионами К+ на внешней стороне мембраны за места связывания с α- субъединицей фермента, ингибируя перенос ионов. Токсическое действие сердечных гликозидов можно снять, назначая вместе с ними препараты калия.

Неравнозначный перенос ионов через мембрану с участием Na+/K+-АТФазы вызывает возникновение разности потенциалов между цитоплазмой клетки и внеклеточной средой – появление положительного заряда снаружи и отрицательного внутри. Поэтому Na+/K+-АТФазу называют электрогенной. Наличие разности потенциалов, получившей название потенциала покоя, имеет важное практическое значение. Он стабилизирует мембрану; управляет работой мембранных белков; обусловливает возбудимость клеток, характер клеточного метаболизма и т. д. То есть определяет жизнеспособность клетки.

Вторичный активный транспорт обеспечивает перенос соеди-

нений через мембрану за счет энергии, обусловленной электрохимическим градиентом некоторых ионов (чаще всего Na+), который был создан на мембране в результате работы систем первичного активного транспорта. Когда в транспортном процессе участвует несколько соединений, то возможны разные варианты сопряжения переноса веществ через мембрану. Симпорт – транспорт молекул или ионов осуществляется одновременно и однонаправлено с другими соединениями. Антипорт – транспорт веществ обусловлен одновременным и противоположно направленным переносом других соединений. Симпорт и антипорт представляют собой виды котранспорта, при котором скорость суммарного процесса контролируется наличием и доступностью для систем переноса обоих партнеров транспортного процесса.

87

Рис. Способы переноса через мембрану при вторичном активном транспорте.

Например, создаваемый работой Na+/K+-АТФазы градиент ионов Na+ используется для вторичного активного транспорта моносахаридов, аминокислот. Так, всасывание глюкозы в клетки кишечника осуществляется посредством симпорта с ионами Na+ . При этом Na + и глюкоза связываются со специфическим транспортным белком и проникают в клетку одновременно. Далее Na+ вновь выкачивается из клеток Na+/K+- АТФазой. Таким образом, количество транспортируемой в энтероциты глюкозы и скорость ее всасывания зависят от трансмембранного градиента ионов Na+.

Цитоз или везикулярный транспорт – уникальный способ по-

глощения (эндоцитоз) клеткой крупных молекул и частиц и их выделения (экзоцитоз) с помощью изменения структуры, формы и размеров клеточной мембраны.

Эндоцитоз Экзоцитоз

Эндоцитоз – транспорт в клетку различных соединений. При эндоцитозе определенный участок мембраны захватывает, обволакивает внеклеточный материал – образуется везикула, которая попадает внутрь клетки, где ее содержимое постепенно трансформируется. Эндоцитоз – универсальное явление, характерное в той или иной степени для любых клеток. Кроме неспецифического эндоцитоза (фагоцитоз, пиноцитоз)

88

существует рецептор-индуцируемый (специфический) эндоцитоз. В

этом случае клетки захватывают определенные крупные молекулы или частицы при помощи соответствующих рецепторов мембраны. Примеры специфического эндоцитоза – поступление в клетки холестерина в составе липопротеинов низкой плотности, захват ионов железа в форме комплекса со специальным транспортным белком трансферрином и т. д.

Экзоцитоз – транспорт из клетки во внешнюю среду. При экзоцитозе происходит слипание и слияние с мембраной везикул, образовавшихся внутри клетки. В результате такого слияния во внеклеточную среду поступают содержащиеся в везикулах различные соединения. Например, путем экзоцитоза происходит секреция веществ, необходимых различным клеткам-мишеням (гормонов, медиаторов); освобождение от ненужных, токсичных, непереваривающихся продуктов и т. п.

Межклеточные каналы

Соседние клетки одной ткани должны сообщаться друг с другом, чтобы координировать свою жизнедеятельность и функционировать как целое в соответствии со спецификой ткани. Одним из способов коммуникации состоит в обмене химическими веществами через специальные участки – области щелевидных контактов. Такой межклеточный канал (щелевое соединение) служит протоком между внутренним содержимым смежных клеток. По нему происходит регулярный, взаимный межклеточный транспорт неорганических ионов, сахаров, аминокислот, нуклеотидов и т. п.

Щелевидные соединения играют важную роль в межклеточной коммуникации. Они обеспечивают согласованный рост, дифференцировку клеток. В ряде возбудимых тканей, например, в сердечной мышце, клетки объединены в единую систему быстрым потоком ионов через такие межклеточные каналы. Это позволяет давать быстрый и синхронный ответ на стимуляцию. Через щелевидные контакты происходит питание клеток, удаленных от кровеносных сосудов, например, в костной ткани, хрусталике глаза.

Мембраны и патология

Функционирование сложного многоклеточного организма самым непосредственным образом зависит от жизнеспособности составляющих его отдельных элементов – клеток. Нарушение структурной и функциональной целостности клеточных мембран, вызываемое как факторами внешней среды, так и функциональными внутренними расстройствами, негативно сказывается на выполнении

89

клетками своих функций и может стать как причиной, так и следствием развития тяжелых патологических процессов.

Например, яды некоторых змей, медоносной пчелы содержат в своем составе фермент фосфолипазу А2 , которая вызывает гидролиз эфирной связи во втором положении глицерофосфолипидов, в результате образуются лизофосфатиды – сильные поверхностноактивные вещества, дестабилизирующие липидный бислой. Это вызывает нарушение функций (барьерной, транспортной и т. д.) и последующее разрушение мембран эритроцитов, тучных клеток, вызывая соответствующие патологические эффекты.

Другой пример, генетически наследуемый дефект эритроцитов – недостаток в клетках фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы – в итоге вызывает тяжелое заболевание – гемолитическую анемию. Нарушение целостности клеточной мембраны происходит из-за того, что вследствие недостатка данного фермента в цепи цитоплазматических реакций выпадает одно звено – синтез восстановленных эквивалентов для последующего образования восстановленной формы глютатиона. Снижение концентрации последнего нарушает структурную целостность эритроцитарной мембраны, и в результате гемоглобин выходит в плазму крови.

Таким образом, патология биологических мембран связана с модификацией мембранных липидов (изменением липидного состава; увеличением или уменьшением насыщенности жирных кислот, входящих в состав мембранных липидов; нарушением метаболизма холестерина; развитием перекисного окисления; изменением концентрации в мембране жирорастворимых витаминов и т. д.), а также с нарушением функций мембранных белков. Как правило, происходит комплексная модификация мембран, затрагивающая как липидный бислой, так и мембранные белки.

Лекция 6

ВВЕДЕНИЕ В ОБМЕН ВЕЩЕСТВ. БИОХИМИЯ ПИТАНИЯ И ПИЩЕВАРЕНИЯ

1. Понятие о метаболизме, метаболических путях, карте метаболизма

В наиболее употребительном значении термин «метаболизм» равнозначен «обмену веществ». В точном смысле «метаболизм» означает промежуточный обмен, т.е. превращение веществ внутри клеток с мо-

90