Реферат на тему транспорт веществ в клетке
Обновлено: 04.07.2024
Человеческий организм состоит из эукариотических клеток, особенностью которых является наличие ядра, цитоплазмы и цитоплазматической мембраны, состоящей из слоя липидных молекул, белков и полисахаридных комплексов. ЦПМ клеток являются непроницаемыми для многих витальных молекул.
Транспорт веществ через ЦПМ представляет собой эволюционно сформированный механизм, необходимый для нормального функционирования целостного организма.
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:
доставка питательных веществ к системам синтеза;
доставка субстратов для образования АТФ в митохондрии;
обеспечение клетки субстратами, необходимыми для поддержания ее нормального функционирования.
Пассивный транспорт через мембрану
Пассивный перенос веществ через ЦПМ представляет собой процесс, который протекает без использования энергии. В его основе лежат законы физики и химии, связанные с разностью концентрации низкомолекулярных соединений внутри клетки и в межклеточном матриксе.
Диффузия
Диффузия – это процесс переноса химических соединений через ЦПМ без значимых затрат энергии. В основе диффузии лежит градиент концентрации веществ.
Градиент концентрации – это величина, которая отражает разность между химическими соединениями, находящимися в тканевой жидкости и внутри непосредственно клеточной структуры. Отличным примером, который полностью раскрывает понятие градиента концентрации, является транспорт низкомолекулярных соединений в кишечник из его просвета.
Итак, при поступлении в просвет кишечника большого количества электролитов (низкомолекулярные, ионизированные соединения) происходит их трансмембранный перенос в энтероциты (клетки кишечника). Это связано с тем, что концентрация электролитов в просвете кишечника выше, чем их концентрация в энтероцитах, в результате чего образуется градиент концентрации, по которому данные низкомолекулярные вещества направляются в энтероциты.
Особым видом диффузии является осмос. Осмос – это ток воды из области с более высоким осмотическим давление в область, в которой данный показатель ниже. Осмотическое давление – это сила, с которой низкомолекулярные и не только соединения давят на стенку мембраны клеточных структур. Осмос как частный вид диффузии можно рассматривать, так как при данном виде переноса субстратов вода переносится согласно осмотическому градиенту, то есть соблюдается основное правило диффузии.
Отдельно стоит отметить, что посредством диффузии осуществляется не только перенос электролитов или воды, но и некоторые липофильных веществ (например, через гематоэнцефалический барьер).
Облегченная диффузия
Данная разновидность диффузии базируется на тех же принципах, что и обычная диффузия. Разница между этими двумя, на первый взгляд схожими понятиями, заключается в том, что транспортировка химических соединений посредством облегченной диффузии происходит благодаря участию белков-переносчиков. Данная функция белковых молекул реализуется за счет смены последними своей нативной конформации в результате лиганд-рецепторных взаимодействий с низкомолекулярными веществами.
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:
Экзоцитоз и эндоцитоз
Везикулярный способ переноса молекул сквозь мембрану характеризуется переносом веществ в клетку или в межклеточный матрикс посредством образования вокруг них специальных структур, называемых везикулами (пузырьками). Везикулярный способ переноса молекул сквозь мембранную структуру может быть двух видов:
Экзоцитоз – это способ удаления веществ и молекул из клетки посредством, окружения последних везикулами. Экзоцитоз происходит с затратой энергии на образование пузырька и сокращение белков мембраны, которое необходимо для образования выпячивания последней для отшнуровывания везикулы в межклеточное пространство.
Эндоцитоз – это транспорт питательных веществ во внутрь клетки посредством инвагинации (выпячивания) мембраны. Данный способ переноса молекул через мембранную структуру также протекает с затратой энергии.
Отдельно стоит выделить трансцитоз – это способ перемещения молекулы через клетку в везикуле. Трансцитоз является основным видом транспорта веществ внутри клетки.
Транспорт через несколько слоев клеток
Перенос какого-либо субстрата или лиганда через многослойные структуры лежит в основе формирования врожденного иммунитета и выработки селективного иммуноглобулина А. В поверхностном слое эпителия кишечника содержатся специальные эпителиодобные клетки (М-клетки), которые осуществляют захват веществ из просвета кишечника и посредством трансцитоза направляют его к макрофагам подслизистой оболочки кишечника (скопление макрофагов в подслизистой оболочки в области тонкого кишечника называется пейеровой бляшкой).
Макрофаги, входящие в состав пейеровых бляшек, поглощают транспортируемую посредством трансцитоза молекулу, а затем передают информацию на более специализированные клетки иммунной системы, что в итоге приводит выработке селективного иммуноглобулина А и формирования врожденного гуморального иммунитета. Таким образом, транспортировка веществ сразу через несколько слоев клеток в кишечнике позволяет человеку эффективней справляться впоследствии с воздействием факторов внешней среды.
Перенос молекул или веществ сквозь мембрану – это жизненно-важный, эволюционно сформированный процесс, который необходим для реалиизации гомеостатической регуляции как на клеточном, так и на других уровнях организации организма человека. Посредством мембранного транспорта клеточные структуры получают необходимые пластические и энергетические субстраты для размножения, роста, развития, что впоследствии реализуется в виде роста, развития, регенерации целостного человеческого организма.
3. Пассивный транспорт с помощью белковых каналов и белков переносчиков. Диффузия через мембрану.
4. Активный транспорт. ( Na + K )-насос.
5. Роль ( Na + K )-насоса в поддержании допустимого осмотического давления в клетке.
6. Транспорт за счет ионных градиентов. Симпорт, антипорт.
7. Транспорт путем векторного переноса групп.
8. Обменники. Регулировка pH.
9. Сквозной транспорт через клетки кишечника.
10. Механизм действия некоторых гармонов.
11. Перенос макромолекул и частиц.
1. ОСНОВНЫЕ ФАКТЫ О СТРОЕНИИ КЛЕТОЧНОЙ МЕМБРАНЫ
Плазматическая мембранна окружает каждую клетку, определяет ее размер и обеспечивает сохранение различий между содержимым клетки и внешней средой. Мембрана служит высокоизбирательным фильтром и отвечает за активный транспорт веществ, то есть, поступление в клетку питательных веществ и вывод наружу вредных продуктов жизнедеятельности. Наконец, мембрана ответственна за восприятие внешних сигналов, позволяет клетке реагировать на внешние изменения. Все биологические мембраны представляют собой ансамбли липидных и белковых молекул, удерживаемых вместе с помощью не ковалентных взаимодействий.
1.1. Основу любой молекулярной мембраны составляют молекулы липидов, образующих бислой. Первые опыты, подтверждающие это, были проведены в 1925 году. Формирование бислоя является особым свойством молекул липидов и реализуется даже вне клетки (рис. 1.1.). Указанные на данной схеме структуры реализуются самопроизвольно. Важнейшие свойства бислоя: - способность к самосборке - текучесть - ассиметричность.
1.2. Хотя основные свойства биологических мембран определяются свойствами липидного бислоя, но большинство спецефических функций обеспечивается мембранными белками. Белки выступают в качестве рецепторов и ферментов. С их помощью осуществляется транспорт через мембрану многих веществ. Большинство из них пронизывают бислой в виде одиночной альфа-спирали, но есть и такие, которые пересекают его несколько раз (рис. 1.2.). Некоторые белки связываются с мембраной, не пересекая бислой, а прикрепляясь к той или иной ее стороне. Их называют периферическими мембранными белками. Многие из перефирерических белков связаны нековалентнымивзаимодействиями с трансмембранными белками, но есть и такие, которые имеют ковалентную связь с молекулами липидов. Большинство мембранных белков, так же как и липидов, способны свободно перемещаться в плоскости мембраны. Вообще говоря, возможен переход молекул белков и липидов с одной стороны мембраны на другую, известный как "флип-флоп" перескок, но он происходит гораздо реже, чем латеральная диффузия (рис. 1.3.). Известно, что одна молекула липида совершает "флип-флоп" раз в две недели, в то время, как та же молекула диффундирует в плоскости липидного слоя за 1 секунду на расстояние равное длине большой бактериальной клетки.
1.3. На поверхности всех клеток имеются углеводы. Это полисахаридные и олигосахаридные цепи, ковалентно присоединенные к мембранным белкам и липидам. Углеводы всегда распологаются на той стороне мембраны, которая не контактирует с цитозолем. То есть, на внешних (плазматических) мембранах они присоединяются снаружи клетки.
Функция углеводов клеточной поверхности пока неизвестна, но представляется вероятным, что некоторые из них принимают участие в процессах межклеточного узнавания.
2. ПЕРЕНОС МАЛЫХ МОЛЕКУЛ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ
Так как внутренняя часть липидного слоя гидрофобна, он представляет собой практически непроницаемый барьер для большинства полярных молекул. Вследствие наличия этого барьера, предотвращается утечка содержимого клеток, однако из-за этого клетка была вынуждена создать специальные механизмы для транспорта растворимых в воде веществ через мембрану. Перенос малых водорастворимых молекул осуществляется при помощи специальных транспортных белков. Это особые трансмембранные белки, каждый из которых отвечает за транспорт определенных молекул или групп родственных молекул. В клетках существуют также механизмы переноса через мембрану макромолекул (белков) и даже крупных частиц. Но к ним мы вернемся позднее.
2.1. При опытах с искусственными липидными бислоями было установлено, что чем меньше молекула и чем меньше она образует водородных связей, тем быстрее она дифундирует через мембрану (рис. 2.1.). Итак, чем меньше молекула и чем более она жирорастворима (гидрофобна или неполярна), тем быстрее она будет проникать через мембрану.
Малые неполярные молекулы легко растворимы и быстро диффундируют. Незаряженные полярные молекулы при небольших размерах также растворимы и диффундируют. Важно, что вода очень быстро проникает через липидный бислой несмотря на то, что она относительно нерастворима в жирах. Это происходит из-за того, что ее молекула мала и электрически нейтральна. Итак, мембраны могут пропускать воду и неполярные молекулы за счет простой диффузии.
Но клетке необходимо обеспечить транспортировку таких веществ как сахара, аминокислоты, нуклеотиды, а также многих других полярных молекул.
Как уже говорилось, за перенос подобных веществ ответственны специальные мембранные транспортные белки. Каждый из них предназначен для определенного класса молекул а иногда и для определенной разновидности молекул. Первые доказательства спецефичности транспортных белков были получены, когда обнаружилось, что мутации в одном гене у бактерий приводят к потере способности транспортировать определенные сахара через плазматическую мембрану. У человека есть болезнь цистинурия, при которой отсутствует способность транспортировать некоторые аминокислоты, в частности цистин, из мочи или кишечника в кровь, - в результате в почках образуются цистиновые камни.
Все изученные транспортные белки являются трансмембранными белками, полипептидная цепь которых пересекает липидный бислой несколько раз. Все они обеспечивают перенос молекул через мембрану, формируя в ней сквозные проходы. В основном, транспортные белки делятся на белки-переносчики и каналообразующие белки. Первые взаимодействуют с молекулой переносимого вещества и каким-либо способом перемещают ее сквозь мембрану. Каналообразующие белки, напротив, формируют в мембране водные поры, через которые (когда они открыты) могут проходить вещества (обычно неорганические ионы подходящего размера и заряда).
2.2. Если молекула не заряжена, то направление ее диффузии определяется разностью концентраций по обеим сторонам мембраны или градиентом концентрации. В то же время на направление движения заряженной молекулы будет влиять еще и разность потенциалов на сторонах мемраны или мембранный потенциал (обычно внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно относительно наружной). Учитывая концентрационный и электрический градиенты Все каналообразующие белки и многие белки-переносчики позволяют растворенным веществам проходить через мембраны только пассивно, то есть, в направлении электрохимического градиента. Такой вид транспорта называется пассивным (облегченная диффузия), и не требует затрат энергии.
2.3. Рассмотрим подробнее работу белка переносчика, обеспечивающего пассивный транспорт веществ через клеточную мембрану. Процесс, с помощью которого белки-переносчики связывают и транспортируют растворенные молекулы, напоминает ферментативную реакцию. В белках-переносчиках всех типов имеются участки связывания для транспортируемой молекулы. Когда белок насыщен, скорость транспортировки максимальна. Связывание может быть блокируемо как конкурентными ингибиторами, (конкурирующими за тот же участок связывания), так и не конкурентными ингибиторами, связывающимися в другом месте и влияющими на структуру переносчика. Молекулярный механизм работы белков переносчиков пока не известен. Предполагается, что они переносят молекулы, претерпевая обратимые конформационные изменения, которые позволяют их участкам связывания располагаться попеременно то на одной, то на другой стороне мембраны (рис. 2.2.). На данной схеме представлена модель, показывающая, как конформационные изменения в белке могли бы обеспечить облегченную диффузию растворенного вещества. Белок переносчик может состоять в двух конформационных состояниях "пинг" и "понг". Переход между ними осуществляется случайным образом и полностью обратим. Однако, вероятность связывания молекулы транспортируемого вещества с белком гораздо выше в состоянии "пинг". Поэтому молекул, перемещенных в клетку, будет гораздо больше чем тех, которые ее покинут. Происходит транспорт вещества по электрохимическому градиенту.
2.4. Некоторые транспортные белки просто переносят какое-либо растворенное вещество с одной стороны мембраны на другую. Такой перенос называется унипортом. Другие белки являются контранспортными системами. В них происходит: а) перенос одного вещества зависит от одновременного / последовательного / переноса другого вещества в том же направлении (симпорт).
б) перенос одного вещества зависит от одновременного / последовательного / переноса другого вещества в противоположном направлении (антипорт). Например, большинство животных клеток поглощает глюкозу из внеклеточной жидкости, где ее концентрация высока путем пассивного транспорта осуществляемого белком, который работает как унипорт. В то же время, клетки кишечника и почек поглощают ее из люменального пространства кишечника и из почечных канальцев, где ее концентрация очень мала, с помощью симпорта глюкозы и ионов Na. (рис. 2.3.) Итак, мы рассмотрели осноаные виды пассивного транспорта малых молекул через биологические мембраны.
2.5. Часто бывает необходимым обеспечить перенос через мембрану молекул против их электрохимического градиента. Такой процесс называется активным транспортом и осуществляется белками-переносчиками, деятельность которых требует затрат энергии. Если связать белок-переносчик с источником энергии, можно получить механизм, обеспечивающий активный транспорт веществ через мембрану. (рис. 2.4.).
Одним из главных источников энергии в клетке является гидролиз АТФ до АДФ и фосфата. На этом явлении основан важный для жизнедеятельности клетки механизм (Na + K)-насос (рис. 2.5). Он служит прекрасным примером активного транспорта ионов. Концентрация K внутри клетки в 10-20 раз выше, чем снаружи. Для Na картина противоположная. Такую разницу конценраций обеспечивает работа (Na + K)-насоса, который активно перекачивает Na из клетки, а K в клетку. Известно, что на работу (Na + K)-насоса тратится почти треть всей энергии необходимой для жизнедеятельности клетки. Вышеуказанная разность концентраций поддерживается со следующими целями:
1) Регулировка объема клеток за счет осмотических эффектов.
2) Вторичный транспорт веществ (будет рассмотрен ниже). Опытным путем было установлено, что:
1) Транспорт ионов Na и K тесно связан с гидролизом АТФ и не может осуществляться без него.
2) Na и АТФ должны находиться внутри клетки, а K снаружи.
3) Вещество уабаин ингибирует АТФазу только находясь вне клетки, где он конкурирует за участок связывания с K. (Na + K)-АТФаза активно транспортирует Na наружу а K внутрь клетки. При гидролизе одной молекулы АТФ три иона Na выкачиваются из клетки а два иона K попадают в нее (рис. 2.6.).
1) Na связывается с белком.
2) Фосфорилирование АТФазы индуцирует конформационные изменения в белке, в результате чего ъ
3) Na переносится на внешнюю сторону мембраны и высвобождается.
4) Связывание K на внешней поверхности.
6) Высвобождение K и возврат белка в первоначальное состояние.
По всей вероятности в (Na + K)-насосе есть три участка связывания Na и два участка связывания K. (Na + K)-насос можно заставить работать в противоположном направлении и синтезировать АТФ. Если увеличить концентрации ионов с соответствующих сторон от мембраны, они будут проходить через нее в соответствии со своими электрохимическими градиентами, а АТФ будет синтезироваться из ортофосфата и АДФ с помощью (Na + K)-АТФазы.
2.6. Если бы у клетки не существовало систем регуляции осмотического давления, то концентрация растворенных веществ внутри нее оказалась бы больше их внешних концентраций. Тогда концентрация воды в клетке была бы меньшей, чем ее концентрация снаружи.
Вследствие этого, происходил бы постоянный приток воды в клетку и ее разрыв. К счастью, животные клетки и бактерии контролируют осмотическое давление в своих клетках с помощью активного выкачивания неорганических ионов таких как Na. Поэтому их общая концентрация внутри клетки ниже чем снаружи. Клетки растений имеют жесткие стенки, которые предохраняют их от набухания. Многие простейшие избегают разрыва от поступающей внутрь клетки воды с помощью специальных механизмов, которые регулярно выбрасывают поступающую воду.
2.7. Другим важным видом активного транспорта является активный транспорт с помощью ионных градиентов (рис. 2.7.). Такой тип проникновения через мембрану осуществляют некоторые транспортные белки, работающие по принципу симпорта или антипорта с какими-нибудь ионами, электрохимический градиент которых достаточно высок. В животных клетках контранспортируемым ионом обычно является Na. Его электрохимический градиент обеспечивает энергией активный транспорт других молекул. Для примера рассмотрим работу насоса, который перекачивает глюкозу. насос случайным образом осциллирует между состояниями "пинг" и "понг". Na связывается с белком в обоих его состояниях и при этом увеличивает сродство последнего к глюкозе. Вне клетки присоединение Na, а значит и глюкозы, происходит чаще чем внутри. Поэтому глюкоза перекачивается в клетку.
Итак, наряду с пассивным транспортом ионов Na происходит симпорт глюкозы. Строго говоря, необходимая энергия для работы этого механизма запасается в ходе работы (Na + K)-насоса в виде электрохимического потенциала ионов Na. У бактерий и растений большинство систем активного транспорта такого вида используют в качестве контранспортируемого иона ион H. К примеру, транспорт большей части сахаров и аминокислот в бактериальные клетки обусловлен градиентом H.
2.8. Один из самых интересных способов активного транспорта состоит в том, чтобы каким-либо образом удержать внутри клетки молекулу, вошедшую туда в соответствии со своим электрохимическим потенциалом.
Так, некоторые бактерии фосфорилируют молекулы отдельных сахаров, в результате чего они заряжаются и не могут выйти обратно. Такой вид транспорта называется векторным переносом групп.
2.9. Для сквозного транспорта веществ через клетку существуют особые механизмы. Например, в плазматической мембране клеток эпителия кишечника белки-переносчики распределены ассиметрично. (рис. 2.8.). Благодаря этому, обеспечивается транспорт глюкзы сквозь клетку во внеклеточную жидкость откуда она поступает в кровь. Глюкоза проникает в клетку с помощью симпорта, контранспортным ионом в котором является Na, и выходит из нее путем облегченной диффузии с помощью другого транспортного белка.
2.10. Рассмотрим некоторые дополнительные функции транспортеров работающих по принципу антипорта. Почти все клетки позвоночных имеют в составе своей плазматической мемраны (Na + H) переносчик-обменник. Этот механизм регулирует pH внутри клетки. Вывод ионов H из клетки сопряжен с транспортировкой в нее ионов Na. При этом увеличивается значение pH внутри клетки. Такой обменник имеет особый регуляторный участок, который активизирует его работу при уменьшении pH. Наряду с этим , у многих клеток есть механизм, обеспечивающий обратный эффект. Это (Cl + HCO)-обменник, который уменьшает значение pH.
2.11. Одним из самых интересных примеров транспорта веществ через биологические мембраны является взаимодействие гормонов с клеткой. Как известно, гормонами называют спецефические химические соединения, которые оказывают значительное влияние на процессы обмена веществ и функционирование органов. В отличие от ферментов или витаминов гормоны не изменяют скорость отдельных реакций, а существенно влияют на некие фундаментальные процессы в организме, которые затем сказываются на самых различных сторонах жизнедеятельности организма.
Некоторые виды гормонов проникают в клетку и регулируют в ней синтез информационных РНК. Другие гормоны, называемые пептидными (инсулин, гормон роста) взаимодействуют со специальными мембранными белками, которые, в свою очередь, продуцируют в клетке вещества, влияющие на некоторые происходящие в ней процессы.
3. ПЕРЕНОС ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ МАКРОМОЛЕКУЛ И ЧАСТИЦ
В заключение рассмотрим основные механизмы транспортировки через биологические мембраны крупных частиц и макромолекул. Процесс поглощения макромолекул клеткой называется эндоцитозом. В общих чертах механизм его протекания таков: локальные участки плазматической мембраны впячиваются и замыкаются, образуя эндоцитозный пузырек (рис. 2.9.), затем поглощенная частица обычно попадает в лизосомы и подвергается деградации.
Нельзя преувеличить роль транспорта веществ через плазматическую мембрану в жизнедеятельности клетки. Большинство процессов, связанных с обеспечением клетки энергией и избавлением ее от продуктов распада, основаны на вышеописанных механизмах. Кроме того, специальные функции клеточной мембраны заключаются в получении клеткой внешних сигналов (примером этому могут служить описанные взаимодействия клетки с гормонами).
Албертс Б., Брэй Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки. В 3-х томах. Том 1. М., Мир, 1994.
Зоммер К. Аккумулятор знаний по химии. М., Мир, 1985.
Химия. Курс для средней школы. Пер. с англ. под ред. Г.Д.Вовченко. М., Мир, 1971.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Транспорт веществ через мембрану.
Пассивный транспорт.
Если вещество движется через мембрану из области с высокой концентрацией в сторону низкой концентрации (т. е. по градиенту концентрации этого вещества) без затраты клеткой энергии, то такой транспорт называется пассивным, или диффузией. Различают два типа диффузии: простую и облегченную.
Простая диффузия.
Характерна для небольших нейтральных молекул (H2O, CO2, O2), а также гидрофобных низкомолекулярных органических веществ. Эти молекулы могут проходить без какого-либо взаимодействия с мембранными белками через поры или каналы мембраны до тех пор, пока будет сохраняться градиент концентрации.
Облегченная диффузия.
Характерна для гидрофильных молекул, которые переносятся через мембрану также по градиенту концентрации, но с помощью специальных мембранных белков - переносчиков. Для облегченной диффузии, в отличие от простой, характерна высокая избирательность, так как белок переносчик имеет центр связывания комплементарный транспортируемому веществу, и перенос сопровождается конформационными изменениями белка. Один из возможных механизмов облегченной диффузии может быть следующим: транспортный белок (транслоказа) связывает вещество, затем сближается с противоположной стороной мембраны, освобождает это вещество, принимает исходную конформацию и вновь готов выполнять транспортную функцию. Мало известно о том, как осуществляется передвижение самого белка. Другой возможный механизм переноса предполагает участие нескольких белков-переносчиков. В этом случае первоначально связанное соединение само переходит от одного белка к другому, последовательно связываясь то с одним, то с другим белком, пока не окажется на противоположной стороне мембраны.
Активный транспорт.
Имеет место в том случае, когда перенос осуществляется против градиента концентрации. Такой перенос требует затраты энергии клеткой. Активный транспорт служит для накопления веществ внутри клетки. Источником энергии часто является АТФ. Для активного транспорта кроме источника энергии необходимо участие мембранных белков. Одна из активных транспортных систем в клетке животных отвечает за перенос ионов Na+ и K+ через клеточную мембрану. Эта система называется Na+ - K+ - насос. Она отвечает за поддержание состава внутриклеточной среды, в которой концентрация К+ выше, чем Na+.
Одним из великих чудес клеточной мембраны является ее способность регулировать концентрацию веществ внутри клетки. Эти вещества включают ионы, такие как Ca ++ , Na + , K + и Cl - ; питательные вещества, включая сахара, жирные кислоты и аминокислоты; и отходы, особенно углекислый газ (СО 2 ), который должен покинуть клетку.
Структура липидного бислоя мембраны обеспечивает первый уровень контроля. Фосфолипиды плотно упакованы вместе, а мембрана имеет гидрофобную внутреннюю часть. Эта структура делает мембрану избирательно проницаемой. Мембрана с селективной проницаемостьюпозволяет только веществам, отвечающим определенным критериям, проходить через него без посторонней помощи. В случае клеточной мембраны только относительно небольшие неполярные материалы могут проходить через липидный бислой (помните, что липидные хвосты мембраны неполярные). Некоторыми примерами этого являются другие липиды, газы кислорода и углекислого газа и спирт. Однако водорастворимые материалы, такие как глюкоза, аминокислоты и электролиты, нуждаются в некоторой помощи для прохождения через мембрану, поскольку они отталкиваются гидрофобными хвостами фосфолипидного бислоя. Все вещества, которые проходят через мембрану, делают это одним из двух общих методов, которые классифицируются в зависимости от того, требуется ли энергия. Пассивный транспорт - это движение веществ через мембрану без затрат клеточной энергии. По сравнению,Активный транспорт - это движение веществ через мембрану с использованием энергии аденозинтрифосфата (АТФ).
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.
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.
Активный транспорт веществ через мембрану клеток
Для всех способов транспортировки, описанных выше, клетка не расходует энергию. Мембранные белки, которые помогают в пассивном транспорте веществ, делают это без использования АТФ. Во время активного транспорта АТФ требуется для перемещения вещества через мембрану, часто с помощью белковых носителей, и обычно против градиента концентрации.
Натрий-калиевый насос, который также называют Na + / K + АТФазы, транспортирует натрий из клетки , в то время как перемещение калия в клетку. Насос Na + / K + является важным ионным насосом, обнаруженным в мембранах многих типов клеток. Эти насосы особенно распространены в нервных клетках, которые постоянно откачивают ионы натрия и вытягивают ионы калия для поддержания электрического градиента через их клеточные мембраны. Электрический градиентразница в электрическом заряде в пространстве Например, в случае нервных клеток электрический градиент существует между внутренней и внешней частью клетки, причем внутренняя часть заряжена отрицательно (около -70 мВ) относительно внешней стороны. Отрицательный электрический градиент поддерживается, потому что каждый насос Na + / K + выводит три иона Na + из клетки и два иона K + в клетку для каждой используемой молекулы АТФ.
Натриево-калиевый насос. Натриево-калиевая помпа обнаружена во многих клеточных (плазменных) мембранах. Приведенный в действие ATP, насос перемещает ионы натрия и калия в противоположных направлениях, каждый против его градиента концентрации. За один цикл работы насоса три иона натрия выдавливаются, а два иона калия импортируются в клетку.
Этот процесс настолько важен для нервных клеток, что на него приходится большая часть их использования АТФ. Активные транспортные насосы могут также работать вместе с другими активными или пассивными транспортными системами для перемещения веществ через мембрану. Например, натриево-калиевый насос поддерживает высокую концентрацию ионов натрия вне клетки. Поэтому, если клетке нужны ионы натрия, все, что нужно сделать, это открыть пассивный натриевый канал, поскольку градиент концентрации ионов натрия заставит их диффундировать в клетку. Таким образом, действие активного транспортного насоса (натриево-калиевого насоса) обеспечивает пассивный транспорт ионов натрия путем создания градиента концентрации. Когда активный транспорт обеспечивает транспорт другого вещества таким образом, это называется вторичным активным транспортом.
И наоборот, антипортеры - это вторичные активные транспортные системы, которые транспортируют вещества в противоположных направлениях. Например, антипортер ионов натрия-водорода использует энергию внутреннего потока ионов натрия для перемещения ионов водорода (H +) из клетки. Натриево-водородный антипортер используется для поддержания рН внутри клетки.
Другие формы активного транспорта не включают мембранные носители.
Три формы эндоцитоза - особого транспорта веществ через клеточную стенку
Эндоцитоз является формой активного транспорта, при котором клетка обволакивает внеклеточные материалы, используя свою клеточную мембрану. При фагоцитозе, который является относительно неселективным, клетка принимает большую частицу. При пиноцитозе клетка поглощает мелкие частицы в жидкости.
Напротив, рецептор-опосредованный эндоцитоз довольно избирателен. Когда внешние рецепторы связывают определенный лиганд, клетка реагирует путем эндоцитоза лиганда.
Экзоцитоз. Экзоцитоз очень похож на эндоцитоз наоборот. Материал, предназначенный для экспорта, упакован в пузырек внутри клетки. Мембрана везикулы сливается с клеточной мембраной, и содержимое высвобождается во внеклеточное пространство.
Многие клетки производят вещества, которые должны секретироваться, например, фабрика, производящая продукцию для экспорта. Эти вещества, как правило, упакованы в мембранные пузырьки внутри клетки. Когда везикулярная мембрана сливается с клеточной мембраной, везикула высвобождает свое содержимое в интерстициальную жидкость. Везикулярная мембрана становится частью клеточной мембраны. Клетки желудка и поджелудочной железы производят и выделяют пищеварительные ферменты посредством экзоцитоза.
Ферментные продукты панкреатических клеток. Ацинарные клетки поджелудочной железы производят и выделяют много ферментов, которые переваривают пищу. Крошечные черные гранулы на этой электронной микрофотографии представляют собой секреторные пузырьки, заполненные ферментами, которые будут экспортироваться из клеток посредством экзоцитоза.
Эндокринные клетки производят и выделяют гормоны, которые передаются по всему организму, а определенные иммунные клетки вырабатывают и выделяют большое количество гистамина, химического вещества, важного для иммунных реакций.
Полезно знать
© VetConsult+, 2016. Все права защищены. Использование любых материалов, размещённых на сайте, разрешается при условии ссылки на ресурс. При копировании либо частичном использовании материалов со страниц сайта обязательно размещать прямую открытую для поисковых систем гиперссылку, расположенную в подзаголовке или в первом абзаце статьи.
Читайте также: