Джерело енергії для процесів активного транспорту. Пасивний та активний транспорт

Пасивний транспортвключає просту та полегшену дифузію - процеси, які не вимагають витрати енергії. Дифузія- транспорт молекул та іонів через мембрану з області з високою в область з низькою їх концентрацією, ті. речовини надходять за градієнтом концентрації. Дифузія води через напівпроникні мембрани називається осмосом.Вода здатна проходити також через мембранні пори, утворені білками, і переносити молекули та іони розчинених у ній речовин. Механізм простої дифузії здійснюється перенесення дрібних молекул (наприклад, О2, Н2О, СО2); цей процес малоспецифічний і протікає зі швидкістю, пропорційною градієнту концентрації молекул, що транспортуються по обидва боки мембрани.

Полегшена дифузіяздійснюється через канали та (або) білки-переносники, які мають специфічність щодо транспортованих молекул. Як іонні канали виступають трансмембранні білки, що утворюють дрібні водні пори, через які по електрохімічному градієнту транспортуються дрібні водорозчинні молекули та іони. Білки-переносники також є трансмембранними білками, які зазнають оборотних змін конформації, що забезпечують транспорт специфічних молекул через плазмолемму. Вони функціонують у механізмах як пасивного, і активного транспорту.

Активний транспортє енергоємним процесом, завдяки якому перенос молекул здійснюється за допомогою білків-переносників проти електрохімічного градієнта. Прикладом механізму, що забезпечує протилежно спрямований активний транспорт іонів, служить натрієво-калієвий насос (представлений білком-переносником Nа + -К + -АТФазою), завдяки якому іони Na + виводяться з цитоплазми, а іони К + одночасно переносяться до неї. Концентрація К+ усередині клітини в 10-20 разів вища, ніж зовні, а концентрація Na навпаки. Така різниця в концентраціях іонів забезпечується роботою (Na*-K*> насоса. Для підтримки даної концентрації відбувається перенесення трьох іонів Na з клітини на кожні два іони К* у клітину. У цьому процесі бере участь білок у мембрані, що виконує функцію ферменту, що розщеплює АТФ з вивільненням енергії, необхідної для роботи насоса.
Участь специфічних мембранних білків у пасивному та активному транспорті свідчить про високу специфічність цього процесу. Цей механізм забезпечує підтримку сталості об'єму клітини (шляхом регулювання осмотичного тиску), а також мембранного потенціалу. Активний транспорт глюкози в клітину здійснюється білком-переносником і поєднується з односпрямованим перенесенням іона Nа+.

Полегшений транспортіонів опосередковується спеціальними трансмембранними білками - іонними каналами, що забезпечують вибіркове перенесення певних іонів. Ці канали складаються з власне транспортної системи та комірного механізму, який відкриває канал на деякий час у відповідь на зміну мембранного потенціалу, (б) механічну дію (наприклад, у волоскових клітинах внутрішнього вуха), зв'язування ліганду (сигнальної молекули або іона).

Мембранний транспорт речовин відрізняється також за напрямом їх переміщення та кількістю переносимих даними переносником речовин:

Уніпорт – транспорт однієї речовини в одному напрямку залежно від градієнта
Сімпорт – транспорт двох речовин в одному напрямку через один переносник.
Антипорт – переміщення двох речовин у різних напрямках через один переносник.

Уніпортздійснює, наприклад, потенціал-залежний натрієвий канал, через який клітину під час генерації потенціалу дії переміщуються іони натрію.

Сімпортздійснює переносник глюкози, розташований на зовнішній (наверненій у просвіт кишечника) боці клітин кишкового епітелію. Цей білок захоплює одночасно молекулу глюкози та іон натрію і, змінюючи конформацію, переносить обидві речовини всередину клітини. При цьому використовується енергія електрохімічного градієнта, який, у свою чергу, створюється за рахунок гідролізу АТФ натрій-калієвої АТФ-азою.

Антипортздійснює, наприклад, натрій-калієва АТФаза (або натрій-залежна АТФаза). Вона переносить у клітину іони калію. а з клітини – іони натрію. Спочатку цей переносник приєднує з внутрішньої сторони мембрани три іони. Na+. Ці іони змінюють конформацію активного центру АТФази. Після такої активації АТФаза здатна гідролізувати одну молекулу АТФ, причому фосфат-іон фіксується на поверхні переносника з внутрішньої сторони мембрани.

Енергія, що виділилася, витрачається на зміну конформації АТФази, після чого три іони Na+ та іон (фосфат) виявляються на зовнішній стороні мембрани. Тут іони Na+ відщеплюються, а заміщається на два іони K+. Потім конформація переносника змінюється на початкову, та іони K+ виявляються на внутрішній стороні мембрани. Тут іони K+ відщеплюються, і переносник знову готовий до робіт

text_fields

arrow_upward

У тварин із замкнутою судинною системою позаклітинна рідина умовно поділяється на два компоненти:

1) Інтерстиціальна рідина
2) Циркулююча плазма.

Інтерстиціальна рідина є частиною позаклітинної рідини, яка розташована поза судинною системою і омиває клітини.

Близько 1/3 загальної води тіла становить позаклітинна рідина, решта 2/3 - рідина внутрішньоклітинна.

Концентрації електролітів та колоїдних речовин суттєво відрізняються у плазмі, інтерстиціальній та внутрішньоклітинній рідинах. Найбільш виражені відмінності полягають у відносно низькому вмісті білків-аніонів в інтерстиціальній рідині, у порівнянні з внутрішньоклітинною рідиною та плазмою крові, та більш високих концентраціях натрію та хлору в інтерстиціальній, а калію у внутрішньоклітинній рідині.

Неоднаковий склад різних рідких середовищ тіла значною мірою обумовлений природою бар'єрів, що їх поділяють. Клітинні мембрани відокремлюють внутрішньоклітинну від позаклітинної рідини, стінки капілярів – інтерстиціальну рідину від плазми. Перенесення речовин через ці бар'єри може відбуватися пасивноза рахунок дифузії, фільтрації та осмосу, а також за допомогою активного транспорту.

Пасивний транспорт

text_fields

arrow_upward

Мал. 1.12 Види пасивного та активного транспорту речовин через мембрану.

Схематично основні види транспорту речовин через мембрану клітин представлені на рис.1.12

Рис.1.12 Види пасивного та активного транспорту речовин через мембрану.

3 - полегшена дифузія,

Пасивне перенесення речовинчерез клітинні мембрани не потребує витрати енергії метаболізму.

Види пасивного транспорту

text_fields

arrow_upward

Види пасивного транспорту речовин:

Проста дифузія
Осмос
Дифузія іонів
Полегшена дифузія

Проста дифузія

text_fields

arrow_upward

Дифузія є процесом, за допомогою якого газ або розчинені речовини поширюються і заповнюють весь доступний обсяг.

Молекули та іони, розчинені в рідині, знаходяться в хаотичному русі, стикаючись один з одним, молекулами розчинника та клітинною мембраною. Зіткнення молекули або іона з мембраною може мати подвійний результат: молекула або відскочить від мембрани, або пройде через неї. Коли ймовірність останньої події висока, то кажуть, що мембрана проникна для цьогоречовини.

Якщо концентрація речовини по обидві сторони мембрани різна, виникає потік частинок, спрямований більш концентрованого розчину в розведений. Дифузія відбувається до того часу, поки концентрація речовини з обох боків мембрани не вирівнюється. Через клітинну мембрану проходять як добре розчинні у воді (гідрофільні)речовини, так і гідрофобні,погано чи зовсім у ній нерозчинні.

Гідрофобні, добре розчинні у жирах речовини, дифундують завдяки розчиненню в ліпідах мембрани.

Вода і речовини добре розчинні в ній проникають через тимчасові дефекти вуглеводневої області мембрани, т.зв. кінки,а також через пори,постійно існуючі гідрофільні ділянки мембрани.

У разі коли клітинна мембрана непроникна або погано проникна для розчиненої речовини, але проникна для води, вона піддається дії осмотичних сил. При нижчій концентрації речовини у клітині, ніж у навколишньому середовищі, клітина стискається; якщо концентрація розчиненої речовини у клітині вище, вода спрямовується всередину клітини.

Осмос

text_fields

arrow_upward

Осмос- рух молекул води (розчинника) через мембрану з меншої області в область більшої концентрації розчиненої речовини.

Осмотичний тискназивається той найменший тиск, який необхідно прикласти до розчину для того, щоб запобігти перетіканню розчинника через мембрану розчин з більшою концентрацією речовини.

Молекули розчинника, як і молекули будь-якої іншої речовини, рухаються силою, що виникає внаслідок різниці хімічних потенціалів. Коли якась речовина розчиняється, хімічний потенціал розчинника зменшується. Тому в області, де концентрація розчиненої речовини вища, хімічний потенціал розчинника є нижчим. Таким чином, молекули розчинника, переміщаючись з розчину з меншою до розчину з більшою концентрацією, рухаються в термодинамічному сенсі «вниз», «за градієнтом».

Об'єм клітин значною мірою регулюється кількістю води, що міститься в них. Клітина ніколи не перебуває в стані повної рівноваги з навколишнім середовищем. Безперервний рух молекул та іонів через плазматичну мембрану змінює концентрацію речовин у клітині та, відповідно, осмотичний тиск її вмісту. Якщо клітина секретує будь-яку речовину, то підтримки незмінної величини осмотичного тиску вона повинна або виділяти відповідну кількість води, або поглинати еквівалентну кількість іншої речовини. Оскільки середовище, що оточує більшість клітин гіпотонічна, для клітин важливо запобігти надходженню в них великих кількостей води. Підтримка ж сталості обсягу навіть в ізотонічному середовищі вимагає витрати енергії, тому в клітині концентрація речовин нездатних до дифузії (білків, нуклеїнових кислот тощо) вище, ніж у навколоклітинному середовищі. Крім того, у клітині постійно накопичуються метаболіти, що порушує осмотичну рівновагу. Необхідність витрати енергії для підтримки сталості об'єму легко доводиться в експериментах із охолодженням або інгібіторами метаболізму. У таких умовах клітини швидко набухають.

Для вирішення «осмотичної проблеми» клітини використовують два способи:вони відкачують в інтерстицій компоненти свого вмісту або воду, що надходить в них. У більшості випадків клітини використовують першу можливість – відкачування речовин, чаші іонів, використовуючи для цього натрієвий насос(див. нижче).

У цілому нині обсяг клітин, які мають жорстких стінок, визначається трьома чинниками:

1) кількістю містяться в них та нездатних до проникнення через мембрану речовин;
2) концентрацією в інтерстиції сполук, здатних проходити через мембрану;
3) співвідношенням швидкостей проникнення та відкачування речовин із клітини.

Велику роль у регуляції водного балансу між клітиною та навколишнім середовищем відіграє еластичність плазматичної мембрани, що створює гідростатичний тиск, що перешкоджає надходженню води в клітину. За наявності різниці гідростатичних тисків у двох областях середовища вода може фільтруватися через пори бар'єру, що розділяє ці ділянки.

Явлення фільтрації лежать в основі багатьох фізіологічних процесів, таких, наприклад, як утворення первинної сечі в нефроні, обмін води між кров'ю та тканинною рідиною у капілярах.

Дифузія іонів

text_fields

arrow_upward

Дифузія іоніввідбувається, в основному, черезспеціалізовані білкові структури мембрани - іонні канали,коли вони знаходяться у відкритому стані. Залежно від виду тканини клітини може мати різний набір іонних каналів.

Розрізняють натрієві, калієві, кальцієві, натрій-кальцієві та хлорні канали. Перенесення іонів по каналах має ряд особливостей, що відрізняють його від простої дифузії. Найбільшою мірою це стосується кальцієвих каналів.

Іонні канали можуть знаходитисьу відкритому, закритому та інактивованому станах. Перехід каналу з одного стану до іншого керується або зміною електричної різниці потенціалів на мембрані, або взаємодією фізіологічно активних речовин з рецепторами.

Відповідно, іонні канали поділяють на потенціал-залежніі рецептор-керовані.Виборча проникність іонного каналу для конкретного іона визначається наявністю спеціальних селективних фільтрів у гирлі.

Полегшена дифузія

text_fields

arrow_upward

Через біологічні мембрани крім води та іонів шляхом простої дифузії проникають багато речовин (від етанолу до складних лікарських препаратів). У той же час навіть погано невеликі полярні молекули, наприклад, гліколі, моносахариди та амінокислоти практично не проникають через мембрану більшості клітин за рахунок простої дифузії. Їх перенесення здійснюється шляхом полегшеної дифузії.

Полегшеною називається дифузіяречовини за градієнтом його концентрації, що здійснюється за участю спеціальних білкових молекул-переносників.

Транспорт Na + , K + , Сl - , Li + , Ca 2+ , НСО 3 - і Н + можуть також здійснювати специфічні переносники. Характерними рисами цього виду мембранного транспорту є висока порівняно з простою дифузією швидкість перенесення речовини, залежність від будови його молекул, насичуваність, конкуренція та чутливість до специфічних інгібіторів - сполук, що пригнічують полегшену дифузію.

Усі перелічені риси полегшеної дифузії є результатом специфічності білків-переносників та обмеженою їх кількістю у мембрані. При досягненні певної концентрації речовини, що переноситься, коли всі переносники зайняті транспортованими молекулами або іонами, подальше її збільшення не призведе до зростання числа частинок, що переносяться. явище насичення. Речовини, подібні до будови молекул і транспортовані тим самим переносником, конкуруватимуть за переносник - явище конкуренції.

Розрізняють кілька видів транспорту речовин у вигляді полегшеної дифузії (рис. 1.13):

Мал. 1.13 Класифікація методів перенесення через мембрану.

Уніпорт, коли молекули чи іони переносяться через мебрану незалежно від наявності чи перенесення інших сполук (транспорт глюкози, амінокислот через базальну мембрану епітеліоцитів);

Сімпорт, при якому їх перенесення здійснюється одночасно і односпрямовано з іншими сполуками (натрій-залежний транспорт Сахарів та амінокислот Na + K + , 2Cl - та котран-спорт);

Антипорт - (транспорт речовини обумовлений одночасним і протилежно спрямованим транспортом іншої сполуки або іону (Na + / Ca 2+, Na + / H + Сl - / НСО 3 - обміни).

Симпорт та антипорт - це види котранспорту,за яких швидкість переносу контролюється всіма учасниками транспортного процесу.

Природа білків-переносників невідома. За принципом дії вони поділяються на два типи. Переносники першого типу здійснюють човникові рухи через мембрану, а другого - вбудовуються в мембрану, утворюючи канал. Промоделювати їхню дію можна за допомогою антибіотиків-іонофорів, переносником лужних металів. Так, один з них (валіноміцин) діє як істинний переносник, що переправляє калій через мембрану. Молекули ж граміцидину А, іншого іонофору, встоюються в мембрану один за одним, формуючи канал для іонів натрію.

Більшість клітин мають систему полегшеної дифузії. Однак перелік метаболітів, які переносяться за допомогою такого механізму, досить обмежений. В основному це цукру, амінокислоти та деякі іони. Сполуки, що є проміжними продуктами обміну (фосфорильовані цукри, продукти метаболізму амінокислот, макроерги), не транспортуються за допомогою цієї системи. Таким чином, полегшена дифузія служить для перенесення молекул, які клітина отримує з навколишнього середовища. Винятком є транспорт органічних молекул через епітелій, який буде розглянуто окремо.

Активний транспорт

text_fields

arrow_upward

Активний транспортздійснюється транспортними аденозинтрифосфатазами (АТФазами) та відбувається за рахунок енергії гідролізу АТФ.

На рис.1.12 представлені види пасивного та активного транспорту речовин через мембрану.

1,2 - проста дифузія через бислой і іонний канал,
3 - полегшена дифузія,
4 - первинно-активний транспорт,
5 - вторинно-активний транспорт.

Види активного транспорту

text_fields

arrow_upward

Види активного транспорту речовин:

Первинно-активний транспорт,

Вторинно-активний транспорт.

Первинно-активний транспорт

text_fields

arrow_upward

Транспорт речовин із середовища з низькою концентрацією в середу з вищою концентрацією не може бути пояснений рухом градієнтом, тобто. дифузією. Цей процес здійснюється за рахунок енергії гідролізу АТФ або енергії, обумовленої градієнтом концентрації будь-яких іонів, найчастіше натрію. Якщо джерелом енергії для активного транспорту речовин є гідроліз АТФ, а не переміщення через мембрану якихось інших молекул або іонів, транспорт називаєтьсяпервинно активним.

Первинно-активне перенесення здійснюється транспортними АТФа-зами, які отримали назву іонні насоси.У клітинах тварин найбільш поширена Na + ,K + - АТФаза (натрієвий насос), що являє собою інтегральний білок плазматичної мембрани та Са 2+ - АТФази, що містяться в плазматичній мембрані сарко-(ендо)-плазматичного ретикулуму. Всі три білки мають загальну властивість - здатність фосфорилуватися і утворювати проміжну фосфорильовану форму ферменту. У фосфоріліро-ванному стані фермент може перебувати у двох конформаціях, які прийнято позначати Е 1та Е 2 .

Конформація ферменту - це спосіб просторової орієнтації (укладання) поліпептидного ланцюга його молекули. Дві зазначені конформації ферменту характеризуються різним спорідненістю до переносимим іонів, тобто. різною здатністю зв'язувати іони, що транспортуються.

Na + /K + - АТФаза забезпечує пов'язаний активний транспорт Na + з клітини і К + в цитоплазму. У молекулі Na + /K + - АТФази є особлива область (ділянка), в якій відбувається зв'язування іонів Na та К. При конформації ферменту E 1 ця область звернена всередину плазматичного ретикулуму. Для здійснення цієї стадії перетворення Са 2+ -АТФази необхідна присутність у саркоплазматичному ретикулумі іонів магнію. Надалі цикл роботи ферменту повторюється.

Вторинно-активний транспорт

text_fields

arrow_upward

Вторинним активним транспортомназивається перенесення через мембрану речовини проти градієнта його концентрації з допомогою енергії градієнта концентрації іншого речовини, створюваного у процесі активного транспорту. У клітинах тварин основним джерелом енергії для вторинного активного транспорту є енергія градієнта концентрації іонів натрію, що створюється за рахунок роботи Na + /K + - АТФази. Наприклад, мембрана клітин слизової оболонки тонкого кишечника містить білок, що здійснює перенесення (симпорт) глюкози та Na+ в епітеліоцити. Транспорт глюкози здійснюється лише в тому випадку, якщо Na + одночасно з глюкозою зв'язуючись із зазначеним білком, переноситься по електрохімічному градієнту. Електрохімічний градієнт для Na+ підтримується активним транспортом цих катіонів із клітини.

У головному мозку робота Na + -насоса пов'язана зі зворотним поглинанням (реабсорбцією) медіаторів -фізіологічно активних речовин, що виділяються із нервових закінчень при дії збудливих факторів.

У кардіоміоцитах і гладких клітинах з функціонуванням Na + , K + -АТФази пов'язаний транспорт Са 2+ через плазматичну мембрану, завдяки присутності в мембрані клітин білка, що здійснює протитранспорт (антипорт) Na + і Са 2+ . Іони кальцію переносяться на мембрану клітин в обмін на іони натрію і за рахунок енергії концентраційного градієнта іонів натрію.

У клітинах виявлено білок, який обмінює позаклітинні іони натрію на внутрішньоклітинні протони - Na + /H + - обмінник.Цей переносник відіграє у підтримці сталості внутрішньоклітинного рН. Швидкість, з якою здійснюється Na+/Ca 2+ та Na+/H+ - обмін, пропорційна електрохімічному градієнту Na+ через мембрану. При зменшенні позаклітинної концентрації Na+ інгібуванні Na+, K+-АТФази серцевими глікозидами або в безкалієвому середовищі внутрішньоклітинна концентрація кальцію та протонів збільшена. Це збільшення внутрішньоклітинної концентрації Са 2+ при інгібуванні Na + , K + -АТФази є основою застосування в клінічній практиці серцевих глікозидів для посилення серцевих скорочень.

Активний транспорт - енергозалежний трансмембранний перенесення проти електрохімічного градієнта. Розрізняють первинний та вторинний активний транспорт. Первинний активний транспорт здійснюють насоси(різні АТФази), вторинний - симпортери(поєднаний односпрямований транспорт) та антипортери(Зустрічний різноспрямований транспорт).

 Первинний активний транспорт. Рухаюча сила трансмембранного перенесення виникає при ферментативному гідролізі макроергічних зв'язків АТФ. Родовий термін для таких АТФаз (наприклад, Na + ,K + -, H + ,K + -, Ca 2+ -АТФази) - насоси.

 Вторинний активний транспорт. Рухаюча сила для трансмембранного перенесення однієї речовини (або іонів) проти електрохімічного градієнтавиникає за рахунок потенційної енергії, запасеної за рахунок поєднаного перенесення іонів (як правило, Na +) по електрохімічному градієнту. Найчастіше надходження Na + в цитозоль з міжклітинного простору і забезпечує вторинний активний транспорт різних іонів і речовин. Відомо 2 типи вторинного активного перенесення - сімпорті антипорт(Рис. 2-6).

 Первинний активний транспортзабезпечують наступні насоси - натрій, калієві АТФази, протонні та калієві АТФази, Са 2+ -транспортуючі АТФази, мітохондріальні АТФази, лізосомальні протонні насоси та ін.

 Натрій, калієва АТФаза(рис. 2–11) регулює трансмембранні потоки основних катіонів (Na + , K +) та опосередковано - води (що підтримує постійний об'єм клітини), забезпечує Na + –пов'язане трансмембранне перенесення (симпорт та антипорт) безлічі органічних та неорганічних молекул, бере участь у створенні МП спокою та генерації ПД нервових та м'язових елементів.

 Електрогенність. При кожному циклі гідролізу АТФ 3 іона Na+ викидаються з клітини, а 2 іона K+ надходять у цитозоль, сумарний ефект - викид із клітини одного катіону. Іншими словами, Na + ,K + ‑насос має електрогенність: його робота призводить до підтримки позитивного заряду зовнішньої (позаклітинної) поверхні мембрани.

 Серцеві глікозиди(наприклад, уабаїн та дигоксин) блокують роботу Na + ,K + -насоса, конкурентно з K + взаємодіючи з ділянкою зв'язування K + на зовнішній поверхні мембрани. В результаті при гіпокаліємії (низька плазма крові) збільшується токсичність серцевих глікозидів.

Мал. 2–11 . Na +,K +–насос. Модель Na+,K+-АТФази, вбудованої в плазматичну мембрану. Na + ,K + –насос - інтегральний мембранний білок, що складається з 4 РЄ (формують канал 2 каталітичні субодиниці  і 2 глікопротеїни ). Na + ,K + ‑насос здійснює транспорт катіонів проти електрохімічного градієнта (X) - транспортує Na + з клітини в обмін на K + (при гідролізі однієї молекули АТФ 3 іона Na + викачуютьсяз клітини, та 2 іони K + закачуютьсяв неї). Ліворуч і праворуч від насоса за допомогою стрілок показані напрямки трансмембранного потоку іонів і води в клітину (Na +) та з клітини (K + , Cl – і вода) через відмінності їх  X . АДФ – аденозиндифосфат, Фн – неорганічний фосфат.

 Протоннаі калієва АТФаза(H+, K+-насос). За допомогою цього ферменту парієтальні клітини залоз слизової оболонки шлунка беруть участь в утворенні соляної кислоти (електронейтральний обмін 2 позаклітинних іонів K+ на 2 внутрішньоклітинні іони H+ при гідролізі однієї молекули АТФ).

 H + ,K + ‑АТФаза – гетеродимер (2 високомолекулярні ‑СЄ та 2 менші мол. маси та сильно глікозильована ‑СЄ).

 -СЕ – головний Аг, до якого при деяких захворюваннях (наприклад, при вітамін B 12 –анеміях та атрофічному гастриті) у крові циркулюють АТ.

 Са 2+-транспортуючі АТФази(Са 2+ ‑АТФази) викачують іони кальцію з цитоплазми в обмін на протонипроти значного електрохімічного градієнта Са2+.

 Са 2+‑АТФази плазмолемипереносять іони кальцію з цитоплазми у позаклітинний простір в обмін на протони (1 H + в обмін на 1 Ca 2 + при гідролізі молекули 1 АТФ).

 Са 2+‑АТФази саркоплазматичного ретикулуму. Як і Са 2+ ‑АТФази плазмолеми, Са 2+ транспортують АТФази саркоплазматичного ретикулуму. відкачують іони кальцію з цитоплазми(2 H + в обмін на 2 Ca 2 + при гідролізі 1 молекули АТФ), але не в позаклітинний простір, а в внутрішньоклітинні депо кальцію(У замкнуті міжмембранні обсяги гладкої ендоплазматичної мережі, що називається в скелетних МВ та кардіоміоцитах - саркоплазматичний ретикулум). Недостатність Са 2+ -АТФази саркоплазматичного ретикулуму проявляється симптомами м'язової втоми (міопатія) при фізичному навантаженні.

 Мітохондріальна АТФазатипу F (F 0 F 1) - АТФ-синтазу внутрішньої мембрани мітохондрій - каталізують кінцевий етап синтезу АТФ (рис. 2-12). Кристи мітохондрій містять АТФ-синтазу, що сполучає окислення в циклі Кребса та фосфорилювання АДФ до АТФ. АТФ синтезується при зворотному струмі протонів матрикс через канал в АТФ-синтезуючим комплексі.

Хеміосмотичний поєднання. Поєднання перенесення електронів та синтезу АТФ (механізм запропонував Пітер Мітчелл у 1961 р.) забезпечує протонний градієнт. Внутрішня мембрана непроникна для аніонів та катіонів. Але при проходженні електронів дихальним ланцюгом іони H + відкачуються з матриксу мітохондрій у міжмембранний простір (рис. 2–12). Ця енергія електрохімічного протонного градієнта і використовується для синтезу АТФ та транспорту метаболітів та неорганічних іонів у матрикс.

Мал. 2–12 . Механізм хеміосмотичного сполучення при утворенні АТФ у мітохондріях. При транспортуванні електронів дихальним ланцюгом з матриксу через внутрішню мембрану в міжмембранний простір мітохондрій надходить H + . Створений таким чином електрохімічний градієнт ( H) дозволяє АТФ-синтазі каталізувати реакцію АДФ + неорганічний фосфат (Ф н)  АТФ.

 Лізосомальні протонні насоси(H + -АТФази типу V [від Vesicular]), вбудовані в мембрани, що оточують лізосоми (також комплекс Гольджі та секреторні бульбашки), транспортують H + з цитозолю в ці мембранні органели. У результаті знижується значення pH, що оптимізує функції цих структур.

 Транспортери ABC(від A TP- B inding C assette - АТФ-зв'язувальна послідовність) - або насоси, що гідролізують АТФ для активного транспорту різних іонів і молекул, або іонні канали або регулятори іонних каналів. Так, ген CFTR(від cystic fibrosis transmembrane regulator – трансмембранний регулятор кістозного фіброзу) кодує структуру хлорного каналу (одночасно регулятор функціонування інших каналів), мутації якого призводять до розвитку муковісцидозу (кістозного фіброзу).

 Вторинний активний транспорт. Відомі 2 форми активного вторинного транспорту: поєднаний ( сімпорт) та зустрічний ( антипорт) (див. рис. 2–6).

 Сімпорт- поєднане перенесення (котранспорт, поєднане транспорт) - рух двох речовин крізь мембрану за допомогою одного і того ж переносника (симпортера).

 Антипорт- одночасне трансмембранне переміщення двох речовин, але у протилежному напрямку (зустрічний транспорт) за допомогою одного і того ж переносника (антипортера, обмінника).

 Сімпортреалізують інтегральні мембранні білки. Перенесення речовини Х проти його електрохімічного градієнта (Х) у більшості випадків відбувається за рахунок надходження в цитозоль з міжклітинного простору по градієнту дифузії іонів натрію (тобто за рахунок  Na), а в ряді випадків - за рахунок надходження в цитозоль з міжклітинного простору по градієнту дифузії протонів (тобто рахунок  H). У результаті і іони (Na + або H +), і речовина Х (наприклад, глюкоза, амінокислоти, неорганічні аніони, іони калію та хлору) переміщуються з міжклітинної речовини в цитозоль.

 Всмоктування глюкозивідбувається через верхівкові поверхні клітин, що оздоблюють просвіт проксимальних звивистих канальців нирки і тонкого кишечника за допомогою комбінованого транспорту з іонами Na + . Різні ізоформи транспортера переносять Na + та глюкозу у співвідношенні 1:1 або 2:1. Розрахунки показують, що максимальна концентрація глюкози у клітині може у 100 чи 10 4 разів перевищувати її концентрацію у плазмі крові.

Активний транспорт

- Це рух іонів або молекул через мембрану проти градієнта концентрації за рахунок енергії гідролізу АТФ. Є три основних типи активного транспорту іонів:

1. натрій-калієвий насос – Na+/K+–аденозинтрифосфатаза (АТФаза), що переносить Na+ назовні, а K+ всередину;

2. кальцієвий (Са2+) насос - Са2+-АТФаза, яка транспортує Са2+ з клітини або цитозолю в саркоплазматичний ретикулум;

3. протонний насос – Н+-АТФаза. Створені активним транспортом градієнти іонів можуть бути використані для активного транспорту інших молекул – таких як деякі амінокислоти та цукру (вторинний активний транспорт).

Котранспорт

– це транспорт іона чи молекули, пов'язані з перенесенням іншого іона. Сімпорт

- Одночасне перенесення обох молекул в одному напрямку; антипорт

– одночасне перенесення обох молекул у протилежних напрямках. Якщо транспорт не пов'язаний із перенесенням іншого іона, цей процес називається уніпортом

Котранспорт можливий як за полегшеної дифузії, і у процесі активного транспорту.

Глюкоза може транспортуватися шляхом полегшеної дифузії на кшталт симпорта. Іони Cl- та HCO3- транспортуються через мембрану еритроцитів шляхом полегшеної дифузії переносником, званим смугою 3, за типом антипорту. При цьому Cl і HCO3 переносяться в протилежних напрямках, а напрям переносу визначається переважним градієнтом концентрації.

Активний транспорт іонів проти градієнта концентрації вимагає енергії, що виділяється при гідролізі АТФ до АДФ: АТФ АДФ + Ф (неорганічний фосфат). p align="justify"> Для активного транспорту, як і для полегшеної дифузії, характерні: специфічність, обмеження максимальної швидкості (тобто кінетична крива виходить на плато) і наявність інгібіторів. Як приклад можна навести первинний активний транспорт, що здійснюється Na+ /K+ - АТФазою. Для функціонування цієї фрментної системи антипорту необхідна наявність Na+, K+ та іонів магнію. Вона присутня практично у всіх клітинах тварин, причому її концентрація особливо висока в збудливих тканинах (наприклад, в нервах і м'язах) і в клітинах, що беруть активну участь у русі здійснюваний Na+ через плазматичну мембрану (наприклад, у кірковому шарі нирок та слинних залозах).

Сам фермент АТФаза представляет собой олигомер, состоящий из 2 a-субъедениц по 110 кД и 2 гликопротеиновых b-субъдениц по 55 кД каждая при гидролизе АТФ происходит обратимое фосфорилирование определенного остатка аспартата на a-субъеденице с образованием b-аспартамилфосфата Для фосфорилирования необходимы Na+ и Мg2+ , але K+, тоді як для дефосфорилирования необхідний K+, але з Na+ чи Мg2+. Описано два конформаційні стани білкового комплексу з різним енергетичним рівнем, які прийнято позначати Е1 та Е2, тому АТФазу називають також переносником типу Е1 - Е2

Серцеві глікозиди, наприклад дігоксині уабаїн

Пригнічують активність АТФази Уабаїн внаслідок хорпошої розчинності у воді широко застосовують у експериментальних дослідженнях для вивчення натрієвого насоса.

Загальноприйняте уявлення про роботу Na+/K+ - АТФазою, зводиться до наступного. Іони Na та АТФ приєднуються до молекули АТФази у присутності Мg2+. Зв'язування іонів Na запускає реакцію гідролізу АТФ, у результаті якої утворюються АДФ та фосфорильована форма ферменту. Фосфорилювання індукує перехід ферментативного білка в новий конформаційний стан і ділянку або ділянки, що несуть Na, виявляються зверненими до зовнішнього середовища. Тут Na+ обмінюється на K+, так як для фосфорильованої форми ферментів характерна висока спорідненість до іонів К. зворотний перехід ферменту у вихідну конформацію ініціюється гідролітичним відщепленням фосфорильної групи у вигляді неорганічного фосфату і супроводжується звільненням K+ у внутрішній простір клітини. Дефосфорильований активний центр ферменту здатний приєднати нову молекулу АТФ і цикл повторюється.

Клітина - структурна одиниця всього живого на планеті і відкрита система. Це означає, що з її життєдіяльності необхідний постійний обмін речовинами та енергією з довкіллям. Цей обмін здійснюється через мембрану – головну межу клітини, яка покликана зберегти її цілісність. Саме через мембрану здійснюється клітинний обмін і йде він або за градієнтом концентрації будь-якої речовини, або проти. Активний транспорт через цитоплазматичну мембрану – процес складний та енерговитратний.

Мембрана - бар'єр та шлюз

Цитоплазматична мембрана входить до складу багатьох клітинних органел, пластид та включень. Сучасна наука ґрунтується на рідинно-мозаїчній моделі структури мембран. Активний транспорт речовин через мембрану можливий завдяки її специфічній будові. Основу мембран утворює ліпідний бисло - в основному це фосфоліпіди, розташовані відповідно до своїх головних властивостей. Другий компонент мембран – білки. Їхні функції різноманітні: активний транспорт, рецепція, ферментація, впізнавання.

Розташовуються білки як на поверхні мембран, так і всередині, а деякі кілька разів пронизують її. Властивість білків у мембрані – здатність до переходу з одного боку мембрани на іншу («фліп-флоп» перескок). І останній компонент - сахаридні та полісахаридні ланцюжки вуглеводів на поверхні мембран. Функції їх і сьогодні суперечливі.

Види активного транспорту речовин через мембрану

Активним буде таке перенесення речовин через мембрану клітини, яке є контрольованим, відбувається з витратами енергії та йде проти градієнта концентрації (речовини переносяться з області з низькою концентрацією в область з високою концентрацією). Залежно від того, яке джерело енергії використовується, виділяють такі види транспорту:

Первинно активний (джерело енергії – гідроліз до аденозиндифосфорної АДФ).
Вторинно активний (забезпечується вторинною енергією, створеною внаслідок роботи механізмів первинно-активного транспорту речовин).

Білки-помічники

І в першому, і в другому випадку транспорт неможливий без білків-переносників. Ці транспортні білки дуже специфічні і призначаються для перенесення певних молекул, інколи ж навіть певної різновиду молекул. Це було доведено експериментально на генах мутованих бактерій, що призводило до неможливості активного транспорту через мембрану певного вуглеводу. Трансмембранні білки-переносники можуть бути власне переносниками (вони взаємодіють з молекулами і безпосередньо проносять її через мембрану) або каналоутворюючими (формують пори в мембранах, які відкриті для специфічних речовин).

Насос для натрію та калію

Найбільш вивченим прикладом первинного активного транспорту речовин через мембрану є Na+-, К+-насос. Цей механізм забезпечує різницю концентрацій іонів Na+ і К+ по обидва боки мембрани, що необхідно підтримки осмотичного тиску в клітині та інших обмінних процесів. Трансмембранний білок-переносник – натрій-калієва АТФ-аза – складається з трьох частин:

На зовнішній стороні мембрани у білка розташовані два рецептори для іонів калію.
На внутрішній стороні мембрани – три рецептори для іонів натрію.
Внутрішній частині білка властива активність АТФ.

Коли два іони калію та три іони натрію зв'язуються з рецепторами білка по обидва боки мембрани, включається активність АТФ. Молекула АТФ гідролізується до АДФ із енергією, що витрачається на перенесення іонів калію всередину, а іонів натрію назовні цитоплазматичної мембрани. Підраховано, що коефіцієнт корисної дії такого насоса становить понад 90%, що саме собою досить дивно.

Для довідки: ККД двигуна внутрішнього згоряння – близько 40%, електричного – до 80%. Цікаво, що насос може працювати і у зворотному напрямку та служити донором фосфатів для синтезу АТФ. Для деяких клітин (наприклад, нейронів) характерні витрати до 70% усієї енергії на винос натрію з клітини та накачування всередину іонів калію. За таким же принципом активного транспорту працюють насоси для кальцію, хлору, водню та інших катіонів (іонів з позитивним зарядом). Для аніонів (негативно заряджених іонів) таких насосів не виявлено.

Котранспорт вуглеводів та амінокислот

Прикладом вторинного активного транспорту може бути перенесення в клітини глюкози, амінокислот, йоду, заліза та сечової кислоти. Внаслідок роботи калій-натрієвого насоса створюється градієнт концентрацій натрію: зовні концентрація висока, а всередині – низька (іноді в 10-20 разів). Натрій прагне дифундувати клітину і енергія цієї дифузії може бути використана для транспортування речовин назовні. Цей механізм називають котранспортом або пов'язаним активним транспортом. У цьому випадку у білка-переносника є два рецепторні центри із зовнішньої частини: один для натрію, а інший - для елемента, що транспортується. Тільки після активації обох рецепторів білок піддається конформаційним змінам, і енергія дифузії натрію вводить в клітину речовину, що транспортується проти градієнта концентрації.

Значення активного транспорту для клітини

Якби звичайна дифузія речовин через мембрану протікала скільки завгодно довго, концентрації їх зовні і всередині клітини вирівнялися б. А це для клітин загибель. Адже всі біохімічні процеси мають протікати серед електричної різниці потенціалів. Без активного проти транспорту речовин нейрони не змогли б передавати нервовий імпульс. А м'язові клітини втратили можливість скорочуватися. Клітина не змогла б підтримувати осмотичний тиск і сплющилася б. А продукти метаболізму не виводилися назовні. Та й гормони ніколи не потрапили б у кров'яне русло. Адже навіть амеба витрачає енергію і створює різницю потенціалів на своїй мембрані за допомогою тих самих іонних насосів.