Каким образом вещества переносятся через клеточную мембрану?
Клеточная Мембрана
Клеточная мембрана - это билипидная структура, которая отделяет внутриклеточное содержимое от внеклеточной среды. Она контролирует прохождение веществ в клетку и из неё. Это позволяет клетке регулировать, среди прочих параметров, внутриклеточную концентрацию ионов и растворённых веществ, водный баланс и рН. Целостность клеточной мембраны имеет решающее значение для функционирования и выживания клеток.
Какова структура клеточной мембраны?
Клеточная мембрана состоит из двух слоёв фосфолипидов, соединённых вместе, образуя бифосфолипидный слой (рис. 4.1). Важными свойствами этой структуры являются:
- Фосфолипид состоит из полярной гидрофильной фосфатной головки, к которой притягивается вода, и неполярного гидрофобного жирнокислотного хвоста, от которого отталкивается вода.
- Бифосфолипидный слой расположен так, что полярные группы обращены наружу, а неполярные группы интегрированы внутрь слоя.
- Внешняя поверхность бифосфолипидного слоя находится в контакте с внеклеточной жидкостью, а внутренняя поверхность мембраны находится в контакте с внутриклеточной жидкостью.
- Неполярные группы образуют гидрофобное ядро, препятствующее свободному прохождению воды через клеточную мембрану. Это чрезвычайно важно, поскольку позволяет различным концентрациям растворенных веществ существовать внутри и снаружи клетки.
|
|
|
- Бифосфолипидный слой представляет собой двухмерную жидкость, а не твёрдую структуру; отдельные фосфолипиды свободно перемещаются в пределах своей собственной половины слоя. Текучесть клеточной мембраны позволяет клеткам изменять свою форму; например, эритроциты могут сворачиваться, чтобы протиснуться через мелкие капилляры лёгочного кровообращения.
Какие ещ ё структуры находятся внутри клеточной мембраны?
В клеточной мембране и вокруг неё имеется ряд важных структур:
- Трансмембранные белки. Как следует из названия, эти белки проходят сквозь мембранный бифосфолипидный слой. Важно отметить, что текучесть клеточной мембраны позволяет этим трансмембранным белкам плавать, подобно айсбергам в липидном море.
- Периферические белки. Эти белки расположены на поверхности клеточной мембраны, обычно на внутренней поверхности, но не затрагивают клеточную мембрану. Молекулы клеточной адгезии, которые скрепляют клетки вместе, являются примерами периферических белков внешней мембраны. Периферические белки внутренней мембраны часто связываются с цитоскелетом такими белками, как анкирин, поддерживая форму клетки.
- Гликопротеины и гликолипиды. Внешняя поверхность клеточной мембраны усеяна короткими углеводными цепями, прикреплёнными либо к белкам (когда их называют гликопротеинами), либо к липидам (когда их называют гликолипидами). Углеводы действуют как метки, позволяя клетке быть идентифицированной другими клетками, в том числе клетками иммунной системы.
|
|
|
- Холестерин. Он способствует укреплению бифосфолипидного слоя и дальнейшему снижению его проницаемости для воды.
Каковы функции трансмембранных белков?
Гидрофобное ядро бифосфолипидного слоя препятствует простой диффузии гидрофильных веществ. Вместо этого трансмембранные белки обеспечивают контролируемый перенос больших или заряженных растворенных веществ и воды через клеточную мембрану.
Таким образом, клетка может регулировать внутриклеточные концентрации растворенных веществ, контролируя количество, проницаемость и транспортную активность своих трансмембранных белков. Существует много различных типов трансмембранных белков – важными классами являются:
- Ионные каналы - заполненные водой поры в клеточной мембране, которые позволяют определенным ионам проходить через клеточную мембрану вдоль их градиентов концентрации.
- Переносчики, которые транспортируют специфические вещества через клеточную мембрану посредством облегчённой диффузии.
|
|
|
- Насосы (АТФазы) используют энергию (от гидролиза АТФ) для переноса ионов через клеточную мембрану против их градиентов концентрации.
- Рецепторы, с которыми связываются внеклеточные лиганды, инициирующие внутриклеточную реакцию либо через вторую мессенджерную систему (метаботропную), либо через ионный канал (ионотропный).
- Ферменты, которые могут катализировать внутриклеточные или внеклеточные реакции.
Каким образом вещества переносятся через клеточную мембрану?
Проведение веществ через клеточную мембрану можно разделить на две категории:
- Липофильные вещества (например, О2, СО2 и стероидные гормоны) не задерживаются гидрофобным ядром бифосфолипидного слоя и способны пересекать клеточную мембрану путём простой диффузии (рис. 4.2). Малые липофильные вещества диффундируют через клеточную мембрану в соответствии с градиентами их концентрации или парциального давления: молекулы диффундируют из областей высокой концентрации (или парциального давления) в области низкой концентрации (или парциального давления) (см. главу 10).
- Гидрофильные вещества (например, электролиты и глюкоза) не пропускаются через гидрофобное ядро бифосфолипидного слоя. Вместо этого они пересекают клеточную мембрану, проходя через каналы или объединяясь с переносчиками.
|
|
|
Гидрофильные вещества могут транспортироваться через клеточную мембрану пассивными или активными путями (рис. 4.2):
- Пассивный транспорт. Некоторые трансмембранные белки действуют как заполненные водой каналы, через которые
гидрофильные молекулы могут диффундировать вдоль градиентов концентрации. Эти белковые каналы очень специфичны для конкретного вещества. Существует два типа пассивного транспорта – ионные каналы и облегченная диффузия:
– Ионные каналы - это поры в клеточной мембране, которые очень специфичны для конкретного иона. Например, поровая составляющая натриевого канала с регулируемым напряжением имеет правильный размер и заряд, позволяющий Na+ проходить через него в 100 раз чаще, чем ионы K+.1 Ионные каналы могут быть классифицированы как:
- Каналы-утечки, которые всегда открыты, позволяя непрерывное движение конкретного иона вдоль его градиента концентрации.
- Закрытые напряжением каналы, которые открываются путем изменения формы в ответ на электрический стимул, как правило, деполяризация клеточной мембраны (см. главу 52).2. Когда ионный канал открыт, специфический ион диффундирует через клеточную мембрану вдоль ее градиента концентрации, но когда канал закрыт или инактивирован, мембрана становится непроницаемой.
- Лиганд-стробированные каналы, где связывание небольшой молекулы (лиганда) заставляет ионный канал открываться или закрываться. Например, ацетилхолин (Ацх) связывается с никотиновым рецептором Ацх (лиганд-стробированный катионный канал) нервно-мышечного соединения, тем самым открывая его интегральный катионный канал (см. главу 53).
- Механически закрытые каналы, которые имеют поры, реагирующие на механические раздражители, такие как растяжение. Например, механически закрытые каналы Са2+ открываются после растяжения гладкой мускулатуры артериол – это основа миогенного ответа (см. главы 34 и 56).
– Облегченная диффузия. Белок-носитель связывает определенный субстрат, прежде чем претерпеть ряд конформационных изменений, чтобы переместить субстрат с одной стороны клеточной мембраны на другую. Как только субстрат проходит через клеточную мембрану, он освобождается от белка-носителя. Вещество проходит вниз по градиенту концентрации, чему способствует белок-носитель (рис. 4.3). Облегченная диффузия происходит гораздо быстрее, чем простая, но ограничивается количеством белка-носителя в клеточной мембране. Наиболее важным примером облегченной диффузии является транспорт глюкозы в клетку через транспортер глюкозы (GLUT). Примером пассивного встречного транспорта является Cl‾/бикарбонат (HCO3‾)- антипортер в почечном канальце, где Cl‾ и HCO3‾ одновременно транспортируются в противоположных направлениях вниз по их соответствующим градиентам концентрации.
- Активная транспортная мембрана. Активный транспорт классифицируется как:
– Первичный активный транспорт. Здесь АТФ гидролизуется самим белком-носителем, когда он перемещает ионы с одной стороны клеточной мембраны на другую. Примером первичного активного транспорта является плазматическая мембрана Са2+-АТФазы, которая выкачивает Са2+ из клетки, сохраняя внутриклеточную концентрацию Са2+ очень низкой. Важным примером более сложной системы первичного активного транспорта является насос Na+ /K+ -АТФазы, который использует одну молекулу АТФ для транспортировки трех ионов Na+ из клетки в межклеточное пространство, одновременно транспортируя два иона K+ в обратном направлении. В отличие от пассивного транспорта, направление диффузии которого зависит от относительных концентраций вещества по обе стороны клеточной мембраны, активный транспорт обычно однонаправлен. Na+ /K+ -АТФаза может перемещать Na+ только внутриклеточно и может перемещать K+ только внеклеточно.
– Вторичный активный транспорт, сочетание первичного активного транспорта и облегченной диффузии. Вещества транспортируются вместе с Na+, движимые низкой внутриклеточной концентрацией Na+, которая, в свою очередь, генерируется Na+ /K+-атфазным насосом. Таким образом, хотя транспортер непосредственно не участвует в гидролизе АТФ, он полагается на первичный активный транспорт, который потребляет АТФ. Вторичный активный транспорт может быть:
- Ко-транспорт (или "симпорт"), где оба иона движутся в одном направлении, например, поглощение глюкозы с Na+ в почечных канальцах через натрий-глюкозелиновый транспортер (SGLT-2).
- Контртранспорт (или "антипорт"), где каждый ион транспортируется в противоположных направлениях, например, Na+ /K+ -антипортер в главных клетках почечных собирательных протоков.
Дата добавления: 2021-05-18; просмотров: 95; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!