9.5.1. Jedna od glavnih funkcija membrana je sudjelovanje u prijenosu tvari. Ovaj proces se postiže kroz tri glavna mehanizma: jednostavnu difuziju, olakšanu difuziju i aktivni transport (slika 9.10). Zapamtite najvažnije karakteristike ovih mehanizama i primjere transportiranih supstanci u svakom pojedinom slučaju.

Slika 9.10. Mehanizmi transporta molekula kroz membranu

Jednostavna difuzija- prijenos tvari kroz membranu bez sudjelovanja posebnih mehanizama. Transport se odvija duž gradijenta koncentracije bez potrošnje energije. Jednostavnom difuzijom prenose se male biomolekule - H2O, CO2, O2, urea, hidrofobne niskomolekularne supstance. Brzina jednostavne difuzije je proporcionalna gradijentu koncentracije.

Olakšana difuzija- prijenos supstanci preko membrane pomoću proteinskih kanala ili posebnih proteina nosača. Izvodi se duž gradijenta koncentracije bez potrošnje energije. Monosaharidi, aminokiseline, nukleotidi, glicerol i neki joni se transportuju. Karakteristična je kinetika zasićenja - pri određenoj (zasićenju) koncentraciji transportirane tvari u prijenosu učestvuju svi molekuli nosača i brzina transporta dostiže maksimalnu vrijednost.

Aktivan transport- također zahtijeva učešće posebnih transportnih proteina, ali transport se odvija protiv gradijenta koncentracije i stoga zahtijeva utrošak energije. Koristeći ovaj mehanizam, ioni Na+, K+, Ca2+, Mg2+ se transportuju kroz ćelijsku membranu, a protoni se transportuju kroz mitohondrijalnu membranu. Aktivni transport tvari karakterizira kinetika zasićenja.

9.5.2. Primer transportnog sistema koji vrši aktivni transport jona je Na+,K+-adenozin trifosfataza (Na+,K+-ATPaza ili Na+,K+-pumpa). Ovaj protein se nalazi duboko u plazma membrani i sposoban je da katalizira reakciju hidrolize ATP-a. Energija oslobođena tokom hidrolize 1 ATP molekula koristi se za prijenos 3 Na+ jona iz ćelije u ekstracelularni prostor i 2 K+ jona u suprotnom smjeru (slika 9.11). Kao rezultat djelovanja Na+,K+-ATPaze, stvara se razlika u koncentraciji između ćelijskog citosola i ekstracelularne tekućine. Pošto prenos jona nije ekvivalentan, javlja se razlika električni potencijali. Tako nastaje elektrohemijski potencijal, koji se sastoji od energije razlike električnih potencijala Δφ i energije razlike koncentracija tvari ΔC na obje strane membrane.

Slika 9.11. Dijagram Na+, K+ pumpi.

9.5.3. Transport čestica i jedinjenja velike molekularne težine kroz membrane

Zajedno sa transportom organske materije i jona koje provode nosači, postoji vrlo poseban mehanizam u ćeliji dizajniran da apsorbuje visokomolekularna jedinjenja u ćeliju i ukloni visokomolekularna jedinjenja iz nje promjenom oblika biomembrane. Ovaj mehanizam se zove vezikularnog transporta.

Slika 9.12. Vrste vezikularnog transporta: 1 - endocitoza; 2 - egzocitoza.

Tokom prijenosa makromolekula dolazi do uzastopnog formiranja i fuzije membranom okruženih vezikula (vezikula). Na osnovu smjera transporta i prirode transportiranih tvari razlikuju se sljedeće vrste vezikularnog transporta:

Endocitoza(Slika 9.12, 1) - prijenos tvari u ćeliju. Ovisno o veličini nastalih vezikula, razlikuju se:

A) pinocitoza - apsorpcija tečnih i otopljenih makromolekula (proteini, polisaharidi, nukleinske kiseline) korištenjem malih mjehurića (150 nm u prečniku);

b) fagocitoza — apsorpcija velikih čestica, kao što su mikroorganizmi ili ostaci ćelija. U tom slučaju nastaju velike vezikule zvane fagosomi s promjerom većim od 250 nm.

Pinocitoza je karakteristična za većinu eukariotskih ćelija, dok velike čestice apsorbuju specijalizovane ćelije - leukociti i makrofagi. U prvoj fazi endocitoze, tvari ili čestice se adsorbiraju na površini membrane, ovaj proces se odvija bez potrošnje energije. U sljedećoj fazi, membrana sa adsorbiranom tvari produbljuje se u citoplazmu; nastale lokalne invaginacije plazma membrane se odvajaju od površine ćelije, formirajući vezikule, koje zatim migriraju u ćeliju. Ovaj proces je povezan sistemom mikrofilamenata i energetski je ovisan. Vezikule i fagozomi koji ulaze u ćeliju mogu se spojiti s lizosomima. Enzimi sadržani u lizosomima razgrađuju tvari sadržane u vezikulama i fagosomima u proizvode niske molekularne težine (aminokiseline, monosaharide, nukleotide), koji se transportiraju u citosol, gdje ih stanica može iskoristiti.

Egzocitoza(Slika 9.12, 2) - prenos čestica i velikih jedinjenja iz ćelije. Ovaj proces, kao i endocitoza, odvija se uz apsorpciju energije. Glavne vrste egzocitoze su:

A) sekrecija - uklanjanje iz ćelije jedinjenja rastvorljivih u vodi koja se koriste ili utiču na druge ćelije tela. Mogu ga provoditi i nespecijalizirane stanice i stanice endokrinih žlijezda, sluznice gastrointestinalnog trakta, prilagođene za lučenje tvari koje proizvode (hormoni, neurotransmiteri, proenzimi) ovisno o specifičnim potrebama organizma.

Izlučeni proteini se sintetiziraju na ribosomima povezanim s membranama grubog endoplazmatskog retikuluma. Ovi proteini se zatim transportuju do Golgijevog aparata, gdje se modificiraju, koncentrišu, sortiraju i zatim pakuju u vezikule, koje se oslobađaju u citosol i potom se spajaju sa plazma membranom tako da je sadržaj vezikula izvan ćelije.

Za razliku od makromolekula, male izlučene čestice, kao što su protoni, transportuju se iz ćelije pomoću mehanizama olakšane difuzije i aktivnog transporta.

b) izlučivanje - uklanjanje iz ćelije supstanci koje se ne mogu iskoristiti (na primer, tokom eritropoeze, uklanjanje iz retikulocita mrežaste supstance, koja je agregirani ostaci organela). Čini se da je mehanizam izlučivanja taj da su izlučene čestice u početku zarobljene u citoplazmatskoj vezikuli, koja se zatim spaja sa plazma membranom.

U pravilu su proteini odgovorni za funkcionalnu aktivnost membrana.

Takvi proteini uključuju razne enzime, transportne proteine, receptore, kanale, proteine ​​koji formiraju pore (akvaporine), tj. proteinske strukture, koji osiguravaju jedinstvene funkcije svake membrane.

Membranski proteini se mogu podijeliti u tri grupe prema njihovoj biološkoj ulozi:

I – enzimski proteini sa katalitičkom aktivnošću,

II – receptorski proteini koji specifično vezuju određene supstance,

III – strukturni proteini.

Enzimski proteini

Najčešći od svih membranskih proteina. Oni uključuju i integralne (membranske ATPaze) i periferne (acetilholinesteraza, kisele i alkalne fosfataze, RNKaze) proteine.

Enzimi su velike molekule, dok je veličina molekula tvari (supstrata) koja ulazi u enzimske reakcije, obično hiljadama puta manje. Enzim stupa u interakciju sa supstratom s malim dijelom njegove površine - aktivnim centrom. Specifičnost enzima je uvijek određena time koliko blisko površina njegovog aktivnog mjesta odgovara površini supstrata. Ovaj princip strukturne korespondencije također se široko koristi u radu proteina stanične membrane. Osim toga, treba uzeti u obzir da konformacija proteina ubačenih u membranu zavisi od membranskog dvosloja, tako da njihovu enzimsku aktivnost kontrolišu membranski lipidi. Ova kontrola se može ostvariti kako zbog uticaja na afinitet prema supstratima ili njihovoj dostupnosti, tako i zbog uticaja na životni vek (snagu) proteinskih saradnika membranskih enzima formiranih u ćelijskoj membrani.

Enzimi su dio plazma i intracelularnih membrana. Na primjer, na vanjskoj membrani epitelnih stanica koje oblažu probavne organe nalaze se enzimi koji razgrađuju hranjive tvari čak i prije nego što uđu u ćeliju (ovaj proces, koji je otkrio ruski fiziolog A.M. Ugolev, naziva se "membranska probava"). Vanjska membrana ćelija jetre sadrži više od 20 različitih enzima.

Membranski enzimi zahtijevaju kontakt sa lipidima koji ih okružuju. Kada se uklone iz lipidnog okruženja (na primjer, kada se lipidi ekstrahiraju iz membrane nepolarnim otapalima), rad membranskih enzima se poremeti (kinetika ili priroda utjecaja stranih tvari se mijenja ili potpuno zaustavlja) . Aktivnost takvih membranskih enzima može se djelomično obnoviti ako im se dodaju lipidne micele.

Analiza prirode lipida koji aktiviraju membranske enzime pokazuje nedostatak stroge specifičnosti – odlučujući faktor je hidrofilno-lipofilni koeficijent smjese lipida. U nekim slučajevima moguće je aktivirati delipidirani enzim čak i deterdžentom. Međutim, tako reaktivirani enzim gubi sposobnost da percipira regulatorne signale izvana koji su kontrolirali njegov rad u "živoj" membrani.

Aktivirajući efekat lipida na membranske enzime može biti najmanje dvostruk. Prvo, u prisustvu lipida, oblik molekula membranskog enzima može se promijeniti, tako da njegov aktivni centar postaje dostupan supstratu. Drugo, lipidi mogu igrati ulogu organiziranja ansambla ili pokretne trake koja se sastoji od mnogih enzima.

Molekuli membranskog enzima sadrže velike nepolarne hidrofobne regije. Stoga u vodena sredina oni se agregiraju, zbog čega je većina aktivnih centara maskirana. U prisustvu lipida, membranski enzimi se organiziraju u sklopove okružene prstenastim lipidnim molekulima, a njihova enzimska aktivnost može biti u potpunosti izražena. Za normalan rad membranskih enzima bitno je da lipidi koji ih okružuju budu u tekućem agregatnom stanju.

Receptorski proteini

Receptorski proteini su proteini koji specifično vezuju određene niskomolekularne supstance. Kada se specifični ligandi vežu, receptorski proteini reverzibilno mijenjaju svoj oblik. Ove promjene pokreću odgovore unutar ćelije. hemijske reakcije. Na taj način ćelija percipira različite signale koji dolaze iz spoljašnje sredine i na njih reaguje.

Receptorski proteini i proteini koji određuju imuni odgovor ćelije – antigeni – takođe mogu biti integralne ili periferne komponente membrane.

Receptori su često dio složenijih membranskih kompleksa koji sadrže proteine ​​dželata. Na primjer, holinergički receptor percipira signal od neurotransmitera i prenosi ga do proteina kanala.

Ova reakcija otvara propusnost membrane za jone natrijuma i kalija i stvara ekscitatorni potencijal.

Udio proteina u ukupnoj masi membrane može varirati u vrlo širokim granicama - od 18% u mijelinu do 75% u mitohondrijalnoj membrani. Na osnovu njihovog položaja u membrani, proteini se mogu podijeliti na: integral I.

periferni Integral

proteini su generalno hidrofobni i lako se ugrađuju u lipidni dvosloj. Interakcija takvog proteina s membranom odvija se u nekoliko faza. Prvo proteini adsorbovan na površini dvosloja, menja svoju konformaciju , uspostavljajući hidrofobni kontakt sa membranom. Onda se to desi umetanje proteina u dvosloj. Dubina penetracije zavisi od jačine hidrofobne interakcije i odnosa hidrofobnih i hidrofilnih površina na površini proteinske globule. Hidrofilni regioni proteina stupaju u interakciju sa slojevima blizu membrane na jednoj ili obe strane membrane. Do fiksacije proteinske globule u membrani dolazi zbog elektrostatički i hidrofobni

interakcije. Ugljikohidratni dio proteinskih molekula (ako je prisutan) strši van. Zbog svoje bliske veze sa dvoslojem, integralni proteini imaju značajan uticaj na njega: konformacioni preustroj proteina dovode do promene stanja lipida, takozvane deformacije dvosloja. proteini imaju manju dubinu prodiranja u lipidni dvosloj i, shodno tome, slabije stupaju u interakciju s membranskim lipidima, imaju mnogo manji učinak na njih od integralnih.

Na osnovu prirode njihove interakcije s membranom, proteini se dijele na monotopični, bitopični, politopični :

monotopni proteini u interakciji s površinom membrane (mono - jedan od lipidnih slojeva);

bitopic prodiru kroz membranu (bi – dva sloja lipida);

polytopic prodiru kroz membranu nekoliko puta (višestruka interakcija s lipidima).

Jasno je da prvi pripadaju perifernim proteinima, a drugi i treći integralnim.

Membranski proteini se također mogu klasificirati prema funkciji koju obavljaju. U tom smislu izoluju se strukturni proteini:

· proteini – enzimi;

· proteini – receptori;

transportnih proteina.

Posebnu grupu čine proteini ćelijskog citoskeleta. Strogo govoreći, ovi proteini nisu sastavni dijelovi membrane, koji joj se graniče sa citoplazmatske strane. Proteini citoskeleta su dio svih njegovih komponenti: miofilamenti sadrže molekule proteina aktina; mikrotubule sadrže proteinski tubulin, takođe sadrže polimorfniji proteinski kompleks. Citoskelet ne samo da osigurava elastičnost membrane i odupire se promjenama u volumenu ćelije, već je, očigledno, uključen u različite intra- i ekstracelularne regulatorne mehanizme.

1. TRANSPORT HIDROFILNIH MOLEKULA, a posebno naelektrisanih čestica. Na primjer, transport jona natrijuma i kalija se vrši pomoću K,Na pumpe.

2. ENZIMATIVNA ULOGA.

Enzimi zatvoreni u membrani imaju niz katalitičkih svojstava. Ovi enzimi su posebno osjetljivi na faktore okoline.

RECEPTORSKA ULOGA.

Interakciju s hormonima i medijatorima provode membranski proteini-glikoproteini. Sama ugljikohidratna komponenta ne sudjeluje u izgradnji membrane, ali lipidi i proteini sadrže ugljikohidrate.

Uloga ugljikohidratnih komponenti membrana

a) Učestvujte u prijemu.

b) Osigurati međusobnu interakciju ćelija.

c) Neke komponente ugljenih hidrata obezbeđuju antigensku specifičnost ćelija. Na primjer, crvena krvna zrnca različitih krvnih grupa međusobno se razlikuju po sastavu ugljikohidratnih komponenti.

Adenilat ciklaza. Njegov aktivni centar nalazi se na unutrašnjoj strani membrane. Receptorski proteini sadrže svoju komponentu ugljikohidrata na vanjskoj strani membrane.

Najvažnija komponenta plazma membrana je holesterol.

Kolesterol stupa u interakciju s hidrofobnim repovima polarnih molekula i ograničava brzinu difuzije lipida. Stoga se kolesterol naziva stabilizatorom bioloških membrana. Komponente membrane ne samo da se kreću u prostoru, već se i stalno obnavljaju. Njihovo mjesto zauzimaju novi molekuli.

Nastavni plan i program uključuje samo HPL i metabolizam holesterola. Lipoidi se sintetiziraju na membranama endoplazmatskog retikuluma. Postoji stalno kretanje lipoida sa EPS membrana na druge membrane.

SINTEZA KOLESTEROLA

Javlja se uglavnom u jetri na membranama endoplazmatskog retikuluma hepatocita. Ovaj holesterol je endogen. Postoji stalan transport holesterola iz jetre u tkiva. Dijetetski (egzogeni) holesterol se takođe koristi za izgradnju membrana. Ključni enzim u biosintezi holesterola je HMG reduktaza (beta-hidroksi, beta-metil, glutaril-CoA reduktaza). Ovaj enzim inhibira negativna povratna informacija krajnjeg proizvoda, holesterola.

TRANSPORT KOLESTEROLA.

Holesterol iz ishrane se prenosi hilomikronima i završava u jetri. Stoga je jetra izvor i holesterola iz ishrane (koji je tamo stigao kao deo hilomikrona) i endogenog holesterola za tkiva.

U jetri se sintetišu VLDL - lipoproteini vrlo niske gustine (sastoje se od 75% holesterola), kao i LDL - lipoproteini niske gustine (sadrže apoprotein apoB 100) koji potom ulaze u krv.

Gotovo sve ćelije imaju receptore za apoB 100. Stoga je LDL fiksiran na površini ćelija. U ovom slučaju se opaža prijelaz kolesterola u ćelijske membrane. Stoga je LDL u stanju da opskrbi ćelije tkiva holesterolom.

Osim toga, holesterol se oslobađa iz tkiva i transportuje do jetre. Lipoproteini visoke gustine (HDL) prenose holesterol iz tkiva u jetru. Sadrže vrlo malo lipida i puno proteina. Sinteza HDL se odvija u jetri. HDL čestice su u obliku diska i sadrže apoproteine apoA, apoC i apoE. U krvotoku se enzimski protein vezuje za LDL lecitin holesterol aciltransferaza(LHAT) (vidi sliku).

ApoC i apoE mogu preći sa HDL na hilomikrone ili VLDL. Stoga su HDL donori apoE i apoC. ApoA je aktivator LCAT-a.

LCAT katalizira sljedeću reakciju:

Ovo je reakcija u kojoj se masna kiselina prenosi sa R2 položaja na holesterol.

Reakcija je vrlo važna jer je nastali estar holesterola vrlo hidrofobna supstanca i odmah prelazi u HDL jezgro – na taj način se višak holesterola uklanja sa HDL ćelijskih membrana nakon kontakta. HDL zatim odlazi u jetru, gdje se uništava, a višak holesterola se uklanja iz tijela.

Neravnoteža između količina LDL, VLDL i HDL može uzrokovati zadržavanje kolesterola u tkivima. To dovodi do ateroskleroze. Stoga se LDL naziva aterogeni lipoprotein, a HDL antiaterogeni lipoprotein. S nasljednim nedostatkom HDL-a uočavaju se rani oblici ateroskleroze.

Stanične membrane imaju svojstva polupropusnosti, odnosno neke tvari prolaze kroz njih, dok druge ne. Kao rezultat, određeni spojevi se mogu akumulirati na jednoj strani membrane, stvarajući gradijente koncentracije. Stoga je u kavezu i izvan njega neophodno

Sadržaj većine jona (Tabela 1) uključenih u mnoge fiziološke procese varira.

Tabela 1. Koncentracija nekih jona unutar i izvan mišićnog vlakna (mmol1l)

Navedimo ukratko funkcionalnu svrhu nekih metalnih jona koji imaju najveću biološku aktivnost, koja se javlja unutar ćelije (organoid) ili izvan nje.

dakle, natrijum obezbeđuje osmotski pritisak, reguliše razmenu vode između ćelija i vanćelijske sredine. Joni natrija su uključeni u održavanje kiselo-baznog stanja (ABS) u tijelu. U mnogim tkivima učestvuju u elektrohemijskim procesima, kao i u regulaciji funkcija nukleinskih kiselina i proteina. Oni su povezani sa transmembranskim transportom pojedinačnih supstanci.

Puno mogućnosti kalijum u kombinaciji sa funkcijama natrija, ali suprotno njima. To se uočava i u elektrohemijskim procesima i u djelovanju na enzime (kalij aktivira neke glikolitičke enzime, a natrijum ih deprimira). Istovremeno, K" obavlja i "svoje" funkcije. Na primjer, smatra se jednim od regulatora procesa transkripcije.

Funkcionalna namjena kalcijum Tako raznolik i značajan za većinu organa i sistema, regulaciju njegovog metabolizma obezbjeđuje nekoliko hormona. Kalcij je neophodan za sekretornu aktivnost gotovo svih stanica žlijezda. U većini ćelija smatra se jednim od regulatora intracelularnih procesa. Istovremeno, ulazak velike količine slobodnog kalcija u citoplazmu stanica je nepovoljan, jer u tom slučaju nastaje slabo topljiva sol kalcijevog fosfata, pod čijim utjecajem dolazi do stvaranja i korištenja adenozin trifosforne kiseline (ATP). ) zaustavlja. Stoga, u ćelijama gde se kalcijum koristi za obezbeđivanje funkcija (na primer, u mišićima - za kontrakciju), postoji sistem njegovog depoa - sarcoplasma" 1. retikulum(SR). Iz njega kalcijum ulazi u citoplazmu za relativno kratak period. U krvotoku, ovaj ion je uključen u osiguravanje procesa hemostaze (leđno krvarenje). U krvi je više od polovice njegove koncentracije u ioniziranom stanju, veći dio ostatka je povezan s proteinima, a manji dio je povezan s tvarima otopljenim u krvi (citrat). Raznolikost funkcija kalcija određuje potrebu održavanja njegove koncentracije u krvi na nivou od 0,25 mmol (0,5 mmol1l).

Neorganski anioni(C1-, NSO, N2P04, itd.) takođe obavljaju svoje inherentne funkcije, o čemu će biti reči u relevantnim odeljcima. Zbog važnosti ovih neorganskih jona za odvijanje fizioloških procesa, dalje će se govoriti o mehanizmima koji osiguravaju njihov ulazak i izlazak kroz membranske strukture.

Funkcije membranskih proteina

Većina funkcija membrana (membrana) određena je njihovim proteinskim komponentama, koje djeluju kao jonski kanali, pumpe, enzimi i receptori. Aktivnost funkcija koje ispoljavaju zavisi kako od samih proteina, tako i od njihove gustoće na membrani i od njenih lipida. Svi ovi mehanizmi se mijenjaju pod uticajem složenog regulatornog sistema.

Transportni proteini

Difuzija.

Tranzicija razne supstance kroz membranu zavisi od veličine njihove molekule, naboja i rastvorljivosti u lipidima. Jedinjenja rastvorljiva u mastima (CO2, O2, itd.) mogu relativno lako prodrijeti kroz membranu ako se stvore uslovi za njihovu difuziju. Glavni mehanizam koji osigurava proces difuzije je koncentracijski gradijent supstance: ona se kreće od veće koncentracije ka nižoj.

Ali zbog činjenice da rastvorljivost različitih jedinjenja u lipidima nije ista, brzina transporta je takođe različita. Dakle. Rastvorljivost ugljičnog dioksida je veća nego kisika, pa mnogo brže prodire u membrane. Zbog toga je potreban manji gradijent koncentracije.

Transmembranski transport većine jedinjenja i jona odvija se korišćenjem odgovarajućih sistema. Ako su u mastima topljive male polarne molekule kao što su etanol i urea, u odnosu na lako prođu kroz lipidni sloj membrane, šećeri difundiraju sa značajnim poteškoćama.

Nabijene čestice također ne mogu proći kroz membranske lipide. A proteinske strukture igraju vodeću ulogu u osiguravanju ovih procesa. Prijevoz tvari se vrši pomoću sljedećih mehanizama:

o pasivni;

o primarno aktivno;

o reaktivan (kombinovan).

Pasivni transport javlja se kroz posebne kanale bez potrošnje energije difuzijom duž gradijenta koncentracije. Za naelektrisane čestice, elektrohemijski gradijent je takođe važan. Dakle, kalijevi kationi koji izlaze iz ćelije su sadržani u njoj negativnim anionima.

Aktivan transport zahtijeva posebne proteinske strukture, koje se tzv pumpe, i obavezno korištenje energije..

Kombinovani prevoz obezbeđuju proteine ​​koji transportuju dva jedinjenja istovremeno. Štaviše, ova vrsta transporta može biti jednosmjerna, kada oba spoja prodiru kroz membranu u jednom smjeru (symport), ili višesmjerna (anti-port). Spojeni transport takođe zahteva energiju iz jonskih pumpi, ali se ne koristi uvek u predelu plazma membrane kroz koji se odvija (sl. 4, 5).

Transportni proteini.

Povezujući se sa supstancom koja se transportuje i ne može samostalno da prođe kroz membranu, nosilac obezbeđuje trenutno „povlačenje“ kroz lipidni sloj

Rice. 4.

A - lateralna pokretljivost lipida; b - rotacijskim pokretima; V- lateralna pokretljivost proteina; G- “flip-flop” lipida; g- "flip-flop" proteini

Rice. 5. in

* - glukoza (prema Yu.P. Boldirevim)

Mnogi od njih imaju svoje nosače, čija je gustina na membranama različita i podesiva. Da bi ovaj sistem funkcionisao, mora biti ispunjeno nekoliko uslova:

a) supstanca koja se transportuje prelazi membranu samo zajedno sa nosačem;

b) molekula nosača mora da se kombinuje sa molekulom supstance.

Jonski kanali.

Najtipičniji je transmembranski transport jona koji prolaze iza jedne od vrsta proteina nosača, tzv. kanala(povremeno). Najvažnija (i proučavana do danas) su tri od njih:

1) natrijum;

2) kalijum;

3) kalcijum.

Kanal se po pravilu sastoji od tri dijela (slika 6). Prva od njih je vodena pora, obložena iznutra hidrofilnim grupama. Na njegovoj vanjskoj površini nalazi se dio koji razdvaja ione - selektivni filter. Stanje kanala kontrolira struktura koja se nalazi blizu ruba pore okrenute prema unutra i naziva se "kapija".

Joni u rastvoru su u hidratizovanom obliku, tj

Rice. 6. Kapiju kanala kontroliše hemoreceptor. Prije interakcije ACh molekula sa receptorom, kapija se zatvara (a), nakon vezivanja s njom se rastvara (b; nakon By.I. Khodorov)

su tada povezani sa molekulima vode. Ovo povećava efektivne veličine katjona. Otvoreni kanal (otvorena kapija) omogućava ionima da prolaze kroz membranu dok ostaju u vodenom okruženju. Međutim, selektivno područje je toliko usko da ion gubi dio svoje vodene ljuske. Prvi faktor koji ograničava prolazak katjona kroz kanal je veličina selektivnog filtera: za natrijumski kanal je 0,3 x 0,5 nm, za kalijumov kanal je 0,3 x 0,3 nm. Kalcijumski kanal ima veći prečnik (0,65 nm), pa kroz njega ne mogu da prođu samo Ca2 i Na. Drugi faktor koji reguliše prolaz jona je naelektrisanje zida pora. U razmatranim kationskim kanalima, zid pora ima negativan naboj, pa anioni mogu prodrijeti kroz njih - odbijaju se.

Stanje kanala je regulisano mehanizmom kapije. Njegov položaj („otvoren“ ili „zatvoren“), u zavisnosti od lokacije kanala na membrani, određuje se: električni naboj membrane i posebne receptore koji stupaju u interakciju s ligandom (biološki aktivni spojevi, kao što je medijator).

Jonske pumpe.

Funkcionalna svrha bioloških pumpi je održavanje konstantnog ionskog sastava unutar ćelije. nazivaju se i transportne adenozin trifosfataze (ATPaze), jer osiguravaju transport jona protiv gradijenta koncentracije, što zahtijeva energiju ATP-a. Najtipičnije i relativno dobro proučene pumpe danas su dvije.

N0*-, IS-ATPaza. Plazma membrana sadrži integralni protein koji obezbeđuje kombinovani antiport Na+ i K+. Koristeći energiju ATP molekula, tri jona natrijuma se ispumpavaju iz ćelije i dva jona kalija. K+ pumpa se sastoji od dvije podjedinice - a-lipoprotein integral $-glikoprotein(Sl. 7).

Njegov enzimski centar, koji hidrolizira ATP, nalazi se na a-podjedinici okrenutoj prema unutrašnjosti ćelije. Provodi se aktivacija ovog enzima natrijum na njegovoj unutrašnjoj površini. Centar za vezivanje kalijuma nalazi se u onom delu molekula koji je orijentisan prema vanćelijskom okruženju.

Šematski, funkcija jednog ciklusa ove pumpe može se opisati na sljedeći način. Dolazak jona natrijum prvo na otvorenom" unutrašnji ulaz"dovodi do prijelaza enzima u konformacijsko stanje E2 i naknadnog zatvaranja unutrašnjeg i otvaranja vanjskog kanala. E2 konformacijsko stanje karakterizira visok afinitet za jone kalija, koji zamjenjuju jone natrija i istiskuju se van. Vezanje K+ i hidroliza ATP-a uzrokuju da se AT faza vrati u uzlaznu

Rice. 7.

država B. Unutrašnji kanal se tada otvara i joni kalija se potiskuju unutra. Za novi ciklus potreban je novi ATP molekul.

Natrijum pumpa, njena aktivnost i količina nisu uvek stabilni. Na aktivnost pumpe utječu sekundarni glasnici sintetizirani u ćeliji, kao što su ciklički adenozin monofosfat (cAMP), derivati ​​arahidonske kiseline, diacilglicerol, kao i vanjski regulatori, posebno hormoni. Na primjer, tiroidni hormoni koji sadrže jod povećavaju aktivnost pumpe.

Rad K+-Atfaze jedan je od mehanizama koji najviše troše energiju: u prosjeku se oko 24% ukupne energije ćelija troši na njeno funkcioniranje, au neuronima - do 70%.

Ca2+-A TPaza. Energetski kapacitet ove pumpe je mnogo veći od Na+-, K+-Atfaze: dva ATP se troše za ispumpavanje jednog Ca2+, dok se jedan ATP troši za transport tri Na+ i dva K1. Mehanizam pokretanja ove pumpe je sam kalcij, čija najmanja promjena unutarćelijske koncentracije pokreće proces njegovog ispumpavanja.

Endo - i egzocitoza.

U nekim ćelijama ljudskog tela postoji posebna vrsta transport, koji se naziva endocitoza. Kao rezultat endocitoze, velike čestice prodiru u ćeliju. Ovaj put ima dva glavna oblika: pinocitozu i fagocitozu. Uz pomoć pinocitoze, ćelija apsorbuje male kapljice rastvorenih hranljivih materija iz ekstracelularne tečnosti i posebno proteinske molekule. Fagocitoza osigurava prodiranje velikih objekata u ćeliju, kao što su bakterije, ćelije i čestice uništenog tkiva.

pinocitoza učestvuje ćelijska membrana većina ćelija, ali su ovi mehanizmi posebno karakteristični za makrofage čije je oko 3% membrane stalno uključeno u formiranje vezikula (vezikula). Potonji dostižu oko 100-200 nm u prečniku.

Tipičan mehanizam apsorpcije proteina. Na površini ćelijske membrane, u njenim udubljenjima, nalaze se receptori za vezivanje za protein. On unutrašnja površinaćelija u blizini ovog područja je fibrilarni protein (tzv klotrin) sa proteinima aktomiozina. Interakcija apsorbiranog proteina s receptorom dovodi do produbljivanja jame, a kontraktilni proteini zatvaraju rubove, što rezultira stvaranjem izolirane vezikule, gdje se, zajedno sa spojem, apsorbira i dio ekstracelularne tekućine. Nakon toga, vezikula se odvaja od membrane i prodire u ćeliju, obično bliže lizosomima, čiji enzimi razgrađuju prispjeli protein.

Hvala za fagocitozaćelije (a to su uglavnom tkivni makrofagi i leukociti) apsorbuju supstance mnogo veće od proteinskog molekula (slika 8).

Od početka procesa fagocitoze, ćelijski receptor se vezuje za protein ili polisukrid membrane bakterije ili mrtve ćelije. Kada započne invaginacija membrane, sve više i više novih dijelova membrane fagocita veže se za ligande objekta i postepeno se stanica, fagocitirajući, nađe uronjena u njega. Kontraktilni proteini prvo zatvaraju isthmus, a zatim potiskuju vezikulu duboko u ćeliju.

Suprotan put - egzocitoza - je mehanizam koji osigurava oslobađanje niza tvari iz stanice i procese sekrecije. Mnoge organele unutar ćelije formiraju vezikule ispunjene supstancom koja

Rice. 8.

treba izvaditi iz njih. Tipični predstavnici takvih spojeva su hormoni i enzimi koje luče žlijezde.

Endocitoza i egzocitoza u ćelijama se javljaju kontinuirano, au mnogima i prilično intenzivno. Dakle, za samo 1 sat, makrofag može apsorbirati dvostruku površinu svoje citoplazmatske membrane u obliku mjehurića, koji bi, naravno, trebali imati vremena da se regeneriraju.

Receptorski proteini.

Receptor je proteinski kompleks koji percipira signal molekula transmitera. Receptor može biti ili nezavisna struktura ugrađena u membranu kao integralni protein, ili dio drugih funkcionalnih proteina, koji regulira njihovu aktivnost. Štaviše, može postojati nekoliko receptora na membrani za isti hemijski agens. A učinak interakcije između supstrata i receptora ne mora uvijek biti sličan, au nekim slučajevima čak i dijametralno suprotan. Dakle, kada hormon medule nadbubrežne žlijezde, adrenalin (A), stupi u interakciju sa adrenergičkim receptorom, uočava se suženje krvnog suda, a kod P receptora uočava se proširenje.

Enzimski proteini

Mnogi periferni i pojedinačni fragmenti integralnih proteina također obavljaju enzimske funkcije. Primjer potonjeg su gore spomenute membranske atfaze, koje su dio jedinstvene strukture ionskih pumpi.

Osim toga, enzimski proteini integralnog tipa kataliziraju reakcije koje po pravilu potpuno prelaze s jedne strane biomembrane. Osim toga, pričvršćivanjem bilo kojeg supstrata na jednoj strani, proizvodi reakcije se oslobađaju na suprotnoj strani. U ovom slučaju, ograničena propusnost membrana, koja osigurava prostorno odvajanje produkta reakcije, stvara gradijente koncentracije.

Sekundarni posrednici.

Ćelija ima složen sistem intracelularni regulatori aktivnosti - sekundarni glasnici. To uključuje ciklične nukleotide (cAMP, cGMP), kalcij, kalcij + kalmodulin, produkte hidrolize fosfolipida (fosforilirani fosfatidilinozitol). Međutim, intracelularni regulatorni sistemi nisu ograničeni na njih;

Sekundarni glasnici doprinose brojnim promjenama u funkciji stanica: transformišu aktivnost enzima, stimulišu egzocitozu i utiču na transkripciju različitih gena.

Svi sekundarni posrednici aktivno komuniciraju jedni s drugima. Obično su u ćeliji u uravnoteženom omjeru, ali nakon djelovanja prvog regulatora, ta ravnoteža se poremeti, što postaje signal za promjenu njene aktivnosti. Sekundarni glasnici utiču i na osetljivost ćelijske membrane na regulator kroz regulaciju broja i afiniteta receptora za njega.