9.5.1. Viena iš pagrindinių membranų funkcijų yra dalyvavimas medžiagų pernešime. Šis procesas pasiekiamas trimis pagrindiniais mechanizmais: paprasta difuzija, palengvinta difuzija ir aktyviu transportavimu (9.10 pav.). Prisiminkite svarbiausias šių mechanizmų ypatybes ir kiekvienu atveju vežamų medžiagų pavyzdžius.

9.10 pav. Molekulių pernešimo per membraną mechanizmai

Paprasta difuzija- medžiagų perkėlimas per membraną be specialių mechanizmų. Transportavimas vyksta koncentracijos gradientu, nenaudojant energijos. Paprastos difuzijos būdu pernešamos mažos biomolekulės - H2O, CO2, O2, karbamidas, hidrofobinės mažamolekulės medžiagos. Paprastos difuzijos greitis yra proporcingas koncentracijos gradientui.

Palengvinta difuzija- medžiagų perkėlimas per membraną naudojant baltymų kanalus arba specialius nešiklius. Tai atliekama pagal koncentracijos gradientą nenaudojant energijos. Pernešami monosacharidai, aminorūgštys, nukleotidai, glicerolis ir kai kurie jonai. Būdinga prisotinimo kinetika - esant tam tikrai (sotinančiajai) transportuojamos medžiagos koncentracijai, pernešime dalyvauja visos nešiklio molekulės ir transportavimo greitis pasiekia maksimalią reikšmę.

Aktyvus transportas- taip pat reikalingas specialių transportavimo baltymų dalyvavimas, tačiau transportavimas vyksta prieš koncentracijos gradientą ir todėl reikalauja energijos sąnaudų. Naudojant šį mechanizmą per ląstelės membraną pernešami Na+, K+, Ca2+, Mg2+ jonai, o per mitochondrijų membraną – protonai. Aktyviam medžiagų pernešimui būdinga prisotinimo kinetika.

9.5.2. Transporto sistemos, vykdančios aktyvų jonų transportavimą, pavyzdys yra Na+,K+-adenozintrifosfatazė (Na+,K+-ATPazė arba Na+,K+-siurblys). Šis baltymas yra giliai plazmos membranoje ir gali katalizuoti ATP hidrolizės reakciją. 1 ATP molekulės hidrolizės metu išsiskirianti energija panaudojama 3 Na+ jonams iš ląstelės pernešti į tarpląstelinę erdvę ir 2 K+ jonus priešinga kryptimi (9.11 pav.). Dėl Na+,K+-ATPazės veikimo susidaro koncentracijos skirtumas tarp ląstelės citozolio ir tarpląstelinio skysčio. Kadangi jonų perdavimas nėra lygiavertis, atsiranda skirtumas elektriniai potencialai. Taigi atsiranda elektrocheminis potencialas, kurią sudaro elektrinių potencialų skirtumo energija Δφ ir medžiagų koncentracijų skirtumo energija ΔC abiejose membranos pusėse.

9.11 pav. Na+, K+ siurblio diagrama.

9.5.3. Dalelių ir didelės molekulinės masės junginių pernešimas per membranas

Kartu su transportu organinės medžiagos ir jonų, kuriuos atlieka nešikliai, ląstelėje yra labai specialus mechanizmas, skirtas absorbuoti didelės molekulinės masės junginius į ląstelę ir pašalinti iš jos didelės molekulinės masės junginius, keičiant biomembranos formą. Šis mechanizmas vadinamas vezikulinis transportas.

9.12 pav. Vezikulinio transportavimo tipai: 1 - endocitozė; 2 - egzocitozė.

Pernešant makromolekules, nuosekliai susidaro ir susilieja membrana apsuptos pūslelės (pūslelės). Atsižvelgiant į transportavimo kryptį ir gabenamų medžiagų pobūdį, išskiriami šie vezikulinio transportavimo tipai:

Endocitozė(9.12 pav., 1) – medžiagų perkėlimas į ląstelę. Priklausomai nuo susidariusių pūslelių dydžio, jie išskiriami:

A) pinocitozė - skystų ir ištirpusių makromolekulių (baltymų, polisacharidų, nukleino rūgštys) naudojant mažus burbuliukus (150 nm skersmens);

b) fagocitozė — didelių dalelių, tokių kaip mikroorganizmai ar ląstelių nuolaužos, absorbcija. Tokiu atveju susidaro didelės pūslelės, vadinamos fagosomomis, kurių skersmuo didesnis nei 250 nm.

Pinocitozė būdinga daugumai eukariotinių ląstelių, o dideles daleles sugeria specializuotos ląstelės – leukocitai ir makrofagai. Pirmajame endocitozės etape medžiagos ar dalelės adsorbuojamos ant membranos paviršiaus, šis procesas vyksta nenaudojant energijos. Kitame etape membrana su adsorbuota medžiaga gilėja į citoplazmą; atsiradusios lokalios plazminės membranos invaginacijos atsiskiria nuo ląstelės paviršiaus, susidaro pūslelės, kurios vėliau migruoja į ląstelę. Šis procesas yra sujungtas mikrofilamentų sistema ir priklauso nuo energijos. Į ląstelę patenkančios pūslelės ir fagosomos gali susijungti su lizosomomis. Lizosomose esantys fermentai skaido pūslelėse ir fagosomose esančias medžiagas į mažos molekulinės masės produktus (aminorūgštis, monosacharidus, nukleotidus), kurie pernešami į citozolį, kur juos gali panaudoti ląstelė.

Egzocitozė(9.12, 2 pav.) – dalelių ir didelių junginių pernešimas iš ląstelės. Šis procesas, kaip ir endocitozė, vyksta absorbuojant energiją. Pagrindiniai egzocitozės tipai yra šie:

A) sekrecija - vandenyje tirpių junginių, kurie naudojami arba veikia kitas organizmo ląsteles, pašalinimas iš ląstelės. Jį gali atlikti tiek nespecializuotos ląstelės, tiek endokrininių liaukų, virškinamojo trakto gleivinės ląstelės, pritaikytos jų gaminamų medžiagų (hormonų, neuromediatorių, profermentų) sekrecijai, priklausomai nuo specifinių organizmo poreikių.

Išskirti baltymai sintetinami ribosomose, susietose su grubaus endoplazminio tinklo membranomis. Tada šie baltymai transportuojami į Golgi aparatą, kur modifikuojami, koncentruojami, rūšiuojami, o vėliau supakuojami į pūsleles, kurios išleidžiamos į citozolį ir vėliau susilieja su plazmine membrana, kad pūslelių turinys būtų už ląstelės ribų.

Skirtingai nuo makromolekulių, mažos išskiriamos dalelės, tokios kaip protonai, yra išnešamos iš ląstelės naudojant palengvintos difuzijos ir aktyvaus transportavimo mechanizmus.

b) išskyrimas - medžiagų, kurių negalima panaudoti, pašalinimas iš ląstelės (pavyzdžiui, eritropoezės metu iš retikulocitų pašalinama tinklinė medžiaga, kuri yra agreguotos organelių liekanos). Atrodo, kad išskyrimo mechanizmas yra toks, kad išskiriamos dalelės iš pradžių yra įstrigusios citoplazminėje pūslėje, kuri vėliau susilieja su plazmine membrana.

Paprastai baltymai yra atsakingi už funkcinę membranų veiklą.

Tokiems baltymams priskiriami įvairūs fermentai, transportiniai baltymai, receptoriai, kanalai, baltymai, formuojantys poras (akvaporinai), tai yra įvairūs. baltymų struktūros, kurios užtikrina unikalias kiekvienos membranos funkcijas.

Membraniniai baltymai gali būti suskirstyti į tris grupes pagal jų biologinį vaidmenį:

I – katalizinio aktyvumo fermentiniai baltymai,

II – receptorių baltymai, kurie specifiškai suriša tam tikras medžiagas,

III – struktūriniai baltymai.

Fermentiniai baltymai

Labiausiai paplitęs iš visų membraninių baltymų. Tai apima ir integruotus (membranos ATPazės), ir periferinius (acetilcholinesterazės, rūgštinės ir šarminės fosfatazės, RNazė) baltymus.

Fermentai yra didelės molekulės, o medžiagų (substratų), kurios patenka į fermentinės reakcijos, paprastai tūkstančius kartų mažiau. Fermentas sąveikauja su substratu su nedidele jo paviršiaus dalimi – aktyviuoju centru. Fermento specifiškumą visada lemia tai, kiek jo aktyvios vietos paviršius sutampa su substrato paviršiumi. Šis struktūrinio atitikimo principas taip pat plačiai naudojamas ląstelių membranų baltymų darbe. Be to, reikia atsižvelgti į tai, kad į membraną įterptų baltymų konformacija priklauso nuo membranos dvigubo sluoksnio, todėl jų fermentinį aktyvumą kontroliuoja membranos lipidai. Ši kontrolė gali būti realizuota tiek dėl įtakos afinitetui substratams ar jų prieinamumui, tiek dėl įtakos ląstelės membranoje susidarančių membraninių fermentų baltymų asocijuotų junginių gyvavimo trukmei (stiprumui).

Fermentai yra tiek plazmos, tiek tarpląstelinės membranos dalis. Pavyzdžiui, ant epitelio ląstelių, išklojusių virškinimo organus, išorinėje membranoje yra fermentų, kurie skaido maistines medžiagas dar prieš joms patenkant į ląstelę (šis rusų fiziologo A.M. Ugolevo atrastas procesas vadinamas „membraniniu virškinimu“). Kepenų ląstelių išorinėje membranoje yra daugiau nei 20 skirtingų fermentų.

Membraniniai fermentai reikalauja kontakto su juos supančiais lipidais. Pašalinus juos iš lipidinės aplinkos (pavyzdžiui, lipidus iš membranos ekstrahuojant nepoliniais tirpikliais), sutrinka membranos fermentų darbas (kinetika arba pašalinių medžiagų poveikio pobūdis pasikeičia arba visai sustoja) . Tokių membraninių fermentų aktyvumas gali būti iš dalies atkurtas, jei į juos pridedama lipidų micelių.

Lipidų, aktyvinančių membraninius fermentus, prigimties analizė rodo griežto specifiškumo trūkumą – lemiamas veiksnys yra lipidų mišinio hidrofilinis-lipofilinis koeficientas. Kai kuriais atvejais delipiduotą fermentą galima suaktyvinti net naudojant ploviklį. Tačiau toks reaktyvuotas fermentas praranda galimybę suvokti reguliavimo signalus iš išorės, kurie kontroliavo jo darbą „gyvoje“ membranoje.

Lipidų aktyvinamasis poveikis membranos fermentams gali būti bent dvigubas. Pirma, esant lipidams, gali pasikeisti membranos fermento molekulės forma, todėl jos aktyvusis centras tampa prieinamas substratui. Antra, lipidai gali organizuoti ansamblį arba konvejerio juostą, susidedančią iš daugelio fermentų.

Membraninių fermentų molekulėse yra didelių nepolinių hidrofobinių sričių. Todėl į vandens aplinka jie agreguojasi, dėl to dauguma aktyvių centrų yra užmaskuoti. Esant lipidams, membraniniai fermentai yra suskirstyti į mazgus, apsuptus žiedinių lipidų molekulių, ir jų fermentinis aktyvumas gali būti visiškai išreikštas. Normaliam membraninių fermentų veikimui būtina, kad juos supantys lipidai būtų skystos agregatinės būsenos.

Receptorių baltymai

Receptoriniai baltymai yra baltymai, kurie specifiškai suriša tam tikras mažos molekulinės masės medžiagas. Kai jungiasi specifiniai ligandai, receptorių baltymai grįžtamai pakeičia savo formą. Šie pokyčiai sukelia atsaką ląstelėje. cheminės reakcijos. Tokiu būdu ląstelė suvokia įvairius iš išorinės aplinkos ateinančius signalus ir į juos reaguoja.

Receptorių baltymai ir baltymai, lemiantys ląstelės imuninį atsaką – antigenai – taip pat gali būti integralūs arba periferiniai membranos komponentai.

Receptoriai dažnai yra sudėtingesnių membranų kompleksų, kuriuose yra budelio baltymų, dalis. Pavyzdžiui, cholinerginis receptorius suvokia neurotransmiterio signalą ir perduoda jį kanalo baltymui.

Ši reakcija atveria membranos pralaidumą natrio ir kalio jonams ir sudaro sužadinimo potencialą.

Baltymų dalis bendroje membranos masėje gali svyruoti labai plačiose ribose – nuo ​​18% mieline iki 75% mitochondrijų membranoje. Atsižvelgiant į jų vietą membranoje, baltymus galima suskirstyti į: integralas Ir.

periferinis Integralinis

baltymai paprastai yra hidrofobiniai ir lengvai įsijungia į lipidų dvisluoksnį sluoksnį. Tokio baltymo sąveika su membrana vyksta keliais etapais. Pirmiausia baltymai adsorbuota ant dvigubo sluoksnio paviršiaus, keičia savo konformaciją , sukuriant hidrofobinį kontaktą su membrana. Tada atsitinka baltymo įterpimas į dvisluoksnį sluoksnį. Įsiskverbimo gylis priklauso nuo hidrofobinės sąveikos stiprumo ir hidrofobinių bei hidrofilinių sričių santykio baltymo rutuliuko paviršiuje. Hidrofilinės baltymo sritys sąveikauja su membranos sluoksniais vienoje arba abiejose membranos pusėse. Baltymų rutuliuko fiksacija membranoje vyksta dėl elektrostatinės ir hidrofobinės

sąveikos. Baltymų molekulių angliavandenių dalis (jei yra) išsikiša. Dėl glaudaus ryšio su dvisluoksniu vientisieji baltymai jam daro didelę įtaką: baltymo konformaciniai persitvarkymai lemia lipidų būklės pasikeitimą, vadinamąją dvisluoksnio deformaciją. baltymai turi mažesnį įsiskverbimo gylį į lipidų dvisluoksnį sluoksnį ir atitinkamai silpniau sąveikauja su membraniniais lipidais, darydami jiems daug mažesnį poveikį nei vientisieji.

Pagal jų sąveikos su membrana pobūdį baltymai skirstomi į monotopinis, bitopinis, politopinis :

monotopiniai baltymai sąveikauja su membranos paviršiumi (mono – vienas iš lipidų sluoksnių);

bitopinis prasiskverbti pro membraną (bi – du lipidų sluoksniai);

politopinis keletą kartų prasiskverbti pro membraną (daugkartinė sąveika su lipidais).

Aišku, kad pirmasis priklauso periferiniams baltymams, o antrasis ir trečiasis – integralams.

Membraniniai baltymai taip pat gali būti klasifikuojami pagal jų atliekamą funkciją. Šiuo atžvilgiu išskiriami struktūriniai baltymai:

· baltymai – fermentai;

· baltymai – receptoriai;

transportuojančių baltymų.

Specialią grupę sudaro ląstelės citoskeleto baltymai. Griežtai kalbant, šie baltymai nėra membranos komponentai, besiribojantys su ja iš citoplazminės pusės. Citoskeleto baltymai yra visų jo komponentų dalis: miofilamentuose yra aktino baltymų molekulių; mikrotubuliuose yra baltymo tubulino; Citoskeletas ne tik suteikia membranos elastingumą ir priešinasi ląstelių tūrio pokyčiams, bet, matyt, dalyvauja įvairiuose vidiniuose ir tarpląsteliniuose reguliavimo mechanizmuose.

1. HIDROFILINIŲ MOLEKULIŲ, o ypač įkrautų dalelių, TRANSPORTAS. Pavyzdžiui, natrio ir kalio jonų transportavimas atliekamas K,Na siurbliu.

2. FERMENTINIS VAIDMUO.

Membranoje esantys fermentai turi daugybę katalizinių savybių. Šie fermentai yra ypač jautrūs aplinkos veiksniams.

RECEPTORIAUS VAIDMUO.

Sąveiką su hormonais ir mediatoriais atlieka membraniniai baltymai-glikoproteinai. Pats angliavandenių komponentas nedalyvauja membranos konstrukcijoje, tačiau lipiduose ir baltymuose yra angliavandenių.

Membranų angliavandenių komponentų vaidmuo

a) Dalyvauti priėmime.

b) Užtikrinti ląstelių sąveiką tarpusavyje.

c) Kai kurie angliavandenių komponentai suteikia ląstelių antigenų specifiškumą. Pavyzdžiui, skirtingų kraujo grupių raudonieji kraujo kūneliai skiriasi vienas nuo kito angliavandenių komponentų sudėtimi.

Adenilato ciklazė. Jo aktyvusis centras yra membranos vidinėje pusėje. Receptorių baltymai turi savo angliavandenių komponentą membranos išorėje.

Svarbiausias plazmos membranų komponentas yra cholesterolis.

Cholesterolis sąveikauja su hidrofobinėmis polinių molekulių uodegomis ir riboja lipidų difuzijos greitį. Todėl cholesterolis vadinamas biologinių membranų stabilizatoriumi. Membraniniai komponentai ne tik juda erdvėje, bet ir nuolat atnaujinami. Jų vietą užima naujos molekulės.

Į mokymo programą įtraukta tik HPL ir cholesterolio apykaita. Lipoidai sintetinami ant endoplazminio tinklo membranų. Nuolatinis lipoidų judėjimas iš EPS membranų į kitas membranas.

CHOLESTEROLIO SINTEZĖ

Jis daugiausia atsiranda kepenyse ant hepatocitų endoplazminio tinklo membranų. Šis cholesterolis yra endogeninis. Nuolat vyksta cholesterolio pernešimas iš kepenų į audinius. Dietinis (egzogeninis) cholesterolis taip pat naudojamas membranoms kurti. Pagrindinis cholesterolio biosintezės fermentas yra HMG reduktazė (beta-hidroksi, beta-metil, glutaril-CoA reduktazė). Šį fermentą slopina neigiamas galutinio produkto – cholesterolio – grįžtamasis ryšys.

CHOLESTEROLIO VEŽIMAS.

Su maistu gaunamas cholesterolis pernešamas chilomikronais ir patenka į kepenis. Todėl kepenys yra tiek su maistu gaunamo cholesterolio (atkeliaujamo kaip chilomikronų dalis), tiek endogeninio cholesterolio audiniams šaltinis.

Kepenyse sintetinami VLDL – labai mažo tankio lipoproteinai (sudaro 75 % cholesterolio), taip pat MTL – mažo tankio lipoproteinai (juose yra apoproteino apoB 100), kurie patenka į kraują.

Beveik visos ląstelės turi apoB 100 receptorius. Todėl MTL yra fiksuotas ląstelių paviršiuje. Šiuo atveju stebimas cholesterolio perėjimas į ląstelių membranas. Todėl MTL gali aprūpinti audinių ląsteles cholesteroliu.

Be to, cholesterolis išsiskiria iš audinių ir transportuojamas į kepenis. Didelio tankio lipoproteinai (DTL) perneša cholesterolį iš audinių į kepenis. Juose labai mažai lipidų ir daug baltymų. DTL sintezė vyksta kepenyse. DTL dalelės yra disko formos ir turi apoproteinų apoA, apoC ir apoE. Kraujyje fermento baltymas prisijungia prie MTL lecitino cholesterolio aciltransferazė(LHAT) (žr. paveikslėlį).

ApoC ir apoE gali pereiti nuo DTL iki chilomikronų arba VLDL. Todėl DTL yra apoE ir apoC donorai. ApoA yra LCAT aktyvatorius.

LCAT katalizuoja šią reakciją:

Tai reakcija, kai riebalų rūgštis iš R2 padėties perkeliama į cholesterolį.

Reakcija labai svarbi, nes susidaręs cholesterolio esteris yra labai hidrofobinė medžiaga ir iš karto patenka į DTL šerdį – taip iš DTL ląstelių membranų kontaktuojant pašalinamas cholesterolio perteklius. Tada DTL patenka į kepenis, kur jis sunaikinamas, o cholesterolio perteklius pašalinamas iš organizmo.

MTL, VLDL ir DTL kiekių disbalansas gali sukelti cholesterolio susilaikymą audiniuose. Tai veda prie aterosklerozės. Todėl MTL vadinamas aterogeniniais lipoproteinais, o DTL – antiaterogeniniais lipoproteinais. Su paveldimu DTL trūkumu pastebimos ankstyvos aterosklerozės formos.

Ląstelių membranos pasižymi pusiau pralaidumo savybėmis, tai yra, vienos medžiagos pro jas praeina, o kitos – ne. Dėl to tam tikri junginiai gali kauptis vienoje membranos pusėje, sukurdami koncentracijos gradientus. Taigi narve ir už jo ribų tai būtina

daugumos jonų (1 lentelė), dalyvaujančių daugelyje fiziologinių procesų, kiekis skiriasi.

1 lentelė. Kai kurių jonų koncentracija raumenų skaidulos viduje ir išorėje (mmol1l)

Trumpai išvardinkime kai kurių didžiausią biologinį aktyvumą turinčių metalų jonų funkcinę paskirtį, atsirandančią ląstelės viduje (organoidas) arba už jos ribų.

Taigi, natrio užtikrina osmosinį slėgį, reguliuoja vandens mainus tarp ląstelių ir tarpląstelinės aplinkos. Natrio jonai dalyvauja palaikant rūgščių-šarmų būseną (ABS) organizme. Daugelyje audinių jie dalyvauja elektrocheminiuose procesuose, taip pat reguliuoja nukleorūgščių ir baltymų funkcijas. Jie yra susiję su atskirų medžiagų pernešimu transmembraniniu būdu.

Daug funkcijų kalio derinamas su natrio funkcijomis, bet priešingas joms. Tai pastebima tiek elektrocheminiuose procesuose, tiek veikiant fermentams (kalis suaktyvina kai kuriuos glikolitinius fermentus, o natris juos slopina). Kartu K" atlieka ir „savo" funkcijas. Pavyzdžiui, jis laikomas vienu iš transkripcijos procesų reguliatorių.

Funkcinis tikslas kalcio Toks įvairus ir reikšmingas daugumai organų ir sistemų, jo metabolizmą reguliuoja keli hormonai. Kalcis būtinas beveik visų liaukų ląstelių sekrecinei veiklai. Daugumoje ląstelių jis laikomas vienu iš tarpląstelinių procesų reguliatorių. Tuo pačiu metu nepalankus didelio kiekio laisvo kalcio patekimas į ląstelių citoplazmą, nes tokiu atveju susidaro blogai tirpi kalcio fosfato druska, kuriai veikiant susidaro ir panaudojama adenozino trifosforo rūgštis (ATP). ) sustoja. Todėl ląstelėse, kuriose kalcis naudojamas funkcijoms užtikrinti (pavyzdžiui, raumenyse - susitraukimui), yra jo depo sistema - sarkoplazma“ 1-asis tinklas(SR). Iš jo kalcis gana trumpą laiką patenka į citoplazmą. Kraujyje šis jonas dalyvauja užtikrinant hemostazės procesus (nugaros kraujavimą). Kraujyje daugiau nei pusė jo koncentracijos yra jonizuotoje būsenoje, didžioji dalis likusios – su baltymais, mažesnė – su kraujyje ištirpusiomis medžiagomis (citratu). Kalcio funkcijų įvairovė lemia poreikį palaikyti jo koncentraciją kraujyje 0,25 mmol (0,5 mmol1l) lygyje.

Neorganiniai anijonai(C1-, NSO, N2P04 ir kt.) taip pat atlieka jiems būdingas funkcijas, kurios bus aptartos atitinkamuose skyriuose. Dėl šių neorganinių jonų svarbos fiziologiniams procesams atlikti, toliau bus aptariami mechanizmai, užtikrinantys jų patekimą ir išėjimą per membranines struktūras.

Membraninių baltymų funkcijos

Daugumą membranų (membranų) funkcijų lemia jų baltyminiai komponentai, kurie veikia kaip jonų kanalai, siurbliai, fermentai ir receptoriai. Jų funkcijų aktyvumas priklauso ir nuo pačių baltymų, ir nuo jų tankio membranoje, ir nuo jos lipidų. Visi šie mechanizmai keičiasi dėl sudėtingos reguliavimo sistemos.

Transporto baltymai

Difuzija.

Perėjimas įvairių medžiagų per membraną priklauso nuo jų molekulės dydžio, krūvio ir tirpumo lipiduose. Riebaluose tirpūs junginiai (CO2, O2 ir kt.) gali palyginti lengvai prasiskverbti pro membraną, jei susidaro sąlygos jų difuzijai. Pagrindinis difuzijos procesą užtikrinantis mechanizmas yra medžiagos koncentracijos gradientas: ji iš didesnės koncentracijos pereina į mažesnę.

Bet dėl ​​to, kad įvairių junginių tirpumas lipiduose yra nevienodas, skiriasi ir transportavimo greitis. Taigi. Anglies dioksido tirpumas didesnis nei deguonies, todėl jis daug greičiau prasiskverbia pro membranas. Todėl tam reikalingas mažesnis koncentracijos gradientas.

Daugumos junginių ir jonų transmembraninis pernešimas vyksta naudojant atitinkamas sistemas. Jei riebaluose tirpių mažų polinių molekulių, tokių kaip etanolis ir karbamidas, atžvilgiu lengvai prasiskverbia pro membranos lipidinį sluoksnį, cukrus pasklinda labai sunkiai.

Įkrautos dalelės taip pat negali praeiti pro membranos lipidus. O baltymų struktūros vaidina pagrindinį vaidmenį užtikrinant šiuos procesus. Medžiagos gabenamos naudojant šiuos mechanizmus:

o pasyvus;

o pirminis aktyvus;

o reaktyvus (kombinuotas).

Pasyvus transportas vyksta specialiais kanalais, nenaudojant energijos difuzijos būdu pagal koncentracijos gradientą. Įkrautoms dalelėms taip pat svarbus elektrocheminis gradientas. Taigi, kalio katijonai, paliekantys ląstelę, yra joje neigiamų anijonų.

Aktyvus transportas reikalauja specialių baltymų struktūrų, kurios vadinamos siurbliai, ir privalomas energijos naudojimas..

Kombinuotas pervežimas suteikia baltymų, kurie vienu metu transportuoja du junginius. Be to, šis transportavimo būdas gali būti vienakryptis, kai abu junginiai prasiskverbia pro membraną viena kryptimi (simportas), arba daugiakryptis (anti-port). Sujungtam transportavimui taip pat reikalinga energija iš jonų siurblių, tačiau ji ne visada naudojama toje plazminės membranos srityje, per kurią ji vyksta (4, 5 pav.).

Transporto baltymai.

Jungdamasis su medžiaga, kuri yra pernešama ir negali praeiti pro membraną, nešiklis akimirksniu „traukia“ per lipidų sluoksnį. Tokiu būdu pernešami jonai, amino ir organinės rūgštys, monosukridai, nukleotidai

Ryžiai. 4.

A -šoninis lipidų mobilumas; b - sukamieji judesiai; V- šoninis baltymų mobilumas; G- lipidų „flip-flop“; g- „flip-flop“ baltymai

Ryžiai. 5. in

* - gliukozė (pagal Yu.P. Boldirevimą)

Daugelis jų turi savo nešiklius, kurių tankis ant membranų yra skirtingas ir reguliuojamas. Kad ši sistema veiktų, turi būti įvykdytos kelios sąlygos:

a) transportuojama medžiaga kerta membraną tik kartu su nešikliu;

b) nešiklio molekulė turi susijungti su medžiagos molekule.

Jonų kanalai.

Būdingiausias yra transmembraninis jonų pernešimas, praeinantis už vieno iš baltymų nešiklio tipų, vadinamųjų. kanalai(kartais). Svarbiausi (ir iki šiol ištirti) yra trys iš jų:

1) natrio;

2) kalio;

3) kalcio.

Paprastai kanalas susideda iš trijų dalių (6 pav.). Pirmoji iš jų yra vandens pora, viduje išklota hidrofilinėmis grupėmis. Išoriniame jo paviršiuje yra sekcija, skirianti jonus - selektyvus filtras. Kanalo būseną kontroliuoja struktūra, esanti netoli į vidų nukreipto poros krašto ir vadinama „vartais“.

Tirpale esantys jonai yra hidratuoto pavidalo, taigi

Ryžiai. 6. Kanalo vartus valdo chemoreceptorius. Prieš ACh molekulių sąveiką su receptoriumi vartai užsidaro (a), surišę su jais jie ištirpsta (b; po I. Chodorovo)

Tada jie yra susieti su vandens molekulėmis. Tai padidina efektyvius katijonų dydžius. Atviras kanalas (atviri vartai) leidžia jonams prasiskverbti pro membraną, išlikdami vandeninėje aplinkoje. Tačiau atrankinė sritis yra tokia siaura, kad jonas praranda dalį savo vandeninio apvalkalo. Pirmasis veiksnys, ribojantis katijonų praėjimą per kanalą, yra selektyvaus filtro dydis: natrio kanalui jis yra 0,3 x 0,5 nm, kalio kanalui - 0,3 x 0,3 nm. Kalcio kanalas yra didesnio skersmens (0,65 nm), todėl pro jį gali praeiti ne tik Ca2 ir Na Kitas jonų praėjimą reguliuojantis veiksnys – porų sienelės krūvis. Nagrinėjamuose katijonų kanaluose porų sienelė turi neigiamą krūvį, todėl pro juos gali prasiskverbti anijonai – jie atstumiami.

Kanalo būsena reguliuojama vartų mechanizmu. Jo padėtis („atvira“ arba „uždaryta“), priklausomai nuo kanalo vietos ant membranų, nustatoma pagal: elektros krūvis membranos ir specialūs receptoriai, kurie sąveikauja su ligandu (biologiškai aktyvūs junginiai, pvz., tarpininkas).

Jonų siurbliai.

Funkcinė biologinių siurblių paskirtis – palaikyti pastovią joninę sudėtį ląstelės viduje. jos dar vadinamos transportinėmis adenozino trifosfatazėmis (ATPazėmis), nes užtikrina jonų transportavimą prieš koncentracijos gradientą, kuriam reikalinga ATP energija. Šiandien yra du tipiškiausi ir palyginti gerai ištirti siurbliai.

N0*-, IS-ATPazė. Plazminėje membranoje yra vientisas baltymas, kuris suteikia kombinuotą Na+ ir K+ antiportą. Naudojant ATP molekulės energiją, iš ląstelės išpumpuojami trys natrio jonai, o du kalio jonai. K+ siurblys susideda iš dviejų subvienetų - a-lipoproteinas integralas $-glikoproteinas(7 pav.).

Jo fermentinis centras, hidrolizuojantis ATP, yra a-subvienete, nukreiptas į ląstelės vidų. Atliekamas šio fermento aktyvinimas natrio ant jo vidinio paviršiaus. Kalio surišimo centras yra toje molekulės dalyje, kuri yra orientuota į tarpląstelinę aplinką.

Schematiškai vieno šio siurblio ciklo funkciją galima apibūdinti taip. Jonų atvykimas natrio pirma atvirame lauke" vidinis įėjimas"veda prie fermento perėjimo į E2 konformacinę būseną ir vėlesnį vidinio bei išorinio kanalo uždarymą. E2 konformacinei būsenai būdingas didelis afinitetas kalio jonams, kurie pakeičia natrio jonus ir yra išstumiami. K+ surišimas ir ATP hidrolizė sukelia AT fazės grįžtamumą į kylančią

Ryžiai. 7.

valstybė B. Tada atsidaro vidinis kanalas ir įstumiami kalio jonai. Naujam ciklui reikia naujos ATP molekulės.

Natrio siurblys, jo veikla ir kiekis ne visada yra stabilūs. Siurblio veiklai įtakos turi ląstelėje susintetinti antriniai pasiuntiniai, tokie kaip ciklinis adenozino monofosfatas (cAMP), arachidono rūgšties dariniai, diacilglicerolis, taip pat išoriniai reguliatoriai, ypač hormonai. Pavyzdžiui, jodo turintys skydliaukės hormonai padidina siurblio veiklą.

K+-Atfazės darbas yra vienas daugiausiai energijos sunaudojančių mechanizmų: jos funkcionavimui vidutiniškai sunaudojama apie 24 % visos ląstelių energijos, o neuronuose – iki 70 %.

Ca2+-A TPazė.Šio siurblio energetinė talpa yra daug didesnė nei Na+-, K+-Atfazės: vienam Ca2+ išsiurbti sunaudojami du ATP, o trims Na+ ir dviem K1 transportuoti sunaudojama vienas ATP. Šio siurblio paleidimo mechanizmas yra pats kalcis, kurio menkiausias intraląstelinės koncentracijos pasikeitimas pradeda jo išsiurbimo procesą.

Endo ir egzocitozė.

Kai kuriose žmogaus kūno ląstelėse yra ypatinga rūšis transportą, vadinamą endocitoze. Dėl endocitozės į ląstelę prasiskverbia didelės dalelės. Šis kelias turi dvi pagrindines formas: pinocitozė ir fagocitozė. Pinocitozės pagalba ląstelė iš ekstraląstelinio skysčio ir ypač baltymų molekulių pasisavina nedidelius ištirpusių maisto medžiagų lašelius. Fagocitozė užtikrina didelių objektų, tokių kaip bakterijos, ląstelės ir sunaikintų audinių dalelės, įsiskverbimą į ląstelę.

pinocitozė dalyvauja ląstelės membrana dauguma ląstelių, tačiau šie mechanizmai ypač būdingi makrofagams, kurių membranos apie 3 % nuolat dalyvauja formuojantis pūslėms (pūslėms). Pastarieji siekia apie 100-200 nm skersmens.

Tipiškas baltymų įsisavinimo mechanizmas. Ląstelės membranos paviršiuje, jos įdubose, yra receptoriai, skirti prisijungti prie baltymo. Įjungta vidinis paviršius ląstelės, esančios šalia šios srities, yra fibrilinis baltymas (jis vadinamas klotrinas) su aktomiozino baltymais. Dėl absorbuoto baltymo sąveikos su receptoriumi gilėja duobė, o susitraukiantys baltymai uždaro kraštus, todėl susidaro izoliuota pūslelė, kurioje kartu su junginiu absorbuojama ir dalis ekstraląstelinio skysčio. Po to pūslelė atsiskiria nuo membranos ir prasiskverbia į ląstelę, dažniausiai arčiau lizosomų, kurių fermentai skaido atkeliavusį baltymą.

Ačiū fagocitozė ląstelės (ir tai daugiausia audinių makrofagai ir leukocitai) sugeria medžiagas, daug didesnes nei baltymo molekulė (8 pav.).

Nuo pat fagocitozės proceso pradžios ląstelės receptorius jungiasi su bakterijos ar negyvos ląstelės membranos baltymu arba polisukridu. Prasidėjus membranų invaginacijai, prie objekto ligandų jungiasi vis daugiau naujų fagocitų membranos atkarpų ir pamažu ląstelė, fagocituodama, pasineria į ją. Susitraukiantys baltymai pirmiausia uždaro sąsmauka, o tada stumia pūslelę giliai į ląstelę.

Priešingas kelias – egzocitozė – tai mechanizmas, užtikrinantis daugybės medžiagų išsiskyrimą iš ląstelės ir sekrecijos procesus. Daugelis organelių ląstelės viduje sudaro pūsleles, užpildytas medžiaga, kuri

Ryžiai. 8.

reikia išimti iš jų. Tipiški tokių junginių atstovai yra liaukų išskiriami hormonai ir fermentai.

Endocitozė ir egzocitozė ląstelėse vyksta nuolat, o daugelyje jų gana intensyviai. Taigi, tik per 1 valandą makrofagas gali sugerti dvigubą savo citoplazminės membranos paviršiaus plotą burbuliukų pavidalu, kurie, žinoma, turėtų turėti laiko atsinaujinti.

Receptorių baltymai.

Receptorius yra baltymų kompleksas, kuris suvokia siųstuvo molekulės signalą. Receptorius gali būti arba nepriklausoma struktūra, įterpta į membraną kaip vientisas baltymas, arba kitų funkcinių baltymų dalis, reguliuojanti jų aktyvumą. Be to, membranoje gali būti keli to paties cheminio agento receptoriai. O substrato ir receptoriaus sąveikos poveikis ne visada gali būti panašus, o kai kuriais atvejais net diametraliai priešingas. Taigi, kai antinksčių šerdies hormonas adrenalinas (A) sąveikauja su adrenerginiu receptoriumi, stebimas kraujagyslės susiaurėjimas, o su P receptoriumi – išsiplėtimas.

Fermentiniai baltymai

Daugelis periferinių ir atskirų vientisų baltymų fragmentų atlieka ir fermentines funkcijas. Pastarųjų pavyzdys yra aukščiau minėtos membranos Atphases, kurios yra vienos jonų siurblių struktūros dalis.

Be to, integralinio tipo fermentų baltymai katalizuoja reakcijas, kurios, kaip taisyklė, visiškai eina per vieną biomembranos pusę. Be to, vienoje pusėje pritvirtinus bet kokį substratą, reakcijos produktai išsiskiria iš priešingos pusės. Šiuo atveju ribotas membranų pralaidumas, užtikrinantis erdvinį reakcijos produktų atskyrimą, sukuria koncentracijos gradientus.

Antriniai tarpininkai.

Ląstelė turi sudėtinga sistema viduląsteliniai aktyvumo reguliatoriai – antrieji pasiuntiniai. Tai cikliniai nukleotidai (cAMP, cGMP), kalcis, kalcis + kalmodulinas, fosfolipidų hidrolizės produktai (fosfatidilinozitolis). Tačiau intracelulinės reguliavimo sistemos neapsiriboja jomis, buvo nustatyti nauji junginiai.

Antriniai pasiuntiniai prisideda prie daugybės ląstelių funkcijų pokyčių: transformuoja fermentų aktyvumą, skatina egzocitozę ir įtakoja įvairių genų transkripciją.

Visi antriniai tarpininkai aktyviai bendrauja tarpusavyje. Paprastai jie ląstelėje yra subalansuotu santykiu, tačiau po pirmojo reguliatoriaus veikimo ši pusiausvyra sutrinka, o tai tampa signalu apie jos veiklos pasikeitimą. Antriniai pasiuntiniai taip pat daro įtaką ląstelės membranos jautrumui reguliatoriui, reguliuodami receptorių skaičių ir afinitetą.