Мембранный транспорт

В клеточной биологии мембранный транспорт относится к совокупности механизмов, которые регулируют прохождение растворенных веществ, таких как ионы и небольшие молекулы , через биологические мембраны , которые представляют собой липидные бислои , содержащие белки встроенные в них . Регулирование прохождения через мембрану осуществляется за счет избирательной проницаемости мембраны – характеристики биологических мембран, которая позволяет им разделять вещества различной химической природы. Другими словами, они могут быть проницаемы для одних веществ, но не проницаемы для других.

Движение большинства растворенных веществ через мембрану опосредуется мембранными транспортными белками , которые в той или иной степени специализируются на транспорте определенных молекул. Поскольку разнообразие и физиология отдельных клеток во многом связаны с их способностью привлекать различные внешние элементы, предполагается, что существует группа специфических транспортных белков для каждого типа клеток и для каждой конкретной физиологической стадии. Эта дифференциальная экспрессия регулируется посредством дифференциальной транскрипции генов , кодирующих эти белки, и ее трансляции, например, с помощью генетико-молекулярных механизмов, а также на уровне клеточной биологии: продукция этих белков может быть активирована клеточными сигнальными путями . на биохимическом уровне или даже находясь в цитоплазматических везикулах. Клеточная мембрана регулирует транспорт веществ, поступающих в клетку и выходящих из нее.

Фон

Термодинамически поток веществ из одного отсека в другой может происходить как в направлении концентрационного или электрохимического градиента , так и против него. Если обмен веществ происходит в направлении градиента, т. е. в направлении уменьшения потенциала, то нет необходимости во внесении энергии извне системы; если, однако, транспорт идет против градиента, он потребует затрат энергии, в данном случае метаболической энергии. Например, классический химический механизм разделения, не требующий добавления внешней энергии, — это диализ. В этой системе полупроницаемая мембрана разделяет два раствора одного и того же растворенного вещества с разной концентрацией. Если мембрана пропускает воду, но не растворенное вещество, вода переместится в отсек с наибольшей концентрацией растворенного вещества, чтобы установить равновесие, при котором энергия системы минимальна. Это происходит потому, что вода движется от высокой концентрации растворителя к низкой (с точки зрения растворенного вещества происходит обратное) и поскольку вода движется по градиенту, нет необходимости во внешнем подводе энергии.

Схема клеточной мембраны
1. фосфолипид 2. холестерин 3. гликолипид 4. сахар 5. политопный белок (трансмембранный белок) 6. монотопный белок (здесь гликопротеин) 7. монотопный белок, закрепленный фосфолипидом 8. периферический монотопный белок (здесь гликопротеин).

Природа биологических мембран, особенно липидов, амфифильна , поскольку они образуют бислои, содержащие внутренний гидрофобный слой и внешний гидрофильный слой. Эта структура делает возможным транспорт путем простой или пассивной диффузии , которая заключается в диффузии веществ через мембрану без затрат метаболической энергии и без помощи транспортных белков. Если транспортируемое вещество имеет чистый электрический заряд , оно будет двигаться не только в ответ на градиент концентрации, но и на электрохимический градиент, обусловленный мембранным потенциалом .

Относительная проницаемость фосфолипидного бислоя для различных веществ

Тип вещества	Примеры	Поведение
Газы	СО 2 , Н 2 , О 2	проницаемый
Маленькие незаряженные полярные молекулы	Мочевина , вода , этанол	Водопроницаемый, полностью или частично
Большие незаряженные полярные молекулы	глюкоза , фруктоза	Не проницаемый
Ионы	К + , уже + , кл − , ОХС 3 −	Не проницаемый
Заряженные полярные молекулы	АТФ , аминокислоты , глюкозо-6-фосфат	Не проницаемый

Поскольку лишь немногие молекулы способны диффундировать через липидную мембрану, большинство транспортных процессов затрагивают транспортные белки. Эти трансмембранные белки обладают большим количеством альфа-спиралей, погруженных в липидный матрикс. У бактерий эти белки присутствуют в форме бета-ламины . Эта структура, вероятно, включает в себя канал через гидрофильное белковое окружение, которое вызывает нарушение высокогидрофобной среды, образованной липидами. Эти белки могут участвовать в транспорте разными способами: они действуют как насосы, управляемые АТФ , то есть метаболической энергией, или как каналы облегченной диффузии.

Транспорт веществ через плазматическую мембрану может осуществляться посредством пассивного транспорта (простая и облегченная диффузия) или активного транспорта.

Термодинамика

Физиологический процесс может иметь место только в том случае, если он соответствует основным термодинамическим принципам. Мембранный транспорт подчиняется физическим законам, которые определяют его возможности и, следовательно, его биологическую полезность.
Общий принцип термодинамики, который управляет переносом веществ через мембраны и другие поверхности, заключается в том, что обмен свободной энергии Δ G на транспорт моля вещества с концентрацией C ₁ из одного отсека в другой отсек, где оно присутствует. в С ₂ это:

$\Delta G=RT\log {\frac {C_{2}}{C_{1}}}$

Когда C ₂ меньше C ₁ , Δ G отрицательна и процесс термодинамически выгоден. Поскольку энергия передается из одного отсека в другой, за исключением случаев вмешательства других факторов, равновесие будет достигнуто при C ₂ =C ₁ и при ΔG = 0. Однако существуют три обстоятельства, при которых это равновесие не будет достигнуто. , обстоятельства, которые имеют жизненно важное значение для in vivo : функционирования биологических мембран

• Макромолекулы на одной стороне мембраны могут преимущественно связываться с определенным компонентом мембраны или химически модифицировать его. Таким образом, хотя концентрация растворенного вещества на самом деле может быть разной по обе стороны мембраны, доступность растворенного вещества снижается в одном из отсеков до такой степени, что для практических целей не существует градиента, способствующего транспорту.
• , Может существовать электрический потенциал мембраны который может влиять на распределение ионов. Например, для транспорта ионов снаружи внутрь возможно следующее:

$\Delta G=RT\log {\frac {C_{inside}}{C_{outside}}}+ZF\Delta P$

Где F — постоянная Фарадея , а Δ P — мембранный потенциал в вольтах . Если Δ P отрицательна, а Z положительна, вклад слагаемого ZFΔP в Δ G будет отрицательным, то есть будет способствовать транспорту катионов изнутри клетки. Итак, при сохранении разности потенциалов состояние равновесия ΔG = 0 не будет соответствовать эквимолярной концентрации ионов по обе стороны мембраны.

• Если процесс с отрицательным ΔG связан с процессом переноса, то глобальное ΔG будет изменено. Эта ситуация распространена при активном транспорте и описывается следующим образом:

$\Delta G=RT\log {\frac {C_{\text{inside}}}{C_{\text{outside}}}}+\Delta G^{b}$

Где Δ G ^б соответствует благоприятной термодинамической реакции, такой как гидролиз АТФ или совместный транспорт соединения, которое движется в направлении его градиента.

Виды транспорта

Пассивная диффузия и активная диффузия

Основная статья: Пассивный транспорт

Полупроницаемая мембрана разделяет два отсека с разной концентрацией растворенного вещества: со временем растворенное вещество будет диффундировать, пока не будет достигнуто равновесие.

Как упоминалось выше, пассивная диффузия — это спонтанное явление, увеличивающее энтропию системы и уменьшающее свободную энергию. На процесс транспорта влияют характеристики транспортного вещества и природа бислоя. Скорость диффузии чистой фосфолипидной мембраны будет зависеть от:

• градиент концентрации,
• гидрофобность,
• размер,
• заряд, если молекула имеет суммарный заряд.
• температура

Активный и совместный транспорт

Основная статья: Активный транспорт

При активном транспорте растворенное вещество перемещается против концентрационного или электрохимического градиента; при этом задействованные транспортные белки потребляют метаболическую энергию, обычно АТФ. При первичном активном транспорте гидролиз источника энергии (например, АТФ) происходит непосредственно для транспортировки рассматриваемого растворенного вещества, например, когда транспортными белками являются АТФазы ферменты . Если гидролиз источника энергии является непрямым, как в случае вторичного активного транспорта , используется энергия, запасенная в электрохимическом градиенте. Например, при совместном транспорте используются градиенты определенных растворенных веществ для транспортировки целевого соединения против его градиента, вызывая рассеивание градиента растворенного вещества. Может показаться, что в этом примере энергия не используется, но гидролиз источника энергии необходим для установления градиента растворенного вещества, транспортируемого вместе с целевым соединением. Градиент совместно транспортируемого растворенного вещества будет создаваться за счет использования определенных типов белков, называемых биохимические насосы .

Открытие существования этого типа белка-переносчика произошло в результате изучения кинетики трансмембранного транспорта молекул. Для некоторых растворенных веществ было отмечено, что скорость транспорта достигала плато при определенной концентрации, выше которой не наблюдалось значительного увеличения скорости поглощения, что указывает на реакцию типа логарифмической кривой . Это было интерпретировано как демонстрация того, что транспорт опосредован образованием комплекса субстрат-транспортер, который концептуально аналогичен фермент-субстратному комплексу кинетики ферментов . Следовательно, каждый транспортный белок имеет константу сродства к растворенному веществу, равную концентрации растворенного вещества, когда скорость транспорта составляет половину максимального значения. В случае фермента это эквивалентно константе Михаэлиса-Ментен .

Некоторыми важными особенностями активного транспорта, помимо его способности вмешиваться даже против градиента, его кинетики и использования АТФ, являются его высокая селективность и легкость избирательного фармакологического ингибирования.

Вторичные активные белки-переносчики

Унипорт, симпорт и антипорт молекул через мембраны.

Вторичные активные белки-переносчики перемещают одновременно две молекулы: одну против градиента, а другую — по его градиенту. Их различают по направленности двух молекул:

• антипортер (также называемый обменником или контртранспортером): перемещает молекулу против ее градиента и в то же время смещает один или несколько ионов вдоль ее градиента. Молекулы движутся в противоположных направлениях.
• симпортер : перемещать молекулу против ее градиента, смещая при этом один или несколько различных ионов вдоль их градиента. Молекулы движутся в одном направлении.

Оба могут быть названы котранспортерами .

Насосы

Упрощенная схема натриево-калиевого насоса, показывающая альфа- и бета-единицы.

Насос — это белок, который гидролизует АТФ для транспортировки определенного растворенного вещества через мембрану и при этом генерирует электрохимический градиент мембранного потенциала . Этот градиент представляет интерес как индикатор состояния клетки посредством таких параметров, как потенциал Нернста . С точки зрения мембранного транспорта интерес представляет градиент, поскольку он способствует снижению энтропии системы при котранспорте веществ против их градиента.Одним из наиболее важных насосов в клетках животных является натриево-калиевый насос , который действует по следующему механизму:

1. связывание трёх Na ⁺ ионы к их активным центрам насоса, связанным с АТФ.
2. АТФ гидролизуется, что приводит к фосфорилированию цитоплазматической стороны насоса, что вызывает изменение структуры белка. Фосфорилирование обусловлено переносом концевой группы АТФ на остаток аспартата в транспортном белке и последующим высвобождением АДФ.
3. изменение структуры в насосе обнажает Na ⁺ к экстерьеру. Фосфорилированная форма насоса имеет низкое сродство к Na. ⁺ ионы, чтобы они высвободились.
4. однажды На ⁺ высвобождаются ионы, насос связывает две молекулы K ⁺ к соответствующим местам связывания на внеклеточной поверхности транспортного белка. Это вызывает дефосфорилирование насоса, возвращая его в предыдущее конформационное состояние, транспортируя K ⁺ ионы в клетку.
5. Нефосфорилированная форма насоса имеет более высокое сродство к Na. ⁺ ионы, чем K ⁺ ионы, так что эти два связали K ⁺ ионы выходят в цитозоль . АТФ связывается, и процесс начинается снова.

Мембранная селективность

Поскольку основной характеристикой транспорта через биологическую мембрану является его избирательность и последующее поведение в качестве барьера для определенных веществ, физиология, лежащая в основе этого явления, широко изучена. Исследования селективности мембран классически делятся на исследования, касающиеся электролитов и неэлектролитов.

Селективность электролита

Ионные каналы определяют внутренний диаметр, который позволяет проходить небольшим ионам, что связано с различными характеристиками ионов, которые потенциально могут транспортироваться. Поскольку размер иона связан с его химической разновидностью, можно априори предположить , что канал, диаметр пор которого достаточен для прохождения одного иона, также позволит переносить другие ионы меньшего размера, однако это не так. встречаются в большинстве случаев. Помимо размера, существуют две характеристики, которые важны для определения селективности пор мембраны: способность к дегидратации и взаимодействие иона с внутренними зарядами поры.
Чтобы ион мог пройти через пору, он должен отделиться от молекул воды, которые покрывают его в последовательных слоях сольватации . Тенденция к дегидратации или способность к этому связаны с размером иона: более крупные ионы могут делать это легче, чем более мелкие ионы, так что пора со слабыми полярными центрами будет преимущественно обеспечивать прохождение более крупных ионов через более мелкие. Когда внутренняя часть канала состоит из полярных групп боковых цепей составляющих аминокислот, взаимодействие дегидратированного иона с этими центрами может быть более важным, чем возможность дегидратации, для придания специфичности каналу. Например, канал, состоящий из гистидинов и аргининов с положительно заряженными группами, избирательно отталкивает ионы одной и той же полярности, но облегчает прохождение отрицательно заряженных ионов. Также в этом случае мельчайшие ионы смогут более тесно взаимодействовать из-за пространственного расположения молекулы (стеричности), что значительно увеличивает заряд-зарядовые взаимодействия и, следовательно, преувеличивает эффект.

Неэлектролитная селективность

Неэлектролиты, вещества, которые обычно являются гидрофобными и липофильными, обычно проходят через мембрану путем растворения в липидном бислое и, следовательно, путем пассивной диффузии. Для тех неэлектролитов, транспорт которых через мембрану опосредован транспортным белком, способность к диффузии обычно зависит от коэффициента распределения К. Частично заряженные неэлектролиты, которые являются более или менее полярными, такие как этанол, метанол или мочевина, способны проходить через мембрану через водные каналы, погруженные в мембрану. Не существует эффективного механизма регуляции, ограничивающего этот транспорт, что указывает на внутреннюю уязвимость клеток к проникновению этих молекул.

Создание мембранных транспортных белков

Существует несколько баз данных, в которых предпринимаются попытки построить филогенетические деревья, подробно описывающие создание белков-транспортеров. Одним из таких ресурсов является база данных классификации транспортеров.

См. также

• Сотовый транспорт
• Скрамбласы