Молекулы проходят через мембраны благодаря трём различным процессам: простой диффузии, облегчённой диффузии, активному транспорту.
Простая диффузия - пример пассивного транспорта. Его направление определяется только разностью концентраций вещества по обеим сторонам мембраны (градиентом концентрации). Путём простой диффузии в клетку проникают неполярные (гидрофобные) вещества, растворимые в липидах и мелкие незаряженные молекулы (например, вода).
Большинство веществ, необходимых клеткам, переносится через мембрану с помощью погружённых в неё транспортных белков (белков-переносчиков). Все транспортные белки, по-видимому, образуют непрерывный белковый проход через мембрану.
Различают две основные формы транспорта с помощью переносчиков: облегчённая диффузия и активный транспорт.
Облегчённая диффузия обусловлена градиентом концентрации, и молекулы движутся соответственно этому градиенту. Однако если молекула заряжена, то на её транспорт влияет как градиент концентрации, так и общий электрический градиент поперёк мембраны (мембранный потенциал).
Пассивный транспорт может происходить непосредственно через фосфолипидный слой, через белки- переносчики или через белковые каналы.
Движущая сила может обеспечиваться:
· разностью концентрации транспортируемого вещества (диффузия) или осмотического давления (осмос) на разных сторонах мембраны.
· транспорт воды обеспечивается разностью осмотического давления с помощью белков-аквапоринов.
· разностью электрического потенциала на мембране (если транспортируемое вещество несет заряд);
Простая диффузия — перенос веществ через мембрану по градиенту концентрации (из области высокой концентрации в область низкой концентрации) без затрат энергии.
· происходит по электрохимическому градиенту;
· скорость линейно зависит от градиента концентрации вещества;
· не насыщаемый процесс, то есть может ускоряться неограниченно;
· не расходуется энергия.
Путём простой диффузии в клетку проникают гидрофобные вещества (кислород, азот, бензол) и полярные маленькие молекулы (вода, углекислый газ, мочевина). Не проникают полярные относительно крупные молекулы (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы) и макромолекулы (ДНК, белки).
Осмос
Диффузия воды через мембрану называется осмосом (см. тему "Осмос и осморегуляция").
Осмос — односторонняя диффузия растворителя (воды) через полупроницаемую мембрану в более концентрированный раствор.
Из-за того, что более концентрированный раствор содержит меньшую концентрацию молекул растворителя, в него путем диффузии просачивается растворитель из менее концентрированного раствора и разбавляет его до тех пор, пока концентрация не станет равной по обе стороны мембраны.
В случае, когда мембрана плохо проницаема, либо непроницаема для данного вещества, она подвергается действию осмотических сил. При более низкой концентрации вещества в клетке вода из нее выходит, и клетка сжимается, при более высокой концентрации — впускает внутрь воду, и клетка увеличивается в объеме.
Облегченная диффузия
Облегченная диффузия — процесс трансмембранного переноса веществ по градиенту концентрации с участием мембранных белков-переносчиков без затраты энергии.
Каналы — белковые молекулы в мембране, создающие гидрофильный проход (облегченная диффузия). Характеристика каналов:
· селективны (специфичны);
· изменяют свое состояние;
· чувствительны к лигандам и заряду мембраны.
С помощью облегченной диффузии в клетку попадают органические вещества с высокой полярностью.
ОСОБЕННОСТИ ОБЛЕГЧЕННОЙ ДИФФУЗИИ
· быстрее, чем простая диффузия;
· происходит по электрохимическому градиенту;
· с помощью белка-переносчика или белков трансмембранных каналов;
· ограниченный по скорости и насыщаемый процесс;
· можно блокировать, связав переносчик — чувствительна к ингибиторам;
· конкуренция переносимых веществ за переносчик;
· не расходуется энергия.
Активный транспорт - это перенос растворённых веществ против градиента концентрации или электрохимического градиента с использованием энергии АТФ. Энергия требуется потому, что вещество должно двигаться вопреки своему естественному стремлению диффундировать в противоположном направлении.
Некоторые транспортные белки переносят одно растворённое вещество через мембрану (унипорт).
Другие функционируют как котранспортные системы, в которых перенос одного растворённого вещества зависит от одновременного или последовательного переноса второго вещества.
Второе вещество может транспортироваться в том же направлении (симпорт) либо в противоположном (антипорт).
С помощью активного транспорта в клетку проникают ионы (КК+, Na+, СаСа2+, Mg2+) и мономеры (простые сахара, аминокислоты, нуклеотиды).
Осуществляется специальными белками-переносчиками, образующими так называемые ионные насосы, или помпы. Наиболее изученным является натрий-калиевый насос в клетках животных, активно выкачивающих ионы Na+ наружу, поглощая при этом ионы КК+. Благодаря этому в клетке поддерживается большая концентрация КК+ и меньшая Na+ по сравнению с окружающей средой. На этот процесс затрачивается энергия АТФ.
В результате активного транспорта с помощью мембранного насоса в клетке происходит также регуляция концентрации Mg2+ и СаСа2+.
Na-K насос
Одной из важнейших и наиболее изученных систем активного транспорта в клетках животных является Na-K насос. Большинство клеток животных поддерживают разные градиенты концентрации ионов натрия и калия по разные стороны плазматической мембраны: внутри клетки сохраняется низкая концентрация ионов натрия и высокая концентрация ионов калия. Энергия, необходимая для работы Na-K насоса, поставляется молекулами АТФ, образующимися при дыхании. О значении этой системы для всего организма свидетельствует тот факт, что у находящегося в покое животного более трети АТФ затрачивается на обеспечение работы этого насоса.
Рис 9. Модель работы Na-K насоса
А. Ион натрия в цитоплазме соединяется с молекулой транспортного белка. Б. Реакция с участием АТФ, в результате которой фосфатная группа (Р) присоединяется к белку, а АДФ высвобождается. В. Фосфорилирование индуцирует изменение конформации белка, что приводит к высвобождению ионов натрия за пределами клетки Г. Ион калия во внеклеточном пространстве связывается с транспортным белком (Д), который в этой форме более приспособлен для соединения с ионами калия, чем с ионами натрия. Е. Фосфатная группа отщепляется от белка, вызывая восстановление первоначальной формы, а ион калия высвобождается в цитоплазму. Транспортный белок теперь готов к выносу другого иона натрия из клетки.
Активный транспорт — этот механизм сопряжен с затратам и энергии и служит для переноса молекул против их градиента концентрации. Он осуществляется белками-переносчиками, образующими та к называемы е насосы, наиболее изученным и из которых является N а +/К+насос в клетках животных, активно выкачивающий ионы Na + наружу, поглощая при этом ионы K+.
Эндоцитоз и экзоцитоз
Эндоцитоз
Транспорт макромолекул, их комплексов и крупных частиц внутрь клетки происходит совершенно иным путем — посредством эндоцитоза. Выведение тех же грузов из клетки называется экзоцитозом.
При эндоцитозе (эндо — внутрь) определенный участок плазмалеммы захватывает и как бы обволакивает внеклеточный материал, заключая его в мембранную вакуоль, возникшую вследствие впячивания мембраны. В дальнейшем такая вакуоль соединяется с лизосомой, ферменты которой расщепляют макромолекулы до мономеров.
1. Фагоцитоз - поглощение твёрдых частиц. Специализированные клетки, осуществляющие фагоцитоз, называются фагоцитами.
Рис 8. Макрофаг, фагоцитирующий две красные кровяные клетки
2. Пиноцитоз - поглощение жидкого материала (раствор, коллоидный раствор, суспензия). Часто при этом образуются очень мелкие пузырьки (микропиноцитоз).
3. Рецепторно-опосредованный эндоцитоз (клатрин-зависимый эндоцитоз) – использует для переноса молекул поверхностные рецепторы, который накапливаются в специфических участках плазмалеммы, покрытых со стороны цитоплазмы белком клатрином. После связывания лиганда с рецептором в этом месте образуется окаймленная ямка, которая впоследствии формирует окаймленный пузырек. Он поступает в цитоплазму клетки, теряет там клатриновую оболочку и сливается с кислой эндосомой. Дальнейшая судьба рецептора и лиганда варьирует в зависимости от типа эндоцитоза. Многие молекулы попадают в клетку этим путем, среди них липопротеины низкой плотности (ЛПНП), белок трансферрин, факторы роста и т.д.
Экзоцитоз
Экзоцитоз - процесс, обратный эндоцитозу. Таким способом выводятся гормоны, полисахариды, белки, жировые капли и другие продукты клетки. Они заключаются в пузырьки, ограниченные мембраной, и подходят к плазмалемме. Обе мембраны сливаются, и содержимое пузырька выводится в среду, окружающее клетку.
Благодаря ему клетка выводит внутриклеточные продукты или непереваренные остатки, заключенные в вакуоли или пузырьки. Пузырек подходит к цитоплазматической мембране, сливается с ней, а его содержимое выделяется в окружающую среду. Так выводятся пищеварительные ферменты, гормоны, гемицеллюлоза и др.
Таким образом, биологические мембраны как основные структурные элементы клетки служат не просто физическими границами, а представляют собой динамичные функциональные поверхности. На мембранах органелл осуществляются многочисленные биохимические процессы, такие как активное поглощение веществ, преобразование энергии, синтез АТФ и др.
Субмембранный аппарат
Цитоскелет
Цитоскелет - это совокупность нитевидных белковых структур находящихся в цитоплазме живой клетки и образующих клеточный скелет или каркас. Выделяют несколько основных систем цитослекелета клетки, которые делятся по основным белкам, входящим в состав (кератины, тубулин-динеиновая система или актин-миозиновая система) или по основным структурным элементам, заметным при электронно-микроскопических исследованиях (микрофиламенты, микротрубочки или промежуточные филаменты).
Функции цитоскелета
Цитоскелет выполняет следующие функции:
1. Из названия цитоскелет можно понять его главную функцию. Он является скелетом или каркасом клетки;
2. Он придаёт клетке определённую форму и обеспечивает внутри клетки перемещение и взаимодействие органелл;
3. Цитоскелет может изменяться при изменении внешних условий и состояния клетки;
4. За счёт изменения структуры обеспечивает движение цитоплазмы, изменение формы клеток в процессе роста.
Из определения цитоскелета можно понять, что цитоскелет клетки состоит из белков трёх разных видов. В состав цитосклета входят микрофиламенты, промежуточные филаменты и микротрубочки.
1. Микрофиламентами называются нити, состоящие из молекул глобулярного белка актина, миозина, тропомиозина, актинина. Имеют размер 5-7 нанометров. Состоят из двух перекрученных цепочек белка;
2. Промежуточными филаментами называются нитевидные структуры из особых белков четырёх типов. Имеют размер 10 нанометров;
3. Микротрубочками цитоскелета называют белковые структуры представляющие собой полые цилиндры образованные димерами тубулина. Диаметр цилиндр равен 25 нанометрам. Микротрубочки как и микрофиламенты являются полярными.
Микротрубочки
Микротрубочки, - наиболее крупные компоненты цитоскелета. Они представляют собой полые цилиндрические образования, имеющие форму трубочек, длиной до нескольких микрометров (в жгутиках более 50 нм) диаметром около 24-25 нм, с толщиной стенки 5 нм и диаметром просвета 14-15 нм.
Стенка микротрубочки состоит из спиралевидно уложенных нитей - протофиламентов толщиной 5 нм (которым на поперечном разрезе соответствуют 13 субъединиц), образованных димерами из белковых молекул а~ и /3-тубулина.
Функции микротрубочек:
(1) поддержание формы и полярности клетки, распределения ее компонентов,
(2) обеспечение внутриклеточного транспорта,
(3) обеспечение движения ресничек, хромосом в митозе (формируют ахроматиновое веретено, необходимое для клеточного деления),
(4) образование основы других органелл (центриолей, ресничек).
Расположение микротрубочек. Микротрубочки располагаются в цитоплазме в составе нескольких систем;
а) в виде отдельных элементов, разбросанных по всей цитоплазме и формирующих сети;
б) в пучках, где они связаны тонкими поперечными мостиками (в отростках нейронов, в составе митогяческого веретена, манжетки сперматиды, периферического "кольца" тромбоцитов);
в) частично сливаясь друг с другом с формированием пар, или дублетов (в аксонеме ресничек и жгутиков), и триплетов (в базальном тельце и центриоли).
Образование и разрушение микротрубочек. Микротрубочки представляют собой лабильную систему, в которой имеется равновесие между их постоянной сборкой и диссоциацией. У большинства микротрубочек один конец (обозначаемый как "-") закреплен, а другой ("+") свободен и участвует в их удлинении или деполимеризации. Структурами, обеспечивающими образование микротрубочек, служат особые мел- I кие сферические тельца - сателлиты (от англ, satellite - спутник), отчего последние называют центрами организации микротрубочек (ЦОМТ). Сателлиты содержатся в базалъных тельцах ресничек и клеточном центре. После полного разрушения микротрубочек в цитоплазме они отрастают от клеточного центра со скоростью около 1 мкм/мин., а их сеть вновь восстанавливается менее, чем за полтора часа. К ЦОМТ относят также и центромеры хромосом.
Связь микротрубочек с другими структурами клетки и между собой осуществляется посредством ряда белков, выполняющих различные функции.
(1) Микротрубочки с помощью вспомогательных белков прикреплены к другим клеточным компонентам.
(2) По своей длине микротрубочки образуют многочисленные боковые выросты (которые состоят из белков, ассоциированных с микротрубочками) длиной до нескольких десятков нанометров. Благодаря тому, что такие белки последовательно и обратимо связываются с органеллами, транспортными пузырьками, секреторными гранулами и другими образованиями, микротрубочки (которые сами не обладают сократимостью) обеспечивают • перемещение указанных структур по цитоплазме.
(3) Некоторые белки, ассоциированные с микротрубочками, стабилизируют их структуру, а связываясь с их свободными краями, препятствуют деполимеризации.
Угнетение самосборки микротрубочек посредством ряда веществ, являющихся ингибиторами митоза (колхицин, винбластин, винкристин), вызывает избирательную гибель быстроделящихся клеток. Поэтому некоторые из таких веществ успешно используются для химиотерапии опухолей. Блокаторы микротрубочек нарушают также транспортные процессы в цитоплазме, в частности, секрецию, аксонный транспорт в нейронах. Разрушение микрогрубочек приводит к изменениям формы клетки и дезорганизации ее структуры и распределения органелл.
