Проникність мембрани та мембранне транспортування білків

Клітинна мембрана практично непроникна для внутрішньоклітинних білків та інших органічних аніонів, що становлять більшість усіх внутрішньоклітинних аніонів. Як звичайно, ці аніони позначають символом А. У разі аналізування проникності мембрани для менших молекул важливо чітко розмежувати власне ліпідний бішар та різноманітні численні транспортні білки, які містяться у ньому. Транспортні білки є трансмембранними, що вибірково сприяють руху кількох, а часто й однієї речовини через мембрану. Ліпідний шар проникний головно для води. Його проникність для інших речовин залежить від їхнього розміру (табл. 1 -7), розчинності та заряду. Такі неполярні, тобто гідрофобні молекули, як 02 та N2, розчиняються в бішарі та легко його проходять. Малі незаряджені полярні (гідрофільні) молекули, наприклад С02, теж швидко дифундують через ліпідні бішари, водночас дифузія великих незаряд-жених полярних молекул, зокрема глюкози та заряджених частинок, тобто йонів, надзвичайно повільна. Однак йони, глюкоза, сечовина, а також багато інших малих молекул in

vivo використовують транспортні білки для проходження через клітинну мембрану, дифузію ж води підсилюють водні канали.

Значно розширює наші знання про транспортні білки техніка петч клемп (прилипання до шматочка плазматичної мембрани). За цією технологією кінець мікропіпетки розміщують на мембрані клітини так, щоб був тісний контакт. Шматочок мембрани під кінчиком піпетки містить лише кілька транспортних білків, які піддають детальному вивченню (рис. 1-28). Є декілька варіантів цієї техніки: клітину можна залишити неушкодженою (прикріплений до клітини захоплений шматочок); шматочок можна відірвати від клітини й отримати відірваний шматочок; можна втягнути шматочок мікропіпеткою, яка прикріплена до решти клітинної мембрани, забезпечивши прямий доступ до вмісту клітини (повне записування клітини).

Деякі транспортні білки є простими водянистими йон-ними каналами. Окремі з них постійно відкриті, тоді як інші мають ворота, які відкриваються і закриваються. Деколи стан воріт залежить від змін мембранного потенціалу (потенціалозалежні ворота), інші можуть відкриватися і закриватися, коли зв’язуються з лігандом (канал, що відкривається/закривається лігандом). Часто ліганд є зовнішнім (наприклад, нейротрансмітер чи гормон). Однак він може бути і внутрішнім. Зокрема, внутрішньоклітинний Са2+, цАМФ чи один з G-білків, продукованих у клітинах (див. нижче), можуть зв’язуватися безпосередньо з каналами й активувати їх. Деякі канали відкриваються внаслідок механічного розтягування. Типовим потенціало-залежним є Ма+-канал (див. нижче), а типовим каналом, що пов’язаний з реакцією лігандів, — рецептор ацетилхоліну (див. Розділ 4).

Інші транспортні білки — це носії, що зв’язують йони та інші молекули, а потім змінюють конфігурацію, пере-

200 п

150-

0

1

^ 100-ш

ш

2

50-

0J

Внутрішньоклітинна рідина

Змішані

фосфати

ИГ

N,-

Білок»

\

нсо3

СГ

Рис. 1-27. Електролітичний склад рідин організму людини. Зверніть увагу на те, що величини виражені в мекв/л води, а не рідини організму (відтворено за дозволом з Jonson LR [editor]: Essential Medical Physiology. Raven Press, 1992).

28 / РОЗДІЛ 1

Таблиця 1-6. Розподіл натрію та калію в організмі людини

Компонент

Вміст, %

Na+

К+

Повністю внутрішньоклітинний

9,0

89,6

Повністю позаклітинний

91,0

10,4

Плазма

11,2

0,4

Інтерстиційна рідина

29,0

1,0

Щільна сполучна тканина та хрящ

11,7

0,4

Кістка

36,51

7,6

Міжклітинне розташування

2,6

1,0

1 3 них 11,0 можуть обмінюватися, а 25,5 — ні.

міщаючи зв’язану молекулу від одного боку клітинної мембрани до іншого. Молекули рухаються з ділянок високої концентрації в ділянки низької (в напрямі зниження їхнього хімічного градієнта), катіони — до негативно заряджених ділянок, а аніони — до позитивно заряджених (у напрямі зниження їхнього електричного градієнта). Процес переміщення білками-носіями речовин у напрямі їхнього хімічного чи електричного градієнтів не передбачає використання енергії. Його називають полегшеною дифузією. Типовим прикладом такого процесу є транспортування глюкози глюкозотранспортером, який переміщає її в напрямі зниження концентраційного градієнта з ПКР до цитоплазми клітини (див. Розділ 19). Інші носії транспортують речовини в напрямі, протилежному до їхніх електричного та хімічного градієнтів. Ця форма транспортування потребує енергії і називається активним транспортуванням. У тваринних клітинах енергія в переважній більшості забезпечена гідролізом АТФ (див. вище, а також Розділ 17).

Таблиця 1-7. Розмір гідратованих йонів та інших біологічно важливих речовин1

Речовина

Атомна чи молекулярна маса

Радіус, нм

сі-

35

0,12

К+

39

0,12

н2о

18

0,12

Са2+

40

0,15

Na+

23

0,18

Сечовина

60

0,23

Li+

7

0,24

Глюкоза

180

0,38

Цукроза

342

0,48

Інулін

5 000

0,75

Альбумін

69 000

7,50

1 Дані взято з Moore EW: Physiology of Intestinal Water and Electrolyte Absorption, American Gastroenterological Association, 1976.

Отже, не дивно, що молекулами-носіями є АТФ-ази -ензими, які каталізують гідроліз АТФ. Одна з цих АТФ-аз — натрій-калій-активована аденозинтрифосфатаза (ТЧа’-К+-АТФ-аза), відома ще як Na~-K+-noMna. Є також КГ-К~-АТФ-ази в слизовій оболонці шлунка (див. Розділ 26) та ниркових канальцях (див. Розділ 38). Зокрема, V-АТФ-ази — це протон-АТФ-ази, що підкиснюють багато внутрішньоклітинних органел, у тому числі частини апарату Ґольджі та лізосоми; F-АТФ-ази наявні в мітохондріях та синтезують АТФ з АДФ. Деякі мембрани містять АТФ-ази, що транспортують Са2+.

Закрито

ц

Закрито

rpTTWj*

мс

Відкрито

Відкрито

С

Шматочок з цілої клітини

Рис. 1-28. Типи захоплених шматочків, які використовують для вивчення активності йонних каналів через клітинну мембрану. На А та В також зображено зміни в мембрані за певний час (модифіковано з Ackerman MJ, Clapman DE: Ion channals: Basic science and clinical desease. N Engl J Med 1997;336:1575).

ЗАГАЛЬНІ ЗАСАДИ ТА КЛІТИННІ ОСНОВИ ФІЗІОЛОГІЇ ЛЮДИНИ / 29

N С

N С

Рис. 1-29. Дві родини К+ каналів. Ліворуч: спрямований внутрішньо ректифікаційний К+ канал. Угорі: зв’язок з клітинними мембранами. Унизу: утворення водянистої пори чотирма субодиницями. Праворуч: потенціалозалежні “ворота” (відтворено за дозволом з Kubo Y et al: Primary structure and functional expression of a mause inward rectifier potassium channel. Nature 1993;362:127).

Деякі транспортні білки називають уніпортами, тому що вони транспортують лише одну речовину. Інші називають симпортами, оскільки цей спосіб транспортування передбачає зв’язування з транспортним білком більше ніж однієї речовини, які разом транспортуються через мембрану. Прикладом є симпорт у слизовій оболонці кишки, що відповідає за спільне транспортування у разі полегшеної дифузії Na+ та глюкози з кишкового просвіту в клітини слизової оболонки (див. Розділ 25). Інші транспортери називають антипортами, оскільки вони замінюють одні речовини іншими. Типовим антипортом є згадана вище Na+-K+-ATO-a3a: на кожні три Na+, які вона переміщує з клітини, припадають два Кг, які вона переносить у клітину.

Вільям Ф. Ґанонґ. Фізіологія людини