Клеточная мембрана и трансмембранный транспорт: пассивный перенос, натрий-калиевый насос, эндоцитоз

Пассивный транспорт протекает самопроизвольно по градиенту концентрации или электрохимическому градиенту без затрат метаболической энергии клетки (свободная энергия Гиббса ΔG < 0):

1. Простая диффузия — перенос малых неполярных гидрофобных молекул прямо через липидный бислой (газы O₂, CO₂, N₂, стероидные гормоны, этанол, мочевина). Скорость диффузии прямо пропорциональна градиенту концентрации (Закон Фика);

2. Осмос — движение молекул растворителя (воды) через полупроницаемую мембрану из области низкой концентрации растворенного вещества (высокого химического потенциала воды) в область высокой концентрации растворенного вещества:

• В гипертоническом растворе (концентрация солей выше 0.9% NaCl) клетка теряет воду, сморщивается (плазмолиз у растений, кренация у эритроцитов);

• В гипотоническом растворе (дистиллированная вода) вода устремляется в клетку, вызывая тургор у растений или гемолиз (разрыв мембраны) у животных эритроцитов;

• В изотоническом растворе (0.9% раствор NaCl — физиологический раствор) наблюдается динамическое равновесие.

За открытие белковых каналов избирательного транспорта воды — аквапоринов П. Эгр получил Нобелевскую премию по химии в 2003 г.

Крупные гидрофильные полярные молекулы (глюкоза, аминокислоты) и заряженные ионы (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl⁻) не способны растворяться в гидрофобном липидном ядре мембраны. Их пассивный перенос осуществляется белками облегченной диффузии:

1. Ионные каналы — гидрофильные поры в мембране, обладающие строгой селективностью (калиевые, натриевые, кальциевые каналы Р. Маккиннона). Каналы бывают потенциал-управляемыми (открываются при изменении мембранного потенциала) и лиганд-управляемыми (открываются при связывании медиатора, например, никотиновый ацетилхолиновый рецептор);

2. Белки-переносчики (транспортеры) — связывают молекулу субстрата с одной стороны мембраны, претерпевают конформационные изменения и высвобождают ее с другой стороны (например, семейство переносчиков глюкозы GLUT-1 - GLUT-4). Скорость облегченной диффузии подчиняется насыщению (достигает V_max при заполнении всех переносчиков).

Активный транспорт осуществляется ПРОТИВ градиента концентрации (или электрохимического градиента) и требует непосредственной затраты энергии (гидролиза АТФ):

Натрий-калиевый насос (Na⁺/K⁺-АТФаза, открыт Й. Скоу в 1957 г., Нобелевская премия 1997 г.):

• Локализация: плазматическая мембрана всех животных клеток (до 30-40% всей энергии АТФ клетки расходуется на работу этого насоса, а в клетках мозга — до 70%!);

• Стехиометрия и цикл работы:

1. Внутри клетки 3 иона Na⁺ связываются с высоким сродством с активным центром АТФазы;

2. Фермент гидролизует 1 молекулу АТФ, присоединяя концевой фосфат к аспартату (фосфорилирование АТФазы);

3. Происходит конформационный переход: белок открывается наружу, снижает сродство к Na⁺ и выбрасывает 3 иона Na⁺ во внеклеточную среду;

4. С наружной стороны с белком связываются 2 иона K⁺;

5. Происходит дефосфорилирование, насос возвращается в исходную конформацию и впрыскивает 2 иона K⁺ внутрь клетки;

• Результат: за 1 цикл расщепляется 1 АТФ, ВЫКАЧИВАЕТСЯ 3 Na⁺ и ЗАКАЧИВАЕТСЯ 2 K⁺. Насос электрогенен (создает отрицательный потенциал покоя внутри клетки -70 мВ), предотвращает осмотическое набухание клетки и поддерживает высокий градиент для вторичного транспорта.

Вторичный активный транспорт использует электрохимический градиент ионов Na⁺, предварительно созданный натрий-калиевым насосом:

• Симпорт (котранспорт) — перенос двух веществ в одном направлении: Na⁺-глюкозный котранспортер (SGLT) в эпителии кишечника и почечных канальцев затягивает 1 молекулу глюкозы против крутого градиента «на плечах» устремляющихся по градиенту 2 ионов Na⁺;

• Антипорт — перенос веществ в противоположных направлениях (Na⁺/Ca²⁺-обменник, Na⁺/H⁺-антипортер);

Везикулярный транспорт (перенос макромолекул в мембранных пузырьках):

1. Эндоцитоз — поглощение веществ внутрь клетки:

• Фагоцитоз — захват крупных твердых частиц (бактерий, клеточного дебриса) с образованием фагосомы (макрофаги, нейтрофилы);

• Пиноцитоз — поглощение капель жидкости с растворенными веществами;

• Рецептор-опосредованный эндоцитоз (клатрин-зависимый захват холестерина в составе ЛПНП);

2. Экзоцитоз — слияние секреторных пузырьков Гольджи с плазмалеммой и выброс содержимого наружу (секреция гормонов, нейромедиаторов).

Ключевое правило ЕНТ по клеточной физиологии:

• ВНУТРИ живой клетки концентрация калия K⁺ ВСЕГДА ВЫСОКАЯ (в 30 раз выше, чем снаружи, около 140 ммоль/л);

• СНАРУЖИ клетки (в межклеточной жидкости и плазме) концентрация натрия Na⁺ ВСЕГДА ВЫСОКАЯ (в 10-15 раз выше, чем внутри, около 145 ммоль/л);

• Для поддержания этого неравновесия клетка непрерывно тратит энергию АТФ на работу натрий-калиевого насоса.