Перенос веществ через мембраны

Избирательная проницаемость реализуется путем пассивного транспорта (без затрат энергии) и активного (с затратой энергии). Существуют два вида пассивного транспорта: диффузия и облегченная диффузия.Путем диффузии осуществляются движения молекул газов (О₂, СО_2, N₂) и воды в обоих направлениях по градиенту концентрации или электрохимическому градиенту. Облегченная диффузия является специфическим видом транспорта. Она осуществляется с участием компонентов мембраны (белки-переносчики, каналы).

Существуют многочисленные белки-переносчики и ионные каналы. Хорошим примером может служить белок-переносчик, обеспечивающий двунаправленное (из клетки и в клетку) движение анионов (Cl^- и HCO^-₃) через эритроцитарную мембрану. Перенос глюкозы в клетку также осуществляют интегральные гликопротеины. Гормон инсулин мобилизует перемещение этих белков-переносчиков из цитоплазмы в плазматическую мембрану, при этом ускоряется транспорт глюкозы в клетку. Известно не менее шести кодируемых генами ГЛУТ (GLUT) трансмембранных переносчиков глюкозы из внеклеточной среды. Такие переносчики находятся в нервной ткани, в эпителии кишечника, эпителии канальцев почек, сперматозоидах и др. Точечная мутация гена ГЛУТ2 является причиной инсулиннезависимого сахарного диабета.

Транспорт аминокислот также осуществляется с помощью белков-переносчиков. Несколько мутаций гена SLC3А1, кодирующего транспортный белок-переносчик цистеина, сопровождается избыточной секрецией этой плохо растворимой аминокислоты и проводит к образованию камней в почках. Известно не менее десятка переносчиков различных аминокислот.

Обратное всасывание фосфатов происходит в проксимальных канальцах нефрона при помощи двух кодируемых генами NPТ2 переносчиков. Дефекты этих генов являются причиной некоторых болезней, в том числе рахита, который невозможно вылечить витамином Д.

Важными элементами в системе пассивного транспорта являются регулируемые поры, обычно именуемые ионными каналами. Ионные каналы состоят из нескольких связанных белковых субъединиц, формирующих в мембране небольшую пору. Через пору по электрохимическому градиенту проходят ионы Na⁺,K⁺,Ca²⁺,Cl^-. Калиевые каналы – интегральные мембранные белки, обнаружены в плазматической мембране всех клеток. Эти каналы участвуют в поддержании мембранного потенциала, регуляции объема клетки и др. Калиевый канал регулирует в β-клетках островков Лангерганса секрецию инсулина в ответ на повышение содержания глюкозы в крови.

Натриевые каналы присутствуют практически в любой клетке. В возбудимых структурах (скелетные мышечные волокна, нейроны, кардиомиоциты) натриевые каналы генерируют потенциал действия. Это плазмалемма нервных клеток, кардиомиоцитов и мышечных волокон, сперматозоидов, чувствительных клеток органов чувств. Натриевые каналы открываются только при возбуждении. (В сетчатке глаза Na^+-каналы при возбуждении закрываются, тогда, как в покое открыты). Через открывающиеся Na⁺ каналы ионы Na⁺ устремляются внутрь клетки по градиенту концентрации и заряда. При этом происходит снижение трансмембранного потенциала с –75мВ до +30мВ. Возникновение положительной разности потенциалов (деполяризация) индуцирует закрытие Na^+-каналов. Таким образом, Na^+-каналы являются важнейшими структурами в развитии таких процессов, как возбуждение мембраны (вне синапса) и проведение возбуждения по мембране.

На функцию Na^+-каналов влияют ионы Са⁺⁺: чем выше их внеклеточная концентрация, тем трудней открываются Na⁺ каналы. В итоге ионы Са⁺⁺ уменьшают возбудимость мембраны. При гипокальцемии (которая может возникать при удалении паращитовидных желез) в нервных и мышечных тканях значительно повышается возбудимость мембран. Функцию натриевых каналов могут блокировать многие агенты: местные обезболивающие вещества, противосудорожные препараты, токсины, и мн.др.

Антагонистами натриевых каналов (блокирующих их функцию) являются такие яды как тетродотоксин, батрахотоксин. Батрахотоксин (полулетальная доза + 2мг/кг) выделен из кожных желез маленькой (2-3см) колумбийской древесной лягушки. Индейцы ядом из этих лягушек смазывали наконечники стрел. Раньше батрахотоксин считался «самым сильным» небелковым ядом в природе. Сейчас он переместился с первого места на четвертое.

Тетродотоксин – один из самых знаменитых животных ядов. Он содержится в коже и яйцах некоторых жаб, в яйцах калифорнийского тритона, в слюнных железах осьминога. Но наибольшую известность ему принесла рыба фугу, у которой яд содержится в яичниках и печени. Для тетродотоксина полулетальная доза 10мкг/кг (1мкг – миллионная доля грамма). Тетродотоксин относится к нейротропным ядам, которые блокируют проницаемость мембран нейронов вегетативной нервной системы для ионов натрия, что практически мгновенно прерывает нервный импульс.

Каналы водные (аквапорины) – семейство мембранных пор, предназначенные для облегченной диффузии воды. Молекулы воды способны пересекать липидный бислой плазматических мембран. Этому способствуют малые размеры молекулы воды и отсутствие у неё заряда. Однако в некоторых тканях (клетки почечных канальцев, секреторные эпителиальные клетки желез, например, слюнных, слезных и др.), где транспорт воды особенно интенсивен, простой диффузии воды недостаточно для нормального функционирования. В мембранах таких клеток присутствует особый белок – аквапорин, который обеспечивает свободное движение воды через мембрану. Известны 5 типов белков, формирующих водные каналы. Аквапорин 1 экспрессируется в эритроцитах, проксимальных извитых канальцах и петле Генле, тканях глаза; аквапорин 2 – формирует каналы в собирательных трубочках почки. Активность этого канала регулирует антидиуретический гормон (АДГ), увеличивая реабсорбцию воды из просвета трубочек в межклеточное пространство. Нефрогенный несахарный диабет – следствие мутации гена (АQP 2, 107777, 12 q 13) аквапорина 2. Аквапорин 3 – образует водные каналы в печени поджелудочной железе, кишечнике, селезенке, простате; аквапорин 4 – экспрессируется в клетках сосудистого сплетения мозга (этот канал является осморецептором); аквапорин 5 – транспортирует воду в слезных и слюнных железах.

Мембранные каналы для молекулы воды впервые выделил в 1988г. американец Питер Эгр из университета Джона Хопкинса (Балтимор). За исследование белков, служащих каналами для воды и ионов калия, Питер Эгр и Родерик Мак-Киннон удостоены в 2003г. Нобелевской премии.