Мембранный транспорт

Транспортировка растворенных веществ через мембраны

В клеточной биологии мембранный транспорт относится к набору механизмов, которые регулируют прохождение растворенных веществ, таких как ионы и малые молекулы , через биологические мембраны , которые представляют собой липидные бислои , содержащие встроенные в них белки . Регулирование прохождения через мембрану обусловлено избирательной проницаемостью мембраны — характеристикой биологических мембран, которая позволяет им разделять вещества различной химической природы. Другими словами, они могут быть проницаемы для определенных веществ, но не для других. ^[1]

Перемещения большинства растворенных веществ через мембрану опосредуются мембранными транспортными белками , которые в разной степени специализированы в транспорте определенных молекул. Поскольку разнообразие и физиология отдельных клеток тесно связаны с их способностью привлекать различные внешние элементы, постулируется, что существует группа специфических транспортных белков для каждого типа клеток и для каждой конкретной физиологической стадии. ^[1] Эта дифференциальная экспрессия регулируется посредством дифференциальной транскрипции генов , кодирующих эти белки, и ее трансляции, например, посредством генетико-молекулярных механизмов, но также и на уровне биологии клетки: выработка этих белков может быть активирована клеточными сигнальными путями , на биохимическом уровне или даже путем размещения в цитоплазматических пузырьках. Клеточная мембрана регулирует транспорт материалов, поступающих в клетку и выходящих из нее. ^[2]

Фон

Термодинамически поток веществ из одного отсека в другой может происходить в направлении градиента концентрации или электрохимического градиента или против него. Если обмен веществ происходит в направлении градиента, то есть в направлении уменьшения потенциала, то нет необходимости во вводе энергии извне системы; если же транспорт происходит против градиента, то потребуется ввод энергии, в данном случае метаболической энергии. ^[3] Например, классический химический механизм разделения, не требующий добавления внешней энергии, — это диализ. В этой системе полупроницаемая мембрана разделяет два раствора разной концентрации одного и того же растворенного вещества. Если мембрана пропускает воду, но не растворенное вещество, то вода будет перемещаться в отсек с наибольшей концентрацией растворенного вещества, чтобы установить равновесие, в котором энергия системы будет минимальной. Это происходит, потому что вода перемещается из высокой концентрации растворителя в низкую (с точки зрения растворенного вещества происходит обратное), и потому что вода движется по градиенту, то нет необходимости во внешнем вводе 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 на фосфолипиде 8. периферический монотопный белок (здесь гликопротеин)

Природа биологических мембран, особенно липидов, амфифильна , поскольку они образуют бислои, содержащие внутренний гидрофобный слой и внешний гидрофильный слой. Такая 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 перемещаться не только в ответ на градиент концентрации, но и на электрохимический градиент, обусловленный мембранным потенциалом .

Поскольку лишь немногие молекулы способны диффундировать через липидную мембрану, большинство транспортных процессов включают транспортные белки. Эти трансмембранные белки обладают большим количеством альфа-спиралей, погруженных в липидную матрицу. У бактерий эти белки присутствуют в форме бета-ламины. ^[4] Эта структура, вероятно, включает в себя канал через гидрофильную белковую среду, которая вызывает нарушение в высокогидрофобной среде, образованной липидами. ^[1] Эти белки могут быть вовлечены в транспорт несколькими способами: они действуют как насосы, приводимые в действие 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 энергией , Δ G , для переноса моля вещества с концентрацией C ₁ в одном отсеке в другой отсек, где оно присутствует в C _2, равен: ^[5]

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

Когда C ₂ меньше C ₁ , Δ G отрицателен, и процесс термодинамически выгоден. Поскольку энергия передается из одного отсека в другой, за исключением случаев, когда вмешиваются другие факторы, равновесие будет достигнуто, где C ₂ =C ₁ , и где Δ G  = 0. Однако есть три обстоятельства, при которых это равновесие не будет достигнуто, обстоятельства, которые имеют жизненно важное значение для функционирования биологических мембран in vivo : ^[5]

• Макромолекулы на одной стороне мембраны могут связываться преимущественно с определенным компонентом мембраны или химически модифицировать ее. Таким образом, хотя концентрация растворенного вещества может быть фактически разной по обе стороны мембраны, доступность растворенного вещества снижается в одном из отсеков до такой степени, что для практических целей не существует градиента, управляющего транспортом.
• Может существовать мембранный электрический потенциал , который может влиять на распределение ионов. Например, для переноса ионов извне вовнутрь возможно, что:

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

Где F — постоянная Фарадея , а Δ P — мембранный потенциал в вольтах . Если Δ P отрицательно, а Z положительно, вклад члена ZFΔP в Δ G будет отрицательным, то есть он будет способствовать транспорту катионов из внутренней части клетки. Таким образом, если разность потенциалов сохраняется, равновесное состояние Δ G  = 0 не будет соответствовать эквимолярной концентрации ионов по обе стороны мембраны.

• Если процесс с отрицательным Δ G связан с процессом переноса, то глобальный Δ G будет изменен. Такая ситуация обычна для активного переноса и описывается следующим образом:

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

Где Δ G ^b соответствует благоприятной термодинамической реакции, такой как гидролиз АТФ или котранспорт соединения, которое перемещается в направлении его градиента.

Виды транспорта

Пассивная диффузия и активная диффузия

^[6] Полупроницаемая мембрана разделяет два отсека с различными концентрациями растворенного вещества: со временем растворенное вещество будет диффундировать до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие.

Как упоминалось выше, пассивная диффузия — это спонтанное явление, которое увеличивает энтропию системы и уменьшает свободную энергию. ^[5] На процесс переноса 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 сопутствующий транспорт

При активном транспорте растворенное вещество перемещается против градиента концентрации или электрохимического градиента; при этом задействованные транспортные белки потребляют метаболическую энергию, обычно АТФ. При первичном активном транспорте гидролиз поставщика энергии (например, АТФ) происходит напрямую для транспортировки рассматриваемого растворенного вещества, например, когда транспортные белки являются ферментами АТФазы . Когда гидролиз поставщика энергии является косвенным, 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, что приводит к рассеиванию градиента растворенного вещества. Может показаться, что в этом примере нет потребления энергии, но гидролиз поставщика энергии необходим для установления градиента растворенного вещества, транспортируемого вместе с целевым соединением. Градиент совместно транспортируемого растворенного вещества будет генерироваться с помощью определенных типов белков, называемых биохимическими насосами. ^[2]

Открытие существования этого типа транспортного белка произошло в результате изучения кинетики кросс-мембранного 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 ответ типа логарифмической кривой. Это было интерпретировано как демонстрация того, что транспорт был опосредован образованием комплекса субстрат-транспортер, который концептуально совпадает с комплексом фермент-субстрат в ферментативной кинетике . Следовательно, каждый транспортный белок имеет константу сродства к растворенному веществу, которая равна концентрации растворенного вещества, когда скорость транспорта составляет половину ее максимального значения. Это эквивалентно в случае фермента константе Михаэлиса-Ментен . ^{[7] [8]}

Некоторые важные особенности активного транспорта, помимо его способности действовать даже против градиента, его кинетики и использования АТФ, включают его высокую селективность и простоту избирательного фармакологического ингибирования ^[7].

Вторичные активные транспортные белки

Унипорт, симпорт и антипорт молекул через мембраны.

Вторичные активные транспортные белки перемещают две молекулы одновременно: одну против градиента, а другую по его градиенту. Они различаются по направленности двух молекул:

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

Оба они могут быть названы котранспортерами .

Насосы

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

Насос — это белок, который гидролизует АТФ для транспортировки определенного растворенного вещества через мембрану, и при этом создает электрохимический градиент мембранного потенциала . Этот градиент представляет интерес как индикатор состояния клетки через такие параметры, как потенциал Нернста . С точки зрения мембранного транспорта градиент представляет интерес, поскольку он способствует снижению энтропии системы при котранспорте веществ против их градиента. Одним из важнейших насосов в клетках животных является натрий-калиевый насос , который работает по следующему механизму: ^[9]

1. связывание трех ионов Na ⁺ с их активными центрами на насосе, которые связаны с АТФ.
2. АТФ гидролизуется, что приводит к фосфорилированию цитоплазматической стороны насоса, что вызывает изменение структуры белка. Фосфорилирование вызывается переносом терминальной группы АТФ на остаток аспартата в транспортном белке и последующим высвобождением АДФ.
3. изменение структуры насоса выставляет Na ⁺ наружу. Фосфорилированная форма насоса имеет низкое сродство к ионам Na ⁺ , поэтому они высвобождаются.
4. После освобождения ионов Na ^{+ насос связывает две молекулы K +} с соответствующими им сайтами связывания на внеклеточной стороне транспортного белка. Это вызывает дефосфорилирование насоса, возвращая его в предыдущее конформационное состояние, транспортируя ионы K ⁺ в клетку.
5. Нефосфорилированная форма насоса имеет более высокое сродство к ионам Na ⁺ , чем к ионам K ⁺ , поэтому два связанных иона K ⁺ высвобождаются в цитозоль . АТФ связывается, и процесс начинается снова.

Селективность мембраны

Поскольку основной характеристикой транспорта через биологическую мембрану является ее селективность и ее последующее поведение в качестве барьера для определенных веществ, физиология, лежащая в основе этого явления, была тщательно изучена. Исследования селективности мембраны 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 химическим видом, можно было бы априори предположить , что канал, диаметр пор которого достаточен для пропуска одного иона, также позволит переносить другие, меньшие по размеру, однако в большинстве случаев этого не происходит. Наряду с размером существуют две характеристики, которые важны для определения селективности мембранных пор: способность к дегидратации и взаимодействие иона с внутренними зарядами поры. ^[7]
Для того чтобы ион прошел через пору, он должен диссоциировать от молекул воды, которые покрывают его последовательными слоями сольватации . Склонность к дегидратации или способность делать это связана с размером иона: более крупные ионы могут сделать это легче, чем более мелкие, так что пора со слабыми полярными центрами будет преимущественно пропускать более крупные ионы, чем более мелкие. ^[7] Когда внутренняя часть канала состоит из полярных групп из боковых цепей составляющих аминокислот, ^[9] взаимодействие дегидратированного иона с этими центрами может быть более важным, чем возможность дегидратации, в придании специфичности канала. Например, канал, состоящий из гистидинов и аргининов с положительно заряженными группами, будет избирательно отталкивать ионы той же полярности, но будет способствовать прохождению отрицательно заряженных ионов. Кроме того, в этом случае самые маленькие ионы смогут взаимодействовать более тесно из-за пространственного расположения молекулы (стеричности), что значительно увеличивает заряд-зарядные взаимодействия и, следовательно, преувеличивает эффект. ^[7]

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, как правило, зависит от коэффициента распределения K. 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, который бы ограничивал этот транспорт, что указывает на внутреннюю уязвимость клеток к проникновению этих молекул. ^[7]

Создание мембранных транспортных белков

Существует несколько баз данных, которые пытаются построить филогенетические деревья, детализирующие создание транспортных белков. Одним из таких ресурсов является база данных Transporter Classification ^[10]

Смотрите также

• Клеточный транспорт
• Скрамблазы

Ссылки

1. Лодиш; и др. (2005). Biologia celular y молекулярная (Буэнос-Айрес: изд. Médica Panamericana). Эд. Медика Панамерикана. ISBN 950-06-1374-3.
2. Альбертс; и др. (2004). Молекулярная биология клетки (Барселона: изд. Омега). Ediciones Omega, Sa ISBN 84-282-1351-8.
3. Кромер, AH (1996). Física para ciencias de la vida (на испанском языке) (ред. Reverté ediciones). Откат. ISBN 84-291-1808-X.
4. Прескотт, LM (1999). Микробиология (McGraw-Hill Interamericana de España, изд. SAU). МакГроу-Хилл Интерамерикана. ISBN 84-486-0261-7.
5. Mathews CK; Van Holde, KE; Ahern, KG (2003). Bioquímica (3-е изд.). Pearson Education. ISBN 84-7829-053-2.
6. Захери, Шади и Хассанипур, Фатемех (2020). «Комплексный подход к математическому моделированию массопереноса в биологических системах: фундаментальные концепции и модели». Международный журнал по тепло- и массообмену . 158 : 119777. doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119777 . S2CID  225223363.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
7. Рэндалл Д; Бурггрен, В.; Френч, К. (1998). Экерт Физиология животных (4-е изд.). ISBN 84-486-0200-5.
8. Захери, Шади; Хассанипур, Фатемех (2020). «Комплексный подход к математическому моделированию массопереноса в биологических системах: фундаментальные концепции и модели». Международный журнал по тепло- и массообмену . 158 : 199777. doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119777 . S2CID  225223363.
9. Lehninger, Albert (1993). Principles of Biochemistry, 2nd Ed (Worth Publishers ed.). Worth Publishers. ISBN 0-87901-711-2.
10. "База данных классификации транспортных средств". Архивировано из оригинала 3 января 2014 года . Получено 15 июля 2010 года .