Gliukozės suvartojimas ląstelėse iš kraujotakos taip pat vyksta dėl palengvintos difuzijos.. Todėl transmembraninio gliukozės srauto greitis priklauso tik nuo jos koncentracijos gradiento. Išimtis yra raumenų ir riebalinio audinio ląstelėse, kur palengvintą difuziją reguliuoja insulinas . Nesant insulino, šių ląstelių plazminė membrana yra nelaidi gliukozei, nes joje nėra gliukozę nešančių baltymų (transporterių). .
Gliukozės transporteriai taip pat vadinami gliukozės receptoriais. Transporteris turi gliukozės surišimo vietą membranos išorėje. Pridėjus gliukozės, pasikeičia baltymo konformacija, dėl to gliukozė yra susieta su baltymu toje srityje, kuri yra nukreipta į ląstelės vidų. Tada gliukozė atskiriama nuo transporterio ir patenka į ląstelę.
Supaprastinta difuzija, palyginti su aktyviu transportavimu, neleidžia jonams transportuoti kartu su gliukoze, jei ji transportuojama koncentracijos gradientu..
Angliavandenių absorbcija žarnyne.
Monosacharidai absorbuojami iš žarnyno palengvinta difuzija specialių nešančiųjų baltymų (transporterių) pagalba. Be to, gliukozė ir galaktozė į enterocitus transportuojamos antrinis aktyvusis transportas, priklauso nuo natrio jonų koncentracijos gradiento. Nuo Na + gradiento priklausomi transporteriniai baltymai užtikrina gliukozės absorbciją iš žarnyno spindžio į enterocitus prieš koncentracijos gradientą. Šiam transportavimui reikalingą Na + koncentraciją užtikrina Na + ,K + -ATPazė, kuri veikia kaip siurblys, išsiurbdama Na + iš ląstelės mainais į K +.
Skirtingai nuo gliukozės, fruktozę transportuoja sistema, nepriklausoma nuo natrio gradiento.
Gliukozės transporteriai(GLUT) randama visuose audiniuose. Yra kelios GLUT atmainos, jos sunumeruotos pagal aptikimo tvarką.
GLUT šeimos baltymų struktūra skiriasi nuo baltymų, kurie perneša gliukozę per membraną žarnyne ir inkstuose pagal koncentracijos gradientą.
Aprašyti 5 GLUT tipai turi panašią pirminę struktūrą ir domeno organizavimą.
GLUT-1 užtikrina pastovų gliukozės patekimą į smegenis;
GLUT-2 randamas organų ląstelėse, kurios išskiria gliukozę į kraują. Būtent dalyvaujant GLUT-2 gliukozė patenka į kraują iš enterocitų ir kepenų. GLUT-2 dalyvauja pernešant gliukozę į kasos β ląsteles;
GLUT-3 turi didesnį afinitetą gliukozei nei GLUT-1. Jis taip pat užtikrina nuolatinį gliukozės tiekimą nervų ir kitų audinių ląstelėms;
GLUT-4 yra pagrindinis gliukozės nešiklis į raumenų ląsteles ir riebalinį audinį;
GLUT-5 daugiausia randamas plonosios žarnos ląstelėse. Jo funkcijos nėra gerai žinomos.
Visų tipų GLUT galima rasti tiek plazmos membranoje, tiek citozolinėse pūslelėse. GLUT-4 (ir kiek mažesniu mastu GLUT-1) beveik visiškai yra ląstelių citoplazmoje. Dėl insulino įtakos tokioms ląstelėms pūslelės, turinčios GLUT, patenka į plazmos membraną, susilieja su ja ir į membraną įsijungia transporteriai. Po to galimas palengvintas gliukozės pernešimas į šias ląsteles. Sumažėjus insulino koncentracijai kraujyje, gliukozės pernešėjai vėl juda į citoplazmą, o gliukozės tekėjimas į ląstelę sustoja.
Gliukozės judėjimas iš pirminio šlapimo į inkstų kanalėlių ląsteles vyksta antriniu aktyviu transportavimu, panašiai kaip gliukozės absorbcija iš žarnyno spindžio į enterocitus. Dėl šios priežasties gliukozė gali patekti į ląsteles, net jei jos koncentracija pirminiame šlapime yra mažesnė nei ląstelėse. Šiuo atveju gliukozė iš pirminio šlapimo reabsorbuojama beveik visiškai (99%).
Žinomi įvairūs gliukozės pernešėjų darbo sutrikimai. Paveldimas šių baltymų defektas gali būti nuo insulino nepriklausomo cukrinio diabeto priežastis. Tuo pačiu metu ne tik paties baltymo defektas gali būti gliukozės transporterio gedimo priežastis. GLUT-4 funkcijos pažeidimai galimi šiais etapais:
insulino signalo apie šio transporterio judėjimą perdavimas į membraną;
transporterio judėjimas citoplazmoje;
įtraukimas į membraną;
membranos nuvarstymas ir kt.
galutinis angliavandenių hidrolizės produktai V virškinimo trakto yra tik trys medžiagos: gliukozė, fruktozė ir galaktozė. Tuo pačiu metu gliukozė sudaro beveik 80% viso šių monosacharidų kiekio. Po absorbcijos žarnyne didžioji dalis fruktozės ir beveik visa galaktozė kepenyse paverčiama gliukoze. Dėl to kraujyje yra tik nedidelis kiekis fruktozės ir galaktozės. Dėl transformacijos procesų gliukozė tampa vienintele angliavandenių, pernešamų į visas kūno ląsteles, atstove.
Atitinkami fermentai, būtini kepenų ląstelėms užtikrinti monosacharidų – gliukozės, fruktozės ir galaktozės – abipusio virsmo procesus, pavaizduoti paveikslėlyje. Dėl šių reakcijų, kai kepenys išskiria monosacharidus atgal į kraują, galutinis produktas, kuris patenka į kraują, yra gliukozė. Šio reiškinio priežastis yra ta, kad kepenų ląstelėse yra daug gliukozės fosfatazės, todėl gliukozės-6-fosfatas gali būti suskaidytas į gliukozę ir fosfatą. Tada gliukozė per ląstelių membranas pernešama atgal į kraują.
Norėčiau daugiau kartus pabraukti kad paprastai daugiau nei 95 % visų kraujyje cirkuliuojančių monosacharidų sudaro galutinis transformacijos produktas – gliukozė.
Gliukozės pernešimas per ląstelės membraną. Kad audinių ląstelės galėtų naudoti gliukozę, ji turi būti pernešta per ląstelių membranas į citoplazmą. Tačiau gliukozė negali laisvai pasklisti per ląstelių membranų poras, nes didžiausia dalelių molekulinė masė turėtų būti vidutiniškai 100, o gliukozės molekulinė masė – 180. Tačiau dėl palengvinto difuzijos mechanizmo gliukozė gana lengvai gali patekti į ląsteles. Šio mechanizmo pagrindai buvo aptarti 4 skyriuje, prisiminkime pagrindinius jo dalykus.
Vaizdo įrašas: ląstelių intarpai
kiaurai ir kiaurai ląstelių lipidų membrana, baltymai nešikliai, kurių membranoje yra pakankamai daug, gali sąveikauti su gliukoze. Tokioje surištoje formoje gliukozę baltymas nešiklis gali pernešti iš vienos membranos pusės į kitą ir ten atskirti – jei vienoje membranos pusėje gliukozės koncentracija yra didesnė nei kitoje, gliukozė bus pernešta į kur jo koncentracija mažesnė, o ne priešinga kryptimi. Gliukozės pernešimas per ląstelių membranas daugumoje audinių smarkiai skiriasi nuo stebimo virškinimo trakte arba inkstų kanalėlių epitelio ląstelėse.
Vaizdo įrašas: medicinos
Abiejose minėtose gliukozės transportavimo atvejų tarpininkauja aktyvaus natrio transportavimo mechanizmas. Aktyvus natrio pernešimas suteikia energijos gliukozės pasisavinimui, atsižvelgiant į koncentracijos gradientą. Šis su natriu susietas aktyvus gliukozės transportavimo mechanizmas atsiranda tik specializuotose epitelio ląstelėse, pritaikytose aktyviam gliukozės absorbcijos procesui. Kitose ląstelių membranose gliukozė pernešama tik iš didelės koncentracijos zonų į mažos koncentracijos sritis palengvinto difuzijos mechanizmo dėka, o tai įmanoma dėl ypatingų membranoje esančio gliukozės transportavimo baltymo savybių.
Gliukozės pernešėjų perkėlimas į ląstelės membraną pastebimas jau po kelių minučių po insulino sąveikos su receptoriumi, o norint pagreitinti arba palaikyti baltymų pernešėjų perdirbimo procesą, reikalingas tolesnis stimuliuojantis insulino poveikis.
Buvo nustatytos dvi gliukozės transporterių klasės: Na+-gliukozės kotransporteris ir penkios vidinių gliukozės pernešėjų izoformos. Šių autorių teigimu, Na+-gliukozės kotransporterį arba simporterį išreiškia specializuotos plonosios žarnos epitelio blakstienos ląstelės ir proksimaliniai inkstų kanalėliai. Šis baltymas aktyviai perneša gliukozę iš žarnyno spindžio arba nefrono prieš jo koncentracijos gradientą, jungdamas gliukozę su tais natrio jonais, kurie transportuojami žemiau koncentracijos gradiento. Na+ koncentracijos gradientas palaikomas aktyvaus natrio transporterio baltymo per pasienio blakstienos ląstelių paviršių per membraną surištą Na+, nuo K+ priklausomą ATPazę. Šio transporterio baltymo molekulė susideda iš 664 aminorūgščių liekanų, jos sintezę koduoja 22-oje chromosomoje esantis genas.
Antrajai gliukozės pernešėjų klasei atstovauja vietiniai gliukozės transporteriai. Tai membraniniai baltymai, esantys visų ląstelių paviršiuje ir per atitinkamą difuziją transportuojantys gliukozę žemiau jos koncentracijos gradiento, t.y. pasyviuoju transportu, kai gliukozės perkėlimas per ląstelės bilipidinę membraną pagreitinamas su membrana susietu transportiniu baltymu. Gliukozės transporteriai pirmiausia perneša gliukozę ne tik į ląstelę, bet ir iš ląstelės. II klasės transporteriai taip pat dalyvauja tarpląsteliniame gliukozės judėjime. Gliukozė absorbuojama ant epitelio ląstelių paviršiaus, nukreipto į žarnyno arba nefrono spindį, naudojant Na+-gliukozės kotransporterį.
Gliukozės transporterių ekspresiją reguliuojantys veiksniai yra insulinas, augimo faktoriai, geriamieji vaistai nuo diabeto, vanadis, gliukokortikoidai, cAMP, badas, ląstelių diferenciacija ir proteinkinazė C.
GLUT-1(eritrocitų tipas) – pirmasis klonuotas baltymas transporteris. Šį baltymą koduojantis genas yra ant I-oji chromosoma. GLUT-1 ekspresuojamas daugelyje audinių ir ląstelių: eritrocituose, placentoje, inkstuose, storojoje žarnoje. Pasak K. Kaestner ir kt. (1991), GLUT-1 ir GLUT-4 sintezė adipocituose yra transkripcijos būdu reguliuojama cAMP abipusiu būdu. Be to, GLUT-1 ekspresija raumenyse skatinama slopinant N-susietą glikozilinimą.
GLUT-2(kepenų tipas) sintetinamas tik kepenyse, inkstuose, plonojoje žarnoje (bazolateralinėje membranoje) ir kasos b ląstelėse. GLUT-2 molekulėje yra 524 aminorūgščių liekanos. Šį baltymą koduojantis genas yra 3-ioje chromosomoje. Pasikeitus GLUT-2 kiekiui arba struktūrinei formai, sumažėja b-ląstelių jautrumas gliukozei. Tai atsitinka, kai diabetas II tipo, kai yra GLUT-2 ekspresijos indukcija proksimaliniuose inkstų kanalėliuose, o GLUT-2 mRNR kiekis padidėja 6,5 karto, o GLUT-1 mRNR kiekis sumažėja iki 72% normos.
GLUT-3(smegenų tipas) yra išreikštas daugelyje audinių: smegenyse, placentoje, inkstuose, vaisiaus griaučių raumenyse (šio baltymo lygis suaugusiųjų skeleto raumenyse yra žemas). GLUT-3 molekulė susideda iš 496 aminorūgščių liekanų. Šį baltymą koduojantis genas yra 12-oje chromosomoje.
GLUT-4(raumenų-riebalinio tipo) randama audiniuose, kuriuose gliukozės transportavimas greitai ir reikšmingai padidėja po insulino poveikio: skeleto baltuosiuose ir raudonuosiuose raumenyse, baltame ir rudajame riebaliniame audinyje, širdies raumenyse. Baltymų molekulė susideda iš 509 aminorūgščių liekanų. Genas, koduojantis GLUT-4, yra lokalizuotas 17-oje chromosomoje. Pagrindinė ląstelių atsparumo insulinui priežastis, sergant nutukimu ir nuo insulino nepriklausomu diabetu (INZD), W. Garvey ir kt. (1991), yra prieštransliacinis GLUT-4 sintezės slopinimas, tačiau jo kiekis I ir II tipo raumenų skaidulose pacientams, sergantiems NIDDM, turintiems nutukimą ir sutrikusią gliukozės toleranciją, yra vienodas. Šių pacientų raumenų atsparumas insulinui greičiausiai siejamas ne su GLUT-4 kiekio sumažėjimu, o su jų funkcinės veiklos pasikeitimu ar translokacijos pažeidimu.
GLUT-5(žarnyno tipo) yra plonojoje žarnoje, inkstuose, griaučių raumenyse ir riebaliniame audinyje. Šio baltymo molekulė susideda iš 501 aminorūgšties liekanos. Baltymų sintezę koduojantis genas yra 1-oje chromosomoje.
gliukozės transportavimas. Gliukozės transportavimas gali vykti ir kaip palengvinta difuzija, ir kaip aktyvus pernešimas, pirmuoju atveju jis vyksta kaip vienetas, antruoju - kaip simptomas. Gliukozė gali būti transportuojama į eritrocitus palengvintos difuzijos būdu. Gliukozės transportavimo į eritrocitus Michaelio konstanta (Km) yra maždaug 1,5 mmol/L (t. y. esant tokiai gliukozės koncentracijai apie 50 % turimų permeazės molekulių bus susieta su gliukozės molekulėmis). Kadangi gliukozės koncentracija žmogaus kraujyje yra 4-6 mmol / l, eritrocitai ją absorbuoja beveik maksimaliai. Permeazės specifiškumas pasireiškia jau tuo, kad L-izomeras beveik nepernešamas į eritrocitus, priešingai nei D-galaktozė ir D-mannozė, tačiau norint pasiekti perpusinį transportavimo sistemos prisotinimą, reikia didesnės jų koncentracijos. Patekusi į ląstelę, gliukozė yra fosforilinama ir nebegali išeiti iš ląstelės. Gliukozės permeazė taip pat vadinama D-heksozės permeaze. Tai vientisas membraninis baltymas, kurio molekulinė masė yra 45 kD.
Gliukozę taip pat gali transportuoti nuo Na + priklausoma simpportų sistema, randama daugelio audinių plazminėse membranose, įskaitant inkstų kanalėlius ir žarnyno epitelį. Šiuo atveju viena gliukozės molekulė yra pernešama palengvintos difuzijos būdu prieš koncentracijos gradientą, o vienas Na jonas transportuojamas išilgai koncentracijos gradiento. Visa sistema galiausiai veikia per Na + /K + -ATPAzės siurbimo funkciją. Taigi simport yra antrinė aktyvi transporto sistema. Panašiai pernešamos ir aminorūgštys.
Ca2+ siurblys
Ca 2+ -siurblys yra aktyvi E 1 - E 2 tipo transporto sistema, susidedanti iš vientiso membraninio baltymo, kuris Ca 2+ pernešimo procese fosforilinamas ties aspartato liekana. Kiekvienos ATP molekulės hidrolizės metu perkeliami du Ca 2+ jonai. Eukariotinėse ląstelėse Ca 2+ gali prisijungti prie kalcį jungiančio baltymo, vadinamo kalmodulinas, o visas kompleksas jungiasi prie Ca 2+ siurblio. Ca 2+ surišantys baltymai taip pat apima troponiną C ir parvalbuminą.
Ca jonus, kaip ir Na jonus, iš ląstelių aktyviai pašalina Ca 2+ -ATPazė. Endoplazminio tinklo membranose yra ypač daug kalcio siurblio baltymo. Grandinė cheminės reakcijos, sukelianti ATP hidrolizę ir Ca 2+ pernešimą, galima parašyti kaip tokias lygtis:
2Ca n + ATP + E 1 Ca 2 - E - P + ADP
Ca 2 - E - P 2Ca išorinis + PO 4 3 - + E 2
Kur Ca n - Ca 2+ yra išorėje;
Ca ext - Ca 2+ esantis viduje;
E 1 ir E 2 – skirtingos nešiklio fermento konformacijos, kurių perėjimas iš vieno į kitą yra susijęs su ATP energijos panaudojimu.
Aktyvaus H + pašalinimo iš citoplazmos sistemą palaiko dviejų tipų reakcijos: elektronų transportavimo grandinės (redokso grandinės) aktyvumas ir ATP hidrolizė. Tiek redokso, tiek hidroliziniai H + siurbliai yra membranose, galinčiose šviesos ar cheminę energiją paversti H + energija (ty prokariotų plazminėse membranose, konjuguojančiose chloroplastų ir mitochondrijų membranose). Dėl H + ATPazės ir (arba) redokso grandinės darbo protonai perkeliami, o membranoje atsiranda protonų varomoji jėga (H +). Vandenilio jonų elektrocheminis gradientas, kaip rodo tyrimai, gali būti naudojamas daugelio metabolitų – anijonų, aminorūgščių, cukrų ir kt.
Plazminės membranos aktyvumas yra susijęs su didelės molekulinės masės kietų ir skystų medžiagų įsisavinimu ląstelėje, fagocitozė Ir pinocitozė(iš Gerch. fagos- Yra , pinos- gerti, citos- ląstelė). Ląstelių membrana sudaro kišenes arba invaginacijas, kurios traukia medžiagas iš išorės. Tada tokios invaginacijos nupjaunamos ir membrana apsupamos išorinės aplinkos lašeliu (pinocitozė) arba kietosiomis dalelėmis (fagocitozė). Pinocitozė stebima įvairiose ląstelėse, ypač tuose organuose, kuriuose vyksta absorbcijos procesai.
Ląstelės mainai su išorine aplinka įvairiomis medžiagomis ir energija yra gyvybiškai svarbūs būtina sąlyga jos egzistavimą.
Norėdami išlaikyti nuoseklumą cheminė sudėtis ir citoplazmos savybes sąlygomis, kai labai skiriasi išorinės aplinkos ir ląstelės citoplazmos cheminė sudėtis ir savybės, turi būti specialūs transportavimo mechanizmai, selektyviai juda medžiagas per .
Visų pirma, ląstelės turi turėti deguonies tiekimo mechanizmus ir maistinių medžiagų iš egzistavimo aplinkos ir metabolitų pašalinimas į ją. Įvairių medžiagų koncentracijos gradientai egzistuoja ne tik tarp ląstelės ir išorinės aplinkos, bet ir tarp ląstelės organelių bei citoplazmos, stebimi medžiagų transportavimo srautai tarp skirtingų ląstelės skyrių.
Informacinių signalų suvokimui ir perdavimui ypač svarbus mineralinių jonų koncentracijų transmembraninio skirtumo palaikymas. Na+, K+, Ca 2+. Ląstelė didelę savo metabolinės energijos dalį praleidžia palaikydama šių jonų koncentracijos gradientus. Joniniuose gradientuose sukaupta elektrocheminių potencialų energija užtikrina nuolatinį ląstelės plazminės membranos pasirengimą reaguoti į dirgiklius. Kalcio patekimas į citoplazmą iš tarpląstelinės aplinkos arba iš ląstelių organelių užtikrina daugelio ląstelių reakciją į hormoninius signalus, kontroliuoja neurotransmiterių išsiskyrimą ir paleidimą.
Ryžiai. Transporto rūšių klasifikacija
Norint suprasti medžiagų prasiskverbimo per ląstelių membranas mechanizmus, būtina atsižvelgti ir į šių medžiagų savybes, ir į membranų savybes. Transportuojamos medžiagos skiriasi molekuline mase, perduotu krūviu, tirpumu vandenyje, lipidais ir daugybe kitų savybių. Plazmą ir kitas membranas vaizduoja didžiuliai lipidų plotai, per kuriuos lengvai difunduoja riebaluose tirpios nepolinės medžiagos, o vanduo ir vandenyje tirpios polinės prigimties medžiagos nepraeina. Šių medžiagų transmembraniniam judėjimui būtinas specialių kanalų buvimas ląstelių membranose. Polinių medžiagų molekulių transportavimas tampa sunkesnis, kai didėja jų dydis ir krūvis (šiuo atveju reikalingi papildomi perdavimo mechanizmai). Medžiagų perkėlimas prieš koncentraciją ir kitus gradientus taip pat reikalauja specialių nešėjų dalyvavimo ir energijos suvartojimo (1 pav.).
Ryžiai. 1. Paprasta, palengvinta medžiagų difuzija ir aktyvus pernešimas per ląstelių membranas
Stambiamolekulinių junginių, supramolekulinių dalelių ir ląstelių komponentų, kurie negali prasiskverbti pro membranos kanalus, judėjimui per membraną naudojami specialūs mechanizmai – fagocitozė, pinocitozė, egzocitozė ir pernešimas per tarpląstelines erdves. Taigi, transmembraninis įvairių medžiagų judėjimas gali būti atliekamas naudojant Skirtingi keliai, kurios dažniausiai skirstomos pagal specialių nešėjų dalyvavimo juose požymius ir energijos suvartojimą. Per ląstelių membranas vyksta pasyvus ir aktyvus transportas.
Pasyvus transportas- medžiagų perkėlimas per biomembraną pagal gradientą (koncentraciją, osmosinį, hidrodinaminį ir kt.) ir nenaudojant energijos.
aktyvus transportas- medžiagų pernešimas per biomembraną nuo gradiento ir naudojant energiją. Žmonėms 30-40% visos energijos, susidarančios metabolinių reakcijų metu, išleidžiama šiam transportui. Inkstuose 70-80% suvartojamo deguonies sunaudojama aktyviam transportui.
Pasyvus medžiagų pernešimas
Pagal pasyvus transportas suprasti medžiagos pernešimą per membranas įvairiais gradientais (elektrocheminis potencialas, medžiagos koncentracija, elektrinis laukas, osmosinis slėgis ir kt.), kuriam įgyvendinti nereikia tiesioginių energijos sąnaudų. Pasyvus medžiagų pernešimas gali vykti per paprastą ir palengvintą difuziją. Yra žinoma, kad pagal difuzija suprasti chaotišką materijos dalelių judėjimą įvairiose terpėse dėl jos šiluminių virpesių energijos.
Jei medžiagos molekulė yra elektriškai neutrali, tai šios medžiagos sklaidos kryptį lems tik medžiagos koncentracijų skirtumas (gradientas) terpėje, kurią atskiria membrana, pavyzdžiui, ląstelės išorėje ir viduje. arba tarp jo skyrių. Jeigu medžiagos molekulė, jonai turi elektros krūvį, tai difuzijai įtakos turės ir koncentracijų skirtumas, ir šios medžiagos krūvio dydis, ir krūvių buvimas bei požymis abiejose membranos pusėse. Koncentracijos ir elektrinių gradientų jėgų ant membranos algebrinė suma lemia elektrocheminio gradiento dydį.
paprasta difuzija atliekami dėl tam tikros medžiagos koncentracijos gradientų, elektros krūvio ar osmosinio slėgio tarp ląstelės membranos šonų. Pavyzdžiui, vidutinis Na+ jonų kiekis kraujo plazmoje yra 140 mM/l, o eritrocituose – maždaug 12 kartų mažesnis. Šis koncentracijos skirtumas (gradientas) sukuria varomąją jėgą, užtikrinančią natrio perėjimą iš plazmos į raudonuosius kraujo kūnelius. Tačiau tokio perėjimo greitis yra mažas, nes membranos pralaidumas Na + jonams yra labai mažas. Šios membranos pralaidumas kaliui yra daug didesnis. Ląstelių metabolizmo energija nėra eikvojama paprastos difuzijos procesams.
Paprastos difuzijos greitis apibūdinamas Fick lygtimi:
dm/dt = -kSΔC/x,
Kur dm/ dt- medžiagos kiekis, pasklinda per laiko vienetą; į - difuzijos koeficientas, apibūdinantis membranos pralaidumą difuzinei medžiagai; S- difuzijos paviršiaus plotas; ∆С yra medžiagos koncentracijų skirtumas abiejose membranos pusėse; X yra atstumas tarp difuzijos taškų.
Iš difuzijos lygties analizės aišku, kad paprastos difuzijos greitis yra tiesiogiai proporcingas medžiagos koncentracijos gradientui tarp membranos kraštų, membranos pralaidumui tam tikrai medžiagai ir difuzijos paviršiaus plotui.
Akivaizdu, kad difuzijos būdu per membraną lengviausia judėti toms medžiagoms, kurių difuzija vykdoma tiek pagal koncentracijos gradientą, tiek pagal elektrinio lauko gradientą. Tačiau svarbi medžiagų difuzijos per membranas sąlyga yra fizines savybes membrana ir ypač jos pralaidumas medžiagai. Pavyzdžiui, Na+ jonai, kurių koncentracija ląstelės išorėje didesnė nei jos viduje, o vidinis plazmos membranos paviršius yra neigiamai įkrautas, turėtų lengvai difunduoti į ląstelę. Tačiau Na+ jonų difuzijos greitis per ląstelės plazminę membraną ramybės būsenoje yra mažesnis nei K+ jonų, kurie difunduoja pagal koncentracijos gradientą iš ląstelės, nes ramybės būsenos membranos pralaidumas K+ jonams yra didesnis nei Na+ jonams.
Kadangi fosfolipidų angliavandenilių radikalai, sudarantys dvigubą membranos sluoksnį, turi hidrofobinių savybių, hidrofobinio pobūdžio medžiagos, ypač lengvai tirpios lipiduose (steroidai, skydliaukės hormonai, kai kurie narkotinių medžiagų ir pan.). Hidrofilinio pobūdžio mažos molekulinės masės medžiagos, mineraliniai jonai, difunduoja per pasyviuosius membranų jonų kanalus, suformuotus kanalus formuojančių baltymų molekulių, ir, galbūt, per membranos pakavimo defektus fosfolioidinių molekulių, kurie dėl to atsiranda ir išnyksta membranoje. šiluminių svyravimų.
Medžiagų difuzija audiniuose gali būti vykdoma ne tik per ląstelių membranas, bet ir per kitas morfologines struktūras, pavyzdžiui, iš seilių į danties dentininį audinį per jo emalį. Šiuo atveju difuzijos įgyvendinimo sąlygos išlieka tokios pačios kaip ir per ląstelių membranas. Pavyzdžiui, deguonies, gliukozės, mineralinių jonų difuzijai iš seilių į danties audinius jų koncentracija seilėse turi viršyti koncentraciją danties audiniuose.
Įprastomis sąlygomis nepolinės ir mažos elektriškai neutralios polinės molekulės gali prasiskverbti dideliais kiekiais per fosfolipidų dvigubą sluoksnį paprastos difuzijos būdu. Didelį kiekį kitų polinių molekulių perneša baltymai-nešėjai. Jei medžiagai pereinant per membraną būtinas nešiklio dalyvavimas, tada vietoj termino dažnai vartojamas terminas „difuzija“. medžiagos pernešimas per membraną.
Lengva difuzija, kaip ir paprasta medžiagos „difuzija“, atliekama pagal jos koncentracijos gradientą, tačiau, skirtingai nei paprastoji difuzija, medžiagos pernešime per membraną dalyvauja specifinė baltymo molekulė – nešiklis (2 pav.).
Palengvinta difuzija- Tai pasyvaus jonų pernešimo per biologines membranas rūšis, kuri atliekama pagal koncentracijos gradientą nešiklio pagalba.
Medžiagos perkėlimas baltymo nešiklio (transporterio) pagalba pagrįstas šios baltymo molekulės gebėjimu integruotis į membraną, prasiskverbti į ją ir suformuojant kanalus, užpildytus vandeniu. Nešiklis gali grįžtamai prisijungti prie perkeltos medžiagos ir tuo pačiu grįžtamai pakeisti jos konformaciją.
Daroma prielaida, kad baltymas-nešiklis gali būti dviejų konformacinių būsenų. Pavyzdžiui, valstybėje Ašis baltymas turi afinitetą transportuojamai medžiagai, jo surišimo vietos yra pasuktos į vidų ir sudaro poras, kurios yra atviros vienoje membranos pusėje.
Ryžiai. 2. Palengvinta sklaida. Aprašymas tekste
Susisiekęs su medžiaga, baltymas nešiklis keičia savo konformaciją ir pereina į būseną 6 . Šios konformacinės transformacijos metu nešiklis praranda afinitetą perduotai medžiagai, jis atpalaiduojamas iš ryšio su nešikliu ir perkeliamas į poras kitoje membranos pusėje. Po to baltymas vėl grįžta į būseną a. Toks medžiagos pernešimas per membraną baltymo transporteryje vadinamas uniportas.
Dėl palengvintos difuzijos mažos molekulinės masės medžiagos, tokios kaip gliukozė, gali būti transportuojamos iš intersticinių erdvių į ląsteles, iš kraujo į smegenis, kai kurios aminorūgštys ir gliukozė iš pirminio šlapimo gali būti reabsorbuojamos į kraują inkstų kanalėliuose, o aminorūgštys ir monosacharidai. gali būti absorbuojamas iš žarnyno. Medžiagų transportavimo greitis palengvintos difuzijos būdu kanalu gali siekti iki 10 8 dalelių per sekundę.
Skirtingai nuo medžiagos perdavimo greičio paprastosios difuzijos būdu, kuris yra tiesiogiai proporcingas jos koncentracijų skirtumui abiejose membranos pusėse, medžiagos perdavimo greitis palengvintos difuzijos metu didėja proporcingai didėjančiam medžiagos koncentracijos iki tam tikros didžiausios vertės, kurią viršijus ji nedidėja, nepaisant didėjančio medžiagos koncentracijų skirtumo abiejose membranos pusėse. Didžiausio perdavimo greičio (sotumo) pasiekimas palengvintos difuzijos procese paaiškinamas tuo, kad didžiausiu greičiu pernešime dalyvauja visos baltymų nešiklio molekulės.
mainų difuzija- su tokio tipo medžiagų transportavimu gali įvykti tos pačios medžiagos molekulių, esančių skirtingose membranos pusėse, mainai. Medžiagos koncentracija kiekvienoje membranos pusėje išlieka nepakitusi.
Keitimosi difuzijos pokytis – vienos medžiagos molekulės pakeitimas viena ar keliomis kitos medžiagos molekulėmis. Pavyzdžiui, kraujagyslių ir bronchų lygiųjų raumenų ląstelėse, susitraukiančiuose širdies miocituose, vienas iš būdų pašalinti iš ląstelių Ca2+ jonus – juos pakeisti tarpląsteliniais Na+ jonais. Kiekvienam trims įeinančio Na+ jonams iš ląstelės pašalinamas vienas Ca2+ jonas. Sukuriamas tarpusavyje priklausomas (sujungtas) Na + ir Ca 2+ judėjimas per membraną priešingomis kryptimis (šis transportavimo būdas vadinamas antiportas). Taip ląstelė išlaisvinama nuo perteklinio Ca 2+ jonų kiekio, kuris yra būtina sąlyga lygiųjų miocitų arba kardiomiocitų atsipalaidavimui.
Aktyvus medžiagų pernešimas
aktyvus transportas medžiagų perkėlimas - tai medžiagų perdavimas prieš jų gradientus, atliekamas naudojant medžiagų apykaitos energiją. Šis transportavimo būdas skiriasi nuo pasyvaus tuo, kad perkėlimas vykdomas ne pagal gradientą, o prieš medžiagos koncentracijos gradientus ir naudoja ATP ar kitų rūšių energiją, kuriai sukurti buvo sunaudotas ATP. anksčiau. Jei tiesioginis šios energijos šaltinis yra ATP, tai toks perdavimas vadinamas pirminiu aktyviu. Jei perkėlimui naudojama energija (koncentracija, cheminiai, elektrocheminiai gradientai), anksčiau sukaupta dėl ATP vartojusių jonų siurblių veikimo, tai toks transportavimas vadinamas antriniu aktyviuoju, taip pat konjuguotu. Susieto antrinio aktyvaus transportavimo pavyzdys yra gliukozės absorbcija žarnyne ir jos reabsorbcija inkstuose dalyvaujant Na jonams ir GLUT1 transporteriams.
Aktyvaus transportavimo dėka galima įveikti ne tik susikaupimo, bet ir elektrinių, elektrocheminių bei kitų medžiagų gradientų jėgas. Pirminio aktyvaus transporto veikimo pavyzdžiu galime laikyti Na + -, K + - siurblio veikimą.
Aktyvų Na + ir K + jonų perdavimą užtikrina baltymas-fermentas - Na + -, K + -ATP-azė, galinti skaidyti ATP.
Baltymų Na K -ATPazė yra beveik visų organizmo ląstelių citoplazminėje membranoje ir sudaro 10% ar daugiau viso baltymo kiekio ląstelėje. Daugiau nei 30% visos ląstelės metabolinės energijos išleidžiama šio siurblio veikimui. Na + -, K + -ATPazė gali būti dviejų konformacinių būsenų – S1 ir S2. S1 būsenoje baltymas turi afinitetą Na jonui, o 3 Na jonai prisijungia prie trijų didelio afiniteto surišimo vietų, kurios yra pasuktos ląstelės viduje. Na jono pridėjimas stimuliuoja ATPazės aktyvumą, o dėl ATP hidrolizės Na+ -, K+ -ATPazė fosforilinama dėl fosfatų grupės perkėlimo į ją ir atlieka konformacinį perėjimą iš S1 būsenos į S2 būseną. (3 pav.).
Pasikeitus baltymo erdvinei struktūrai, Na jonų surišimo vietos pasisuka į išorinį membranos paviršių. Ryšio vietų afinitetas Na+ jonams smarkiai sumažėja ir, atsipalaidavęs nuo ryšio su baltymu, perkeliamas į tarpląstelinę erdvę. S2 konformacinėje būsenoje padidėja Na + -, K-ATPazės centrų afinitetas K jonams ir jie prijungia du K jonus iš ekstraląstelinės aplinkos. K jonų pridėjimas sukelia baltymo defosforilinimą ir jo atvirkštinį konformacinį perėjimą iš S2 būsenos į S1 būseną. Kartu su surišimo centrų sukimu į vidinį membranos paviršių du K jonai išsiskiria iš jungties su nešikliu ir perkeliami į vidų. Tokie perdavimo ciklai kartojami tokiu greičiu, kurio pakanka palaikyti netolygų Na+ ir K+ jonų pasiskirstymą ląstelėje ir tarpląstelinę terpę ramybės būsenoje ir dėl to išlaikyti santykinai pastovų potencialų skirtumą sužadinamų ląstelių membranoje.
Ryžiai. 3. Na + -, K + -siurblio veikimo schema
Medžiaga strofantinas (ouabainas), išskirta iš lapinės pirštinės, turi specifinį gebėjimą blokuoti Na + -, K + - siurblio darbą. Po jo patekimo į organizmą dėl Na + jonų išsiurbimo iš ląstelės blokados, sumažėjęs Na + -, Ca 2 -mainų mechanizmo efektyvumas ir Ca 2+ jonų kaupimasis susitraukimo ertmėje. stebimi kardiomiocitai. Dėl to padidėja miokardo susitraukimas. Vaistas vartojamas širdies siurbimo funkcijos nepakankamumui gydyti.
Be Na "-, K + -ATPazės, yra dar keletas transportinių ATPazių, arba jonų siurblių, tipų. Tarp jų yra ir vandenilio bėgelių siurblys (ląstelių mitochondrijos, inkstų kanalėlių epitelis, skrandžio parietalinės ląstelės); kalcio. pompos (širdies stimuliatorius ir susitraukiančios ląstelės, skersaruožių ir lygiųjų raumenų ląstelės).
Kai kuriose ląstelėse transmembraninio elektrinio potencialo skirtumo ir natrio koncentracijos gradiento jėgos, atsirandančios veikiant Na + -, Ca 2+ siurbliui, naudojamos antrinio aktyvumo medžiagų pernešimui per ląstelės membraną įgyvendinti.
antrinis aktyvusis transportas pasižymi tuo, kad medžiagos perkėlimas per membraną vyksta dėl kitos medžiagos koncentracijos gradiento, kurį sukūrė aktyvaus transportavimo mechanizmas su ATP energijos sąnaudomis. Yra du antrinio aktyvaus transporto tipai: symport ir antiport.
Simbolis vadinamas medžiagos perkėlimu, kuris yra susijęs su tuo pačiu kitos medžiagos perkėlimu ta pačia kryptimi. Simporto mechanizmas perneša jodą iš ekstraląstelinės erdvės į skydliaukės tirocitus, gliukozę ir aminorūgštis, kai jie absorbuojami iš plonosios žarnos į enterocitus.
Antiportas vadinamas medžiagos perkėlimu, kuris yra susijęs su kitos medžiagos perkėlimu tuo pačiu metu, bet priešinga kryptimi. Antiporto perdavimo mechanizmo pavyzdys yra anksčiau minėto Na + -, Ca 2+ - keitiklio darbas kardiomiocituose, K + -, H + - mainų mechanizmas inkstų kanalėlių epitelyje.
Iš aukščiau pateiktų pavyzdžių matyti, kad antrinis aktyvusis transportavimas vykdomas naudojant Na+ jonų arba K+ jonų gradientines jėgas. Na + jonas arba K jonas juda per membraną mažesnės koncentracijos link ir traukia su savimi kitą medžiagą. Šiuo atveju dažniausiai naudojamas specifinis baltymas nešiklis, įmontuotas į membraną. Pavyzdžiui, aminorūgščių ir gliukozės pernešimas jas absorbuojant iš plonosios žarnos į kraują vyksta dėl to, kad žarnyno sienelės epitelio membranos baltymas-nešėjas jungiasi su aminorūgštimi (gliukoze) ir Na + jonas ir tik tada pakeičia savo padėtį membranoje taip, kad perneštų aminorūgštį (gliukozę) ir Na+ joną į citoplazmą. Tokiam transportavimui įgyvendinti būtina, kad Na + jonų koncentracija ląstelės išorėje būtų daug didesnė nei viduje, o tai užtikrina nuolatinis Na +, K + -ATP-azės darbas ir medžiagų apykaitos energijos sąnaudos. .
