Gliukozės suvartojimas ląstelėse iš kraujotakos taip pat vyksta dėl palengvintos difuzijos.. Vadinasi, 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 prisijungia prie baltymo srityje, nukreiptoje į ląstelės vidų. Tada gliukozė atsiskiria nuo transporterio ir juda į ląstelę.
Supaprastintas difuzijos metodas, 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 pernešamos į enterocitus antrinis aktyvusis transportas, priklausomai 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 keletas GLUT atmainų, sunumeruotų pagal jų atradimo 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 stabilų 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. Taip pat užtikrina nuolatinį gliukozės tekėjimą į nervų ir kitų audinių ląsteles;
GLUT-4 yra pagrindinis gliukozės pernešėjas į raumenų ląsteles ir riebalinį audinį;
GLUT-5 daugiausia randamas plonosios žarnos ląstelėse. Jo funkcijos nėra gerai žinomos.
Visų tipų GLUT gali būti tiek plazmos membranoje, tiek citozolinėse pūslelėse. GLUT-4 (ir kiek mažesniu mastu GLUT-1) beveik visas randamas ląstelių citoplazmoje. Dėl insulino poveikio tokioms ląstelėms pūslelės, kuriose yra GLUT, patenka į plazmos membraną, susilieja su ja ir transporteriai integruojasi į membraną. 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 tada, kai gliukozė absorbuojama 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%).
Yra žinomi įvairūs gliukozės transporterių veikimo sutrikimai. Paveldimas šių baltymų defektas gali būti nuo insulino nepriklausomo cukrinio diabeto priežastis. Tuo pačiu metu gliukozės transporterio sutrikimo priežastis gali būti ne tik paties baltymo defektas. GLUT-4 disfunkcija galimi šiais etapais:
insulino signalo perdavimas, kad šis transporteris būtų perkeltas į membraną;
transporterio judėjimas citoplazmoje;
įtraukimas į membraną;
atrišimas nuo membranos ir kt.
Galutinis angliavandenių hidrolizės produktai V virškinimo trakto Yra tik trys medžiagos: gliukozė, fruktozė ir galaktozė. Be to, 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, patenkantis 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 transportuojama atgal į kraują.
Norėčiau daugiau dar kartą pabraukite 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 yra 180. Tačiau dėl palengvintos difuzijos mechanizmo gliukozė gali gana lengvai prasiskverbti į ląsteles. Šio mechanizmo pagrindai buvo aptarti 4 skyriuje.
Vaizdo įrašas: ląstelių intarpai
Perforacija per ir kiaurai ląstelių lipidinė membrana, baltymai nešikliai, kurių membranoje yra gana daug, gali sąveikauti su gliukoze. Šioje 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 transportuojama ten, kur jo koncentracija mažesnė, o ne priešinga kryptimi. Gliukozės pernešimas per ląstelių membranas daugumoje audinių labai skiriasi nuo transportavimo, kuris stebimas virškinimo trakte arba inkstų kanalėlių aparato epitelio ląstelėse.
Vaizdo įrašas: medicinos
Abiejose minėtose gliukozės transportavimo atvejų tarpininkauja aktyvaus natrio transportavimo mechanizmas. Aktyvus natrio pernešimas suteikia energijos gliukozei absorbuoti atsižvelgiant į koncentracijos gradientą. Šis su natriu susietas aktyvus gliukozės transportavimo mechanizmas randamas tik specializuotose epitelio ląstelėse, pritaikytose aktyviam gliukozės absorbcijos procesui. Kitose ląstelių membranose gliukozė pernešama tik iš didelės koncentracijos zonų į mažos koncentracijos zonas naudojant palengvintos difuzijos mechanizmą, kurio galimybę sukuria ypatingos membranoje esančio baltymo gliukozę pernešėjas savybės.
Gliukozės pernešėjų perkėlimas į ląstelės membraną pastebimas per kelias minutes po insulino sąveikos su receptoriumi, o norint pagreitinti arba palaikyti pernešėjų baltymų perdirbimo procesą, būtinas 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 specialios plonosios žarnos epitelio 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 gradientą palaiko aktyvus natrio transportavimo baltymas per blakstienų pasienio ląstelių paviršių per membraną surištą Na+, K+ priklausomą ATPazę. Šio transporterio baltymo molekulė susideda iš 664 aminorūgščių liekanų, jos sintezę koduoja 22-oje chromosomoje esantis genas.
Antrąją gliukozės transporterių klasę atstovauja vidiniai gliukozės transporteriai. Tai membraniniai baltymai, esantys visų ląstelių paviršiuje ir per atitinkamą difuziją transportuoja gliukozę žemiau jos koncentracijos gradiento, t.y. pasyviuoju transportu, kai gliukozės perkėlimas per ląstelės lipidinę 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, badavimas, ląstelių diferenciacija ir proteinkinazė C.
GLUT-1(eritrocitų tipas) – pirmasis klonuotas baltymas transporteris. Šį baltymą koduojantis genas yra ant I chromosoma. GLUT-1 ekspresuojamas daugelyje audinių ir ląstelių: raudonuosiuose kraujo kūneliuose, 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 chromosomoje. Pasikeitus GLUT-2 kiekiui arba struktūrinei formai, sumažėja b-ląstelių jautrumas gliukozei. Tai atsitinka, kai cukrinis diabetas II tipo, kai proksimaliniuose inkstų kanalėliuose stebima GLUT-2 ekspresijos indukcija, o GLUT-2 mRNR kiekis padidėja 6,5 karto, o GLUT-1 mRNR kiekis sumažėja iki 72% normalaus.
GLUT-3(smegenų tipas) yra išreikštas daugelyje audinių: smegenyse, placentoje, inkstuose, vaisiaus skeleto raumenyse (šio baltymo lygis suaugusiųjų skeleto raumenyse yra žemas). GLUT-3 molekulė susideda iš 496 aminorūgščių liekanų. Šį baltymą koduojantis genas yra 12 chromosomoje.
GLUT-4(raumenų-riebalinio tipo) randama audiniuose, kuriuose greitai ir žymiai padidėja gliukozės pernaša 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 chromosomoje. Pagrindinė ląstelių atsparumo insulinui priežastis nutukimo ir nuo insulino nepriklausomo diabeto (NIDD) atveju, pasak W. Garvey ir kt. (1991), yra prieštransliacinis GLUT-4 sintezės slopinimas, tačiau jo kiekis I ir II tipo raumenų skaidulose NIDDM sergantiems pacientams, sergantiems nutukimu ir sutrikusia gliukozės tolerancija, yra toks pat. 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. Genas, koduojantis baltymų sintezę, yra 1 chromosomoje.
Gliukozės transportavimas. Gliukozės transportavimas gali vykti pagal palengvintos difuzijos arba aktyvaus pernešimo tipą, o pirmuoju atveju jis vyksta kaip uniportas, antruoju - kaip simpportas. Gliukozė gali būti transportuojama į raudonuosius kraujo kūnelius palengvintos difuzijos būdu. Michaelio konstanta (Km) gliukozės transportavimui į raudonuosius kraujo kūnelius yra maždaug 1,5 mmol/l (ty esant tokiai gliukozės koncentracijai apie 50 % turimų permeazės molekulių bus susieta su gliukozės molekulėmis). Kadangi gliukozės koncentracija žmogaus kraujyje yra 4-6 mmol/l, raudonieji kraujo kūneliai ją pasisavina beveik maksimaliu greičiu. Permeazės specifiškumas pasireiškia jau tuo, kad L-izomeras beveik nepernešamas į eritrocitus, skirtingai nei D-galaktozė ir D-mannozė, tačiau norint pasiekti perpusinį transportavimo sistemos prisotinimą, reikia didesnės 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 kDa.
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 transportavimo sistema, susidedanti iš vientiso membraninio baltymo, kuris pernešant Ca 2+ yra fosforilinamas ties aspartato liekana. Kiekvienos ATP molekulės hidrolizės metu pernešami 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, vedantis į ATP hidrolizę ir Ca 2+ pernešimą, gali būti parašytas tokiomis lygtimis:
2Ca n + ATP + E 1 Ca 2 - E - P + ADP
Ca 2 - E - P 2Ca išorinis + PO 4 3 - + E 2
Kur San - Ca 2+ yra lauke;
Ca ext - Ca 2+ esantis viduje;
E 1 ir E 2 yra skirtingos transporterio fermento konformacijos, kurių perėjimas iš vienos 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 redoksiniai, tiek hidroliziniai H + siurbliai yra membranose, galinčiose šviesos ar cheminę energiją paversti H + energija (ty prokariotų plazminėse membranose, chloroplastų ir mitochondrijų konjuguojančiose 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.
Su plazminės membranos aktyvumu yra susiję tie, kurie užtikrina didelės molekulinės masės kietų ir skystų medžiagų įsisavinimą ląstelėje, - fagocitozė Ir pinocitozė(iš Gerch. fagos- Yra , pinos- gerti, cytos- ląstelė). Ląstelių membrana sudaro kišenes arba invaginacijas, kurios traukia medžiagas iš išorės. Tada tokios invaginacijos atsiskiria ir apgaubia membrana išorinės aplinkos lašelį (pinocitozė) arba kietąsias daleles (fagocitozė). Pinocitozė stebima įvairiose ląstelėse, ypač tuose organuose, kuriuose vyksta absorbcijos procesai.
Įvairių medžiagų ir energijos mainai tarp ląstelės ir išorinės aplinkos yra gyvybiškai svarbūs būtina sąlyga jos egzistavimą.
Norėdami išlaikyti nuoseklumą cheminė sudėtis ir citoplazmos savybės tokiomis sąlygomis, kai yra reikšmingų išorinės aplinkos ir ląstelės citoplazmos cheminės sudėties ir savybių skirtumų, turi egzistuoti specialūs transportavimo mechanizmai, selektyviai perneša medžiagas.
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 yra mineralinių jonų koncentracijų transmembraninio skirtumo palaikymas. Na+, K+, Ca 2+. Ląstelė didelę savo metabolinės energijos dalį praleidžia palaikydama šių jonų koncentracijos gradientus. Jonų 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 į vidų ir trigerius.
Ryžiai. Transporto rūšių klasifikacija
Norint suprasti medžiagų perėjimo per ląstelių membranas mechanizmus, būtina atsižvelgti ir į šių medžiagų savybes, ir į membranų savybes. Transportuojamos medžiagos skiriasi molekuline mase, krūvio pernešimu, tirpumu vandenyje, lipidais ir daugybe kitų savybių. Plazmą ir kitas membranas reprezentuoja dideli 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 pasunkėja, kai didėja jų dydis ir krūvis (šiuo atveju reikalingi papildomi transportavimo mechanizmai). Medžiagų perkėlimas prieš koncentraciją ir kitus gradientus taip pat reikalauja specialių nešėjų dalyvavimo ir energijos sąnaudų (1 pav.).
Ryžiai. 1. Paprasta, palengvinta medžiagų difuzija ir aktyvus pernešimas per ląstelių membranas
Didelės molekulinės masės junginių, supramolekulinių dalelių ir ląstelių komponentų, kurie negali prasiskverbti pro membranos kanalus, judėjimui per membraną naudojami specialūs mechanizmai - fagocitozė, pinocitozė, egzocitozė, transportavimas tarpląstelinėmis erdvėmis. Taigi, transmembraninis įvairių medžiagų judėjimas gali būti atliekamas naudojant Skirtingi keliai, kurios dažniausiai skirstomos pagal specialių nešėjų dalyvavimą juose ir energijos suvartojimą. Per ląstelių membranas vyksta pasyvus ir aktyvus transportas.
Pasyvus transportas— medžiagų perkėlimas per biomembraną gradientu (koncentracijos, osmosinio, hidrodinaminio ir kt.) ir nenaudojant energijos.
Aktyvus transportas- medžiagų perkėlimas per biomembraną nuo gradiento ir naudojant energiją. Žmonėms 30-40% visos energijos, susidarančios metabolinių reakcijų metu, išleidžiama šiam transportui. Inkstuose 70-80% suvartojamo deguonies patenka į aktyvų transportą.
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 dėl paprastos ir palengvintos difuzijos. Yra žinoma, kad pagal difuzija suprasti chaotiškus medžiagos dalelių judėjimus įvairiose aplinkose, kuriuos sukelia jos šiluminių virpesių energija.
Jeigu medžiagos molekulė yra elektriškai neutrali, tai šios medžiagos sklaidos kryptį lems tik medžiagos koncentracijų skirtumas (gradientas) terpėje, atskirtoje membrana, pavyzdžiui, ląstelės išorėje ir viduje arba tarp jo skyrių. Jei medžiagos molekulė ar jonai turi elektros krūvį, difuzijai įtakos turės ir koncentracijų skirtumas, ir šios medžiagos krūvio kiekis, ir krūvių buvimas bei požymis abiejose membranos pusėse. Koncentracijos jėgų ir elektrinių gradientų 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 mmol/l, o eritrocituose – maždaug 12 kartų mažiau. Šis koncentracijos skirtumas (gradientas) sukuria varomąją jėgą, leidžiančią natriui pereiti 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. Paprastos difuzijos procesai nesunaudoja ląstelių metabolizmo energijos.
Paprastos difuzijos greitis apibūdinamas Fick lygtimi:
dm/dt = -kSΔC/x,
Kur dm/ dt- per laiko vienetą pasklindančios medžiagos kiekis; į - difuzijos koeficientas, apibūdinantis membranos pralaidumą difuzinei medžiagai; S- difuzijos paviršiaus plotas; ΔС— medžiagos koncentracijų skirtumas abiejose membranos pusėse; X— 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 vyksta ir pagal koncentracijos gradientą, ir 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 plazminės 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 pagal koncentracijos gradientą difunduoja iš ląstelės, nes ramybės sąlygomis membranos pralaidumas K+ jonams yra mažesnis. didesnis nei Na+ jonų.
Kadangi fosfolipidų angliavandenilių radikalai, sudarantys membranos dvigubą sluoksnį, turi hidrofobinių savybių, hidrofobinės medžiagos, ypač lengvai tirpios lipiduose (steroidai, skydliaukės hormonai, kai kurie narkotinių medžiagų ir pan.). Mažos molekulinės hidrofilinės medžiagos, mineraliniai jonai difunduoja per pasyvius membranų jonų kanalus, suformuotus kanalus formuojančių baltymų molekulių, ir, galbūt, per membranos pakavimo defektus fosfolipidų molekulėms, kurios atsiranda ir išnyksta membranoje dėl šiluminiai svyravimai.
Medžiagų difuzija audiniuose gali vykti ne tik per ląstelių membranas, bet ir per kitas morfologines struktūras, pavyzdžiui, iš seilių į danties dentino audinį per jo emalį. Tokiu atveju difuzijos sąlygos išlieka tokios pačios kaip ir per ląstelių membranas. Pavyzdžiui, deguonies, gliukozės ir mineralinių jonų difuzijai iš seilių į danties audinį jų koncentracija seilėse turi viršyti koncentraciją danties audinyje.
Normaliomis sąlygomis nepolinės ir mažos elektriškai neutralios polinės molekulės gali dideliais kiekiais prasiskverbti pro fosfolipidų dvigubą sluoksnį paprastos difuzijos būdu. Didelį kiekį kitų polinių molekulių perneša baltymai-nešėjai. Jei transmembraniniam medžiagos perėjimui reikia nešiklio dalyvavimo, tada vietoj termino „difuzija“ dažnai vartojamas terminas medžiagos pernešimas per membraną.
Palengvinta difuzija, kaip ir paprasta medžiagos „difuzija“, vyksta išilgai jos koncentracijos gradiento, tačiau skirtingai nei paprasta difuzija, medžiagos pernešime per membraną dalyvauja specifinė baltymo molekulė – nešiklis (2 pav.).
Palengvinta difuzija yra pasyvaus jonų pernešimo per biologines membranas rūšis, kuri atliekama pagal koncentracijos gradientą naudojant nešiklį.
Medžiagos perkėlimas naudojant baltymą nešiklį (transporterį) pagrįstas šios baltymo molekulės gebėjimu integruotis į membraną, prasiskverbti į ją ir suformuojant kanalus, užpildytus vandeniu. Nešiklis gali grįžtamai prisijungti prie transportuojamos medžiagos ir tuo pačiu grįžtamai pakeisti jos konformaciją.
Daroma prielaida, kad baltymas-nešiklis gali būti dviejų konformacinių būsenų. Pavyzdžiui, valstybėje Ašis baltymas turi afinitetą pernešamai medžiagai, jo medžiagos surišimo vietos yra pasuktos į vidų ir sudaro poras, atviras vienai membranos pusei.
Ryžiai. 2. Palengvinta sklaida. Aprašymas tekste
Susisiekęs su medžiaga, baltymas nešiklis keičia savo konformaciją ir patenka į būseną 6 . Šios konformacinės transformacijos metu nešiklis praranda savo afinitetą transportuojamai medžiagai, jis išsiskiria iš ryšio su nešikliu ir perkeliamas į poras, esančias kitoje membranos pusėje. Po to baltymas vėl grįžta į a būseną. Toks medžiagos pernešimas baltymu transporteriu per membraną 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 gali būti reabsorbuojamos iš pirminio šlapimo į kraują inkstų kanalėliuose, o aminorūgštys ir kt. monosacharidai gali būti absorbuojami iš žarnyno. Medžiagų transportavimo greitis palengvintos difuzijos būdu kanalu gali siekti iki 10 8 dalelių per sekundę.
Priešingai nei medžiagos perdavimo greitis paprastosios difuzijos būdu, kuris yra tiesiogiai proporcingas jos koncentracijų skirtumui abiejose membranos pusėse, medžiagos perdavimo greitis palengvintos difuzijos metu didėja proporcingai skirtumo didėjimui. medžiagos koncentracijose iki tam tikros didžiausios vertės, kurią viršijus ji nedidėja, nepaisant didėjančio medžiagos koncentracijų skirtumo abiejose membranos pusėse. Maksimalaus 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 tipas yra 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 Ca 2+ jonus – pakeitus juos ekstraląsteliniais Na+ jonais. Kiekvienam trims įeinantiems Na+ jonams iš ląstelės pašalinamas vienas Ca 2+ jonas. Sukuriamas tarpusavyje priklausomas (sujungtas) Na+ ir Ca2+ judėjimas per membraną priešingomis kryptimis (šis transportavimo būdas vadinamas antiportas). Taip ląstelė išlaisvinama nuo Ca 2+ jonų pertekliaus, o tai būtina sąlyga lygiųjų miocitų arba kardiomiocitų atsipalaidavimui.
Aktyvus medžiagų pernešimas
Aktyvus transportas medžiagų perkėlimas yra medžiagų perdavimas prieš jų gradientus, atliekamas naudojant medžiagų apykaitos energiją. Šis transportavimo būdas skiriasi nuo pasyvaus transportavimo tuo, kad transportavimas vyksta ne pagal gradientą, o prieš medžiagos koncentracijos gradientus ir naudoja ATP ar kitų rūšių energiją, kuriai sukurti ATP buvo panaudota anksčiau. Jei tiesioginis šios energijos šaltinis yra ATP, toks perdavimas vadinamas pirminiu aktyviuoju. Jei pernešimui naudojama energija (koncentracija, cheminiai, elektrocheminiai gradientai), anksčiau sukaupta dėl ATP vartojusių jonų siurblių veikimo, tai toks transportavimas vadinamas antriniu aktyviuoju, taip pat konjugatu. Susieto, antrinio aktyvaus transportavimo pavyzdys yra gliukozės absorbcija žarnyne ir jos reabsorbcija inkstuose dalyvaujant Na jonams ir GLUT1 transporteriams.
Aktyvaus pernešimo dėka galima įveikti ne tik koncentracijos, bet ir elektrinių, elektrocheminių ir kitų medžiagos gradientų jėgas. Pirminio aktyvaus transporto veikimo pavyzdžiu galime laikyti Na+ -, K+ -siurblio veikimą.
Aktyvų Na + ir K + jonų pernešimą užtikrina baltymo fermentas - Na + -, K + -ATPazė, galintis skaidyti ATP.
Na K-ATPazės baltymas randamas beveik visų kūno 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 yra prijungti prie trijų didelio afiniteto surišimo vietų, nukreiptų į ląstelę. 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. būsena (3 pav.).
Pasikeitus baltymo erdvinei struktūrai, Na jonų surišimo vietos pakrypsta į išorinį membranos paviršių. Ryšio vietų afinitetas Na+ jonams smarkiai sumažėja, ir jis, atsipalaidavęs nuo ryšio su baltymu, perkeliamas į tarpląstelinę erdvę. Konformacinėje būsenoje S2 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 rišamųjų centrų sukimu į vidinį membranos paviršių, du K jonai išsiskiria iš jų ryšio su nešikliu ir perkeliami į vidų. Tokie perdavimo ciklai kartojami tokiu greičiu, kurio pakanka, kad ramybės būsenoje ląstelėje būtų išlaikytas nevienodas Na+ ir K+ jonų pasiskirstymas ląstelėje ir tarpląstelinėje terpėje ir dėl to būtų išlaikytas santykinai pastovus potencialų skirtumas ant jaudinamų ląstelių membranos.
Ryžiai. 3. Na+ -, K + -siurblio veikimo schema
Medžiaga strofantinas (ouabainas), išskirta iš lapinės pirštinės, turi specifinę savybę blokuoti Na + -, K + - siurblį. Po jo patekimo į organizmą, blokuojant Na+ jonų siurbimą iš ląstelės, stebimas Na+ -, Ca 2 -mainų mechanizmo efektyvumo sumažėjimas ir Ca 2+ jonų kaupimasis susitraukiamuose kardiomiocituose. 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 – siurblys, pernešantis vandenilio dujas (ląstelių mitochondrijas, inkstų kanalėlių epitelį, skrandžio parietalines ląsteles); kalcio. pompos (širdies stimuliatorius ir susitraukiančios ląstelės, skersaruožių ir lygiųjų raumenų ląstelės, pavyzdžiui, skeleto raumenų ir miokardo ląstelėse Ca 2+ -ATPazės baltymas yra įterptas į sarkoplazminio tinklo membranas ir, ačiū). savo darbui, palaiko didelę Ca 2+ jonų koncentraciją savo viduląstelinėse ląstelėse (cisternose, išilginiuose sarkoplazminio tinklo kanalėliuose).
Kai kuriose ląstelėse transmembraninio elektrinio potencialo skirtumo ir natrio koncentracijos gradiento jėgos, atsirandančios veikiant Na+, Ca 2+ siurbliui, naudojamos antriniams aktyviems medžiagų pernešimo per ląstelės membraną tipams atlikti.
Antrinis aktyvus transportas būdingas tai, kad medžiagos pernešimas per membraną vyksta dėl kitos medžiagos koncentracijos gradiento, kuris buvo sukurtas aktyvaus transportavimo mechanizmu, naudojant ATP energiją. Yra du antrinio aktyvaus transporto tipai: symport ir antiport.
Paprastas vadinamas medžiagos perkėlimu, kuris yra susijęs su tuo pačiu kitos medžiagos perkėlimu ta pačia kryptimi. Simporto mechanizmas perneša jodą iš tarpląstelinės erdvės į skydliaukės tirocitus, gliukozę ir aminorūgštis, kai jos absorbuojamos iš plonosios žarnos į enterocitus.
Antiportas vadinamas medžiagos perkėlimu, kuris yra susijęs su kitos medžiagos perkėlimu vienu metu, bet priešinga kryptimi. Antiporterio perdavimo mechanizmo pavyzdys yra anksčiau minėto Na + -, Ca 2+ - keitiklio darbas kardiomiocituose, K + -, H + - mainų mechanizmas inkstų kanalėlių epitelyje.
Iš aukščiau pateiktų pavyzdžių aišku, 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, kai jie absorbuojami iš plonosios žarnos į kraują, atsiranda dėl to, kad žarnyno sienelės epitelio membraninis baltymas jungiasi su aminorūgštimi (gliukoze) ir Na + joną ir tik tada pakeičia savo padėtį membranoje taip, kad perneštų aminorūgštį (gliukozę) ir Na+ joną į citoplazmą. Tokiam transportavimui atlikti būtina, kad Na+ jono koncentracija ląstelės išorėje būtų daug didesnė nei viduje, o tai užtikrina nuolatinis Na+, K+ -ATPAzės darbas ir medžiagų apykaitos energijos sąnaudos.
