Первичный транспорт

Первичный транспорт- это такой транспорт, когда энергия расходуется непосредственно на перенос частиц. Он включает, во-первых, перенос отдельных ионов вопреки концентрационному и электрическому градиентам с помощью специальных ионных на­сосов, во-вторых, эндоцитоз, экзоцитоз и трансцитоз (микро­везикулярный транспорт).

А. Транспорт веществ с помощью насосов (помп).Насосы пред­ставляют собой белковые молекулы, обладающие свойствами пе­реносчика и АТФазной активностью. Непосредственным источ­ником энергии являются АТФ. Достаточно хорошо изучены Ыа/К-, Са- и Н- насосы. Есть основание предполагать наличие и С1-насоса, о чем свидетельствуют определенные факты. Рассмот­рим основные характеристики насосов.

1. Специфичность насосов заключается в том, что они обычно переносят какой-то определенный ион или 2 иона. Например, Ка/К-насос (объединенный насос для Ка⁺ и К+) не способен пере­носить ион лития, хотя по своим свойствам последний очень бли­зок к натрию. 1. Характеристика отдельных насосов. Натрий-калиевый на­сос (Ма/К-АТФаза) - это интегральный белок клеточной мем­браны, обладающий, как и все другие насосы, свойствами фер­мента, т.е. сам переносчик обеспечивает расщепление АТФ и освобождение энергии, которую он же сам использует. Этот на­сос изучен наиболее хорошо, он имеется в мембранах всех кле­ток и создает характерный признак живого - градиент концен­трации Ка⁺ и К* внутри и вне клетки, что обеспечивает форми­рование мембранного потенциала и вторичный транспорт ве­ществ. Главными активаторами насоса являются гормоны (альдостерон, тироксин), ингибирует насос недостаток энергии (кислородное голодание), его специфическими блокаторами служат строфантины, особенно уабаин. Работа натриевого насо­са после удаления К⁺ из среды сильно нарушается. Кальциевый насос локализуется в эндоплазматическом ретикулуме, он обес­печивает транспорт ионов Са²⁺. Насос строго контролирует со­держание ионов Са²⁺ в клетке, поскольку изменение уровня Са²⁺ нарушает ее функцию. Насос переносит ионы Са²⁺ либо во внеклеточную среду, либо в цистерны ретикулума и митохондрии (внутриклеточное депо ионов Са²⁺). Протонный насос работает в митохондриях нейрона, хлорный насос, подобно всем другим помпам, главную роль, очевидно, играет в процессах торможе­ния ЦНС (см. раздел 4.8).

3. Постоянная работа насосов необходима для поддержания концентрационных градиентов ионов, связанного с ними элек­трического заряда клетки и движения воды и незаряженных час­тиц в клетку и из клетки вторично активно согласно законам диффузии и осмоса. Совокупность этих процессов обеспечивает жизнедеятельность нейрона, как и любой другой клетки. В ре­зультате разной проницаемости клеточной мембраны для различ­ных ионов и постоянной работы ионных помп концентрация ио­нов внутри и снаружи клетки неодинакова. Ионы являются заря­женными частицами, поэтому существует электрический заряд нейрона. Почти во всех изученных клетках внутреннее содержи­мое их заряжено отрицательно по отношению к внешней среде, т.е. внутри клетки преобладают отрицательные ионы, а снаружи -положительные.

Ионы К* находятся преимущественно в клетке, а ионы N3+ и СГ - во внеклеточной жидкости. Внутри клетки расположены также крупномолекулярные (в основном белкового происхожде­ния) анионы. Ма/К-насос транспортирует не только ионы Ка⁺ и К⁺, но и другие молекулы, например глюкозу, аминокислоты (см. раздел 2.6.3). Более трети энергии АТФ, потребляемой клеткой в состоянии покоя, расходуется на перенос только ионов Ма* и К*.

Это обеспечивает сохранение клеточного объема (осморегуляция), поддержание электрической активности в нервных клетках, транспорт других веществ.

Таким образом, первичный транспорт ионов играет исключи­тельно важную роль в жизнедеятельности клеток.

4. Механизм работы ионных насосов заключается в следующем, Ка/К-насос — молекула интегрального белка, пронизывающая всю толщу клеточной мембраны, переносит за один цикл 3 иона Ыа⁺ из клетки и 2 иона К⁺ в клетку (антипорт - противотранспорт). Это осуществляется в результате конформации молекулы белка в форму е! или Е2. Молекула имеет участок, который связывает либо ион На⁺, либо ион К⁺, - это активный участок. При конформации Е| белковая молекула активной своей частью обращена внутрь клетки и обладает сродством к иону N3*, который присоединяется к белку, в результате чего активируется его АТФаза, обеспечиваю­щая гидролиз АТФ и освобождение энергии. В результате освобо­ждения энергии изменяется конформация молекулы белка: она превращается в форму Ез, в результате чего активный ее участок уже обращен наружу клеточной мембраны. Теперь белок теряет сродст­во к иону Ка⁺, последний отщепляется от него, а белок-помпа при­обретает сродство к иону К⁺ и соединяется с ним. Это ведет снова к изменению конформации переносчика: форма Ет переходит в фор­му Е|, активный участок белка снова обращен внутрь клетки. При этом он теряет сродство к иону К* и последний отщепляется, а бе­лок приобретает снова сродство к иону На*" - цикл повторяется. Насос является электрогенным, поскольку за один цикл выводится из клетки 3 иона На⁺, а возвращаются в клетку 2 иона К⁺. Энергия расходуется только на перенос ионов Ка⁺. На обеспечение одного цикла работы №/К-помпы расходуется одна молекула АТФ.

Подобным образом работают Са-Л ТФазы эндоплазматического ретикулума и клеточной мембраны, с той лишь разницей, что пере­носятся только ионы Са²⁺ и в одном направлении - из гиалоплазмы в эндоплазматический регикулум, а также наружу клетки. Кальцие­вый насос (Са-АТФаза) - молекула интегрального белка, также имеет активный участок, связывающий один или два иона Са²⁺ и может быть в двух конформациях - Е[ и Ез- В конформации Е| ак­тивный участок молекулы белка обращен в гиалоплазму, обладает сродством к иону Са²⁺ и соединяется с ним. В результате этого пе­реходит в конформацию Е2, когда активный участок молекулы бел­ка обращен внутрь эндоплазматического ретикулума или наружу клетки. При этом уменьшается сродство белка к иону Са²⁺, послед­ний отщепляется от него. В присутствии иона М§²⁺ освобождается энергия АТФ, за счет которой молекула белка Са-АТФазы вновь переходит в конформацию Ей цикл повторяется.Б. Эндоцитоз и экзоцитоз (микровезикулярный транспорт).

Это еще два первичных (первично активных), близких по меха­низму транспорта, посредством которых различные материалы переносятся через мембрану либо в клетку (эндоцитоз), либо из клетки (экзоцитоз). С их помощью транспортируются крупномолекулярные вещества (белки, полисахариды, нуклеиновые кис­лоты), которые не могут транспортироваться по каналам или с помощью насосов.

1. При зпдоцитозе клеточная мембрана образует впячивания, или выросты, внутрь клетки, которые, отшнуровываясь, превра­щаются в пузырьки. Последние затем обычно сливаются с пер­вичными лизосомами, образуя вторичные лизосомы, в которых содержимое подвергается гидролизу - внутриклеточному перева­риванию. Продукты гидролиза используются клеткой. Например, выделившийся медиатор нервным окончанием захватывается сно­ва посредством эндоцитоза.

2. Экзоцитоз - процесс, обратный эндоцитозу, это механизм сек­реции нейрогормонов и нейромедиаторов. Экзоцитозные пузырьки образуются в аппарате Гольджи. В пузырьки упаковываются белки, образовавшиеся в рибосомах эндоплазматического ретикулума. Низкомолекулярные вещества (медиаторы, некоторые гормоны) попадают в везикулы преимущественно с помощью вторичного транспорта. Пузырьки транспортируются посредством сократи­тельного аппарата клетки, состоящего из нитей актина и миозина и микротрубочек, к клеточной мембране, сливаются с ней, а содер­жимое клетки выделяется во внеклеточную среду. Энергия АТФ расходуется на деятельность сократительного аппарата клетки. Процесс слияния везикул с клеточной мембраной активируется фосфолипидом, лизолецитином и уровнем внутриклеточных ионов Са²*. Например, поступление ионов Са²⁺ в нервное окончание обеспечивает выделение медиатора через пресинаптическую мем­брану в синаптическую щель. В процессе взаимодействия эндо- и экзоцитоза происходит самообновление клеточной мембраны (кругооборот, рециркуляция): в течение каждого часа в процессе эндоцитоза в разных клетках используется от 3 до 100% клеточной оболочки, но с такой же скоростью происходит ее возобновление в результате экзоцитоза.

3. Трансципюз сочетает элементы эндо- и экзоцитоза. Это пере­нос частиц через клетку: например, перенос иалекул белка в виде везикул через эндотелиальную клетку капилляров на другую сто­рону в интерстиций мозга. В данном случае эндоцитозные пу­зырьки не взаимодействуют с лизосомами, при этом пузырьки мо­гут сливаться друг с другом, образуя каналы, пересекающие всю клетку.