2.6.2. первичный транспорт

2.6.2. 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 Na/K.-, Саи Ннасосы. Есть основание предполагать наличие и Cl-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, Na/K-насос (объединенный насос для Na+ и К+) не способен переносить ион лития, хотя по своим свойствам последний очень близок к натрию.

2. Характеристика отдельных насосов. Натрий-калиевый насос (Na/K-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 Na+ 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'1" находятся преимущественно в клетке, а ионы Na+ и Сlво внеклеточной жидкости. Внутри клетки расположены также крупномолекулярные (в основном белкового происхождения) анионы. Na/K-насос транспортирует не только ионы Na+ и K+, 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 Na+ и K+.

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. Na/K-насос молекула интегрального белка, пронизывающая всю толщу клеточной мембраны, переносит за один цикл 3 иона Na+ из клетки и 2 иона K+ в клетку (антипорт противотранспорт). Это осуществляется в результате конформации молекулы белка в форму E1 или E2. Молекула имеет участок, который связывает либо ион Na+, либо ион K+, это активный участок. При конформации E1 белковая молекула активной своей частью обращена внутрь клетки и обладает сродством к иону Na+, 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 E2, в результате чего активный ее участок уже обращен наружу клеточной мембраны. Теперь белок теряет сродство к иону Na+, последний отщепляется от него, а белок-помпа приобретает сродство к иону K+ и соединяется с ним. Это ведет снова к изменению конформации переносчика: форма E2 переходит в форму E1, активный участок белка снова обращен внутрь клетки. При этом он теряет сродство к иону K+ и последний отщепляется, а белок приобретает снова сродство к иону Na+ цикл повторяется. Насос является электрогенным, поскольку за один цикл выводится из клетки 3 иона Na+ а возвращаются в клетку 2 иона K+. Энергия расходуется только на перенос ионов Na+. На обеспечение одного цикла работы Na/K помпы расходуется одна молекула АТФ.

Подобным образом работают Са-АТФазы эндоплазматического ретикулума и клеточной мембраны, с той лишь разницей, что переносятся только ионы Сa2+ и в одном направлении из гиалоплазмы в эндоплазматический ретикулум, а также наружу клетки. Кальциевый насос (Са-АТФаза) молекула интегрального белка, также имеет активный участок, связывающий один или два иона Сa2+ и может быть в двух конформациях E1 и E2. В конформации E1 активный участок молекулы белка обращен в гиалоплазму, обладает сродством к иону Сa2+ и соединяется с ним. В результате этого переходит в конформацию E2, когда активный участок молекулы белка обращен внутрь эндоплазматического ретикулума или наружу клетки. При этом уменьшается сродство белка к иону Сa2+, последний отщепляется от него. В присутствии иона Mg2+ освобождается энергия АТФ, за счет которой молекула белка Са-АТФазы вновь переходит в конформацию E1; 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 эндоцитозе 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 эндои 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. Трансцитоз сочетает элементы эндои экзоцитоза. Это перенос частиц через клетку: например, перенос молекул 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.