Поры и каналы биологических мембран

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 8Следующая ⇒

Среди многообразных явлений, протекающих в клетке, важное место занимают активный и пассивный транспорт веществ. В настоящее время стало очевидно, что эти явления, так или иначе, определяются барьерными свойствами клеточных мембран. Во многих случаях биологического транспорта основного переноса веществ является их диффузия через клеточную или многоклеточную мембрану. Способы диффузионного переноса многообразны: диффузия жирорастворимых веществ через липидную часть мембраны, перенос гидрофильных веществ через поры, образуемые мембранными липидами и белками, облегченная диффузия с участием специальных молекул-переносчиков, избирательный транспорт ионов через ионные каналы.

Общая характеристика транспорта веществ через мембрану

Пассивный транспорт. Под пассивным транспортом веществ через биологические мембраны подразумевается движение молекулы вещества в комплексе с переносчиком. Такой путь проникновения веществ через мембрану не требует затраты энергии, что и дало возможность назвать его пассивным. Для пассивного транспорта характерен эффект насыщения - по мере увеличения концентрации вещества скорость его трансмембранного движения достигает некоторого предела. Так как эффект насыщения очень четко наблюдается также в ферментативных реакциях, в связи с движением в мембране гипотетических переносчиков.

В моделях пор каждый специфический центр фиксирован в мембране и доступен или обоим омывающим растворам (одноцентровые поры), или только одному из них, либо вообще недоступен растворам.

Транспорт в порах осуществляется в результате последовательного связывания вещества специфическими центрами. Транспорт же по типу переносчиков осуществляется в результате попеременного экспонирования центров связывания последнего к омывающим мембрану растворам.

Активный транспорт. Особенностью активного транспорта является перенос молекул вещества через мембрану против градиента концентрации, т.е. при неравенстве концентраций К активному транспорту веществ через мембраны относятся явления эндо - и экзоцитоза.

Каналы

Под каналами чаще всего понимают ионные каналы, которые, как теперь известно, широко распространены во многих типах клеток. Регулируемые ионные каналы, участвующие в передаче сигнала, в ответ на определенный внешний стимул быстро изменяют мембранную проницаемость для определенного иона. При этом происходит изменение трансмембранного потенциала. Когда канал открыт, через бислой может проходить до 10⁶-10⁸ ионов в секунду. Каналы обладают селективностью, т.е. способность канала пропускать некоторые ионы лучше, чем другие; ее можно качественно охарактеризовать как отношение проницаемостей или проводимостей для сравниваемых ионов. Две большие группы составляют потенциалзависимые ионные каналы и каналы, регулируемые нейромедиаторами.

Канал имеет центральное отверстие диаметром 30Ǻ с внеклеточного конца и более узкое с цитоплазматической стороны. Пять субъединиц расположены в следующей последовательности: β -α -δ -γ -α, так что α -субъединицы не соседствуют друг с другом. Места связывания располагаются на α -субъединицах. Канал имеет длину около 140Ǻ, причем участок длиной 70Ǻ расположен над поверхностью бислоя с наружной стороны, образуя большие ворота канала. В открытой конформации канал проницаем для катионов и небольших неэлектролитов, но не анионов. Селективность канала по отношению к одно- и двухвалентным катионам невелика. Натриевый канал. Является потенциалзависимым ионным каналом, который обеспечивает быстрое увеличение натриевой проводимости, ответственное за фазу деполяризации при развитии потенциала действия в нервных и мышечных клетках. Каналы, выделенные из тканей млекопитающих, имеют молекулярную массу ~335000. Na⁺-каналы взаимодействуют с различными токсинами, в частности с тетродотоксином, сакситоксином и α -токсином скорпиона, которые очень прочно связываются с канальными белками и могут использоваться при количественных биохимических измерениях.

Кальциевый канал. Ca^2+-селективные каналы так же относятся к потенциалзависимым ионным каналам. Широко распространены в возбудимых клетках - нервных и мышечных, а также в большинстве других типов клеток. Некоторые Ca²⁺-каналы отвечают на изменение напряжения на мембране. Обычно концентрация ионов Ca²⁺в цитоплазме не превышает 10М, что в 10000 раз ниже, чем концентрация ионов Ca²⁺вне клетки. Открывание Ca^2+--канала может приводить к значительным изменения концентрации этого иона в цитоплазме, что в свою очередь индуцирует разнообразные биохимические события. Каналы состоят как минимум из двух субъединиц с молекулярной массой 140000 и 30000. Большая субъединица была клонирована и секвенирована, и оказалось структурно близка к потенциалзависимому натриевому каналу.

Щелевые контакты

Щелевые контакты - это кластеры мембранных каналов, которые соединяют содержимое соседних клеток в тканях. Через такие каналы проходят небольшие молекулы - метаболиты и неорганические ионы. Диаметр каналов в клетках млекопитающих составляет от 12 до 20Ǻ. Эти каналы соединяют две плазматические мембраны. Исходя из данных об аминокислотной последовательности, можно предположить, что в каждой субъединице имеется четыре трансмембранные α -спирали. Эти каналы находятся обычно в открытом состоянии, но закрываются, когда понижается скорость метаболизма. Каждый канал состоит из 12 субъединиц, по шесть от каждой клетки. Канал представляет собой гексамерную структуру. Два гексамерных комплекса соседних мембран соединены конец к концу и образуют протяженный канал, объединяющий обе мембраны. Структура канала щелевого контакта зависит от наличия ионов Ca²⁺. В присутствии Ca²⁺субъединицы расположены параллельно центральной оси канала, а в отсутствии этих ионов несколько наклонены (открытое состояние). Точный механизм открывания и закрывания далеко не ясен.

Поры

В последнее время достигнуты большие успехи в определении строения пор на молекулярном уровне. Особенно ценным в исследованиях оказался метод реконструкции изображения; с его помощью удалось не только визуализировать отверстия в мембране, создаваемые большими порами, но и выявить симметричную организацию субъединиц вокруг центрального отверстия. Важным исключением из α -спирального семейства являются порины, поскольку они формируют поры из β -слоев, а не с помощью α -спиралей. Поры могут образовываться с помощью эндо- и экзогенных веществ.

Ядерные поровые комплексы. Ядерная оболочка клеток млекопитающих содержит 3-4 тысячи пор (примерно 10 пор на 1 квадратный мкм). Через ядерные поры происходит обмен веществами между ядром и цитоплазмой. Поры окружены большими кольцевыми структурами, называемыми поровыми комплексами (их внутренний диаметр составляет приблизительно 80 нм, а мол. масса -50-100 млн. Каждый комплекс образован набором больших белковых гранул, сгруппированных в октагональную структуру. Поровой комплекс пронизывает двойную мембрану, связывая по окружности поры липидный бислой внутренней и внешней мембран в единое целое. Ядерный поровой комплекс содержит заполненный водой цилиндрический канал диаметром около 9 нм. Большие ядерные белки взаимодействуют с белками-рецепторами, расположенными на границе ядерных пор, и эти рецепторы активно переносят белки в ядро, увеличивая канал поры.

Молекулы массой менее 5 кДа, проходят через ядерную пору свободно, и равновесие между ядерной и цитоплазматической концентрацией устанавливается за секунды. Для белков массой 17 кДа этот процесс занимает 2 минуты, белков массой 44 кДа (приблизительно 6 нм) - 30 минут.

Порины. Порины образуют поры, которые функционируют как молекулярные сита, опосредуя диффузию небольших гидрофильных молекул через наружную мембрану грамотрицательных бактерий. Молекулярная масса поринов варьирует от 28000 до 48000.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 Следующая ⇒