Транспорт через мембрану
Как вещества входят в клетку и выходят из неё.
Зачем клетке контролировать транспорт
Клеточная мембрана — не глухая стена и не свободно проницаемая граница. Это избирательный барьер: он пропускает одни вещества и задерживает другие, причём часто пропускает их строго в определённую сторону и в строго дозированном количестве. Именно эта избирательность делает клетку клеткой — позволяет ей поддерживать внутри себя среду, радикально отличающуюся от окружающей.
Пример масштаба различий: внутри клетки концентрация калия K⁺ почти в 30 раз выше, чем снаружи, а концентрация натрия Na⁺ — примерно в 10 раз ниже. Эти градиенты (перепады концентрации) создаются и удерживаются исключительно за счёт постоянной работы транспортных систем мембраны. Стоит им остановиться — и клетка быстро «уравнивается» с внешней средой, что означает её гибель.
Основа мембраны — липидный бислой (двойной слой молекул-фосфолипидов, подробно разобранный в разделе Клетка). Его внутренняя часть — жирная и гидрофобная (отталкивающая воду). Из-за этого вещества проходят через мембрану очень по-разному:
- Свободно проходят мелкие незаряженные и жирорастворимые молекулы: кислород O₂, углекислый газ CO₂, азот, этанол, стероидные гормоны, жирные кислоты.
- Проходят плохо или совсем не проходят без помощи: заряженные частицы (все ионы — Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl⁻), крупные полярные молекулы (глюкоза, аминокислоты) и, конечно, вода в больших объёмах.
Для всех «трудных» веществ клетка использует специальные транспортные механизмы. Все они делятся на две большие группы: пассивный транспорт (без затрат энергии) и активный транспорт (с затратой энергии).
Пассивный транспорт: движение по градиенту
Пассивный транспорт — перемещение вещества по градиенту концентрации, то есть из области с высокой концентрацией в область с низкой, — «под горку». Такое движение не требует затрат энергии клетки: оно происходит само собой, за счёт теплового движения молекул.
Простая диффузия
Диффузия (от лат. diffusio — «распространение, растекание») — самопроизвольное перемешивание молекул за счёт их хаотичного теплового движения. В результате вещество равномерно распределяется по всему доступному объёму. При простой диффузии вещество проходит прямо сквозь липидный бислой, без всяких белков-посредников. Так проникают кислород и углекислый газ: в работающей ткани O₂ мало, поэтому он «затекает» из крови в клетку, а CO₂ много — и он «вытекает» из клетки в кровь. Скорость простой диффузии зависит от разницы концентраций, площади мембраны, её толщины и температуры.
Облегчённая диффузия
Облегчённая диффузия — тоже движение по градиенту и тоже без затрат энергии, но через специальные белки-посредники, потому что само вещество сквозь липидный слой не проходит. Существуют два типа таких белков:
Ионные каналы — белки, формирующие сквозную пору в мембране, через которую ионы «протекают» по градиенту. Каналы очень избирательны: калиевый канал пропускает K⁺, но не Na⁺, натриевый — наоборот. Многие каналы управляемые (воротные) — они открываются и закрываются в ответ на сигнал: потенциал-зависимые (реагируют на изменение электрического напряжения на мембране — так работают нервный импульс и мышечное сокращение), лиганд-зависимые (открываются при связывании с сигнальной молекулой — нейромедиатором, гормоном) и механочувствительные (реагируют на растяжение или давление — так работают осязание и слух). Через открытый канал проходит до миллиона ионов в секунду.
Белки-переносчики (карриеры, от англ. carrier — «носильщик») связывают конкретную молекулу, меняют свою форму и «перекладывают» её на другую сторону мембраны. Работают медленнее каналов (сотни–тысячи молекул в секунду), зато очень избирательны. Классический пример — транспортёры глюкозы GLUT (от англ. GLUcose Transporter — «переносчик глюкозы»): именно GLUT переносят глюкозу из крови внутрь клеток по градиенту. GLUT4 в мышцах и жировой ткани встраивается в мембрану только под действием инсулина — на этом основана регуляция сахара в крови.
Осмос — частный случай диффузии воды
Осмос — диффузия воды через полупроницаемую мембрану из области с меньшей концентрацией растворённых веществ в область с большей. Проще говоря: вода движется туда, где «гуще», стремясь уравнять концентрации. Хотя вода — полярная молекула, небольшое её количество просачивается прямо через липидный бислой; но основной поток идёт через специальные водные каналы — аквапорины (белки-поры, пропускающие исключительно молекулы воды, но не ионы). Осмос критически важен для поддержания объёма клетки и подробно разобран в разделе Вода и электролиты.
Активный транспорт: движение против градиента
Активный транспорт — перемещение вещества против градиента концентрации, «в горку»: из области, где его мало, в область, где его много. Такое движение противоречит естественному стремлению молекул к перемешиванию и потому требует затрат энергии. Именно активный транспорт создаёт и удерживает те резкие различия концентраций, что отличают клетку от среды.
Первично-активный транспорт
Первично-активный транспорт напрямую использует энергию молекулы АТФ (аденозинтрифосфат — универсальная молекула-«аккумулятор» энергии клетки). Белки, осуществляющие такой транспорт, называются насосами и одновременно являются ферментами, расщепляющими АТФ (АТФазами).
Na⁺/K⁺-АТФаза — самый известный и самый «дорогой» насос клетки. На каждую расщеплённую молекулу АТФ он выкачивает из клетки 3 иона Na⁺ и закачивает внутрь 2 иона K⁺ — оба против их градиентов. Результат: внутри клетки много калия и мало натрия, снаружи — наоборот. Этот насос обеспечивает мембранный потенциал покоя, создаёт условия для нервного импульса и мышечного сокращения, косвенно питает вторично-активный транспорт (см. ниже). На его работу уходит около 20–40% всей энергии клетки в покое.
Ca²⁺-АТФаза откачивает кальций из цитоплазмы — либо наружу клетки, либо в хранилища внутри клетки (эндоплазматический ретикулум, в мышцах — саркоплазматический ретикулум). Благодаря ему концентрация свободного Ca²⁺ в цитоплазме поддерживается на крайне низком уровне (~100 нмоль/л — в 10 000 раз ниже, чем снаружи). Это позволяет использовать кратковременный «всплеск» кальция как чёткий сигнал: например, для запуска мышечного сокращения или высвобождения нейромедиатора.
H⁺-АТФаза (протонная помпа) перекачивает ионы водорода H⁺ (протоны). В обкладочных клетках желудка протонная помпа выбрасывает H⁺ в просвет, создавая крайне кислую среду (соляная кислота, pH 1,5–3,5) для переваривания пищи. Именно на этот насос действуют ингибиторы протонной помпы (омепразол и аналоги) — самые распространённые препараты от изжоги и язвы. В лизосомах протонная помпа поддерживает кислую среду для работы пищеварительных ферментов.
ABC-транспортёры (от англ. ATP-Binding Cassette — «кассета, связывающая АТФ»; крупное семейство насосов) используют энергию АТФ для переноса самых разных веществ, часто выбрасывая их из клетки. Медицински важны потому, что некоторые из них выкачивают из клетки лекарства — в том числе противоопухолевые препараты. Гиперактивность таких насосов в раковых клетках — одна из причин множественной лекарственной устойчивости (когда опухоль перестаёт отвечать на химиотерапию).
Вторично-активный транспорт
Вторично-активный транспорт (сопряжённый транспорт) не расходует АТФ напрямую. Вместо этого он использует энергию, «запасённую» в градиенте другого иона — чаще всего натрия, созданном ранее натрий-калиевым насосом. Ион Na⁺ стремится войти в клетку по своему градиенту («под горку»), и этот поток тянет за собой второе вещество — даже против его собственного градиента («в горку»). Это как водяное колесо: падающая вода (натрий) поднимает груз (глюкозу).
- Симпорт (котранспорт) — оба вещества движутся в одну сторону. Пример: SGLT (натрий-глюкозный котранспортёр) в кишечнике и почках затягивает глюкозу внутрь клетки вместе с натрием. Именно этот механизм обеспечивает полное всасывание глюкозы в кишечнике даже при её низкой концентрации в просвете. На SGLT2 в почках действуют современные препараты от диабета — глифлозины (эмпаглифлозин и др.), которые снижают обратное всасывание глюкозы и выводят её с мочой.
- Антипорт (обменник) — вещества движутся в противоположные стороны. Пример: натрий-кальциевый обменник использует вход Na⁺ для выброса Ca²⁺ из клетки; натрий-протонный обменник — для регуляции pH внутри клетки.
Везикулярный транспорт: перенос крупных объектов
Молекулы, слишком крупные для каналов и переносчиков — белки, частицы, целые бактерии, — переносятся через мембрану в везикулах (мембранных пузырьках). Мембрана при этом изгибается, охватывает груз и отшнуровывает пузырёк. Такой транспорт всегда энергозатратен.
Эндоцитоз (от греч. endo — «внутрь» + kytos — «клетка») — захват вещества внутрь клетки. Фагоцитоз («клеточное поедание») — поглощение крупных частиц: так макрофаги и нейтрофилы (клетки иммунной системы) захватывают и уничтожают бактерии. Пиноцитоз («клеточное питьё») — поглощение капелек жидкости с растворёнными веществами. Рецептор-опосредованный эндоцитоз — прицельный захват конкретной молекулы после её связывания с рецептором на поверхности; так клетки забирают из крови холестерин (в составе ЛПНП — липопротеинов низкой плотности), железо, витамины.
Экзоцитоз (от греч. exo — «наружу» + kytos — «клетка») — выброс содержимого везикулы наружу. Внутренняя везикула сливается с клеточной мембраной, и её содержимое выходит во внешнюю среду. Так секретируются гормоны (например, инсулин из β-клеток), пищеварительные ферменты, нейромедиаторы в синапсах, компоненты межклеточного матрикса. Экзоцитоз также встраивает в мембрану новые белки и восполняет её липиды.
Транспорт и электрическая активность
Работа ионных каналов и насосов лежит в основе всей электрической активности организма. В покое мембрана нервной или мышечной клетки заряжена: внутри — минус, снаружи — плюс. Разница составляет около –70 мВ (милливольт) и называется потенциалом покоя. Он создаётся сочетанием работы натрий-калиевого насоса и «утечки» калия через постоянно открытые калиевые каналы.
Когда клетка получает сигнал, потенциал-зависимые натриевые каналы резко открываются, Na⁺ лавиной входит в клетку, и заряд на мгновение меняется на противоположный (внутри становится плюс) — это потенциал действия, электрический импульс. Затем натриевые каналы закрываются, открываются калиевые, K⁺ выходит наружу, и заряд восстанавливается. Такая волна перезарядки бежит вдоль нервного волокна — это и есть нервный импульс. Подробнее о нервном проведении — в разделе Ткани (нервная ткань).
Нарушения мембранного транспорта
Наследственное заболевание, вызванное дефектом гена CFTR (от англ. Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator — «регулятор трансмембранной проводимости при муковисцидозе»). CFTR — это хлоридный канал в мембране клеток, выстилающих дыхательные пути, поджелудочную железу, потовые железы. При его дефекте нарушается транспорт хлора и воды, слизь становится густой и вязкой: она забивает бронхи (хронические инфекции лёгких) и протоки поджелудочной железы (нарушение пищеварения). Это пример болезни, где сломан один-единственный транспортный белок.
Каналопатии — группа заболеваний, вызванных мутациями в генах ионных каналов. Поскольку каналы управляют возбудимостью нервов, мышц и сердца, их дефекты проявляются очень по-разному: некоторые формы эпилепсии (дефекты натриевых и калиевых каналов нейронов), синдром удлинённого интервала QT (дефекты сердечных каналов, опасные аритмии и внезапная смерть), периодические параличи (дефекты каналов скелетных мышц), некоторые формы мигрени. Каналопатии показывают, насколько тонко настроена ионная «электрика» тела.
Сердечные гликозиды (дигоксин) — препараты, лечебное действие которых основано на частичном блокировании натрий-калиевого насоса в клетках сердца. Умеренное торможение насоса усиливает сокращения сердца (через рост внутриклеточного кальция) — это полезно при сердечной недостаточности. Но при передозировке насос блокируется слишком сильно: нарушаются ионные градиенты, развиваются опасные аритмии. Этот пример показывает, насколько узок «коридор» нормальной работы транспортных систем.
Связи с другими системами
- Клетка: транспортные белки встроены в клеточную мембрану — липидный бислой с белками. Строение мембраны и жидкостно-мозаичная модель разобраны в разделе Клетка.
- Обмен веществ и энергия: активный транспорт — один из главных потребителей АТФ в организме. Na⁺/K⁺-насос в сумме по всем клеткам расходует значительную долю базального обмена. Подробнее об АТФ — в разделе Обмен веществ и энергия.
- Вода и электролиты: именно транспортные системы создают и удерживают концентрации Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl⁻ по обе стороны мембраны, а осмос и аквапорины определяют движение воды. Детально — в разделе Вода и электролиты.
- Гомеостаз: избирательный транспорт в почечных канальцах, кишечнике, гематоэнцефалическом барьере — основа поддержания постоянства внутренней среды. Как тело удерживает равновесие — в разделе Гомеостаз.