Транспортные процессы на клеточных мембранах

Чтобы жить, расти и размножаться, клетка должна получать из жидкой
окружающей среды питательные вещества и другие соединения. Большинство соединений проникают через клеточную мембрану посредством диффузии или активного транспорта.

Виды транспорта веществ через мембраны клетки

Пассивный транспорт:

Идет без затраты энергии АТФ, за счет градиента. Движущие силы:

1. Градиент концентрации вещества (химический градиент)

2. Градиент концентрации заряженных частиц (электро-химический градиент)

3. Гидростатическое давление

Простая диффузия — процесс, при котором вещество мигрирует из области своей большей концентрации в направлении более низкой его концентрации. Это может происходить с помощью белков мембранных пор (белков-переносчиков, облегченная диффузия) или в случае жирорастворимых соединений путем перехода через липидный матрикс.

Осмос и электроосмос

Это движение растворителя из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией. В случае электроосмоса движущей силой является электрохимический градиент.

Фильтрация

Это движение растворителя под действием гидростатического давления

Активный транспорт — так называется передвижение вещества в направлении более высокой его концентрации, т. е. с повышением энергии (упрощенное определение). Возможный механизм — перенос вещества через плазматическую мембрану (или мембраны других структур: лизосом, эндоплазматического ретикулума, ядра т. д.) с помощью специфических интегральных мембранных белков (насосов) с затратой энергии (АТФ, ГТФ и т. д.). Такие транспортные механизмы пригодны в основном для неорганических ионов (Na+, K+, Ca2+, Cl–, HCO􀀐3 и т. д.) и для мелких органических молекул массой менее 100 кДа (например, глюкозы).

Главные свойства активного транспорта:

1. Осуществляется против электрохимического градиента;

2. Система в высшей степени специфична, используются белковые мембранные структуры - насосы;

3. Необходимы источники энергии в виде АТФ или др.;

4. Энергия высвобождается при гидролизе АТФ ферментами, встроенными в мембрану;

5. Некоторые насосы обменивают один вид ионов на другой;

6. Некоторые насосы выполняют электрическую работу (перенос заряда);

7. Избирательно подавляются блокаторами.

Первичный активный транспорт - обеспечивает перенос веществ против градиента их концентрации с затратой энергии АТФ.

Принцип работы насосов, используемых активным транспортом. Пример: натрий-калиевый насос – интегральный белок.

Эндоцитоз. Для проникновения в клетку крупных частиц необходим их полный охват (окаймление) клеточной мембраной. Этот процесс называется эндоцитозом.

Существует два типа эндоцитоза.

1. Пиноцитоз — поглощение очень мелких белковых молекул, которое постоянно происходит в большинстве клеток, но с наиболее высокой
   частотой — в специализированных клетках. Пример — макрофаги, в которых каждую минуту отпочковывается ~3% плазматической мембраны для получения внеклеточных соединений. Пиноцитозные везикулы достигают размеров не более 100–200 нм. Их можно визуализировать с помощью электронной микроскопии целой клетки (с высоким оптическим разрешением) либо методом флуоресцентной микроскопии (с низким оптическим разрешением) в живой клетке.
2. Фагоцитоз — поглощение очень крупных структур (бактерий, целых клеток, отмерших тканей и т. д.). К фагоцитозу способны лишь немногие клетки, а именно тканевые макрофаги и некоторые виды лейкоцитов крови. Бактерия или мертвая клетка сначала прикрепляется к специфическому мембранному рецептору фагоцита. Что касается бактерий, то их поверхность уже
   несет на себе антитела, которые служат «молекулярным посредником», обеспечивая соединение с клеточной поверхностью фагоцита. Это
   явление называют опсонизацией.

Участок мембраны углубляется и от- почковывается в виде везикулы либо объединяется с различными полостями, окруженными мембранами. Таким образом материал переходит в соответствующие компартменты либо усваивается.

Экзоцитоз. В клетках многих типов присутствуют большие количества секреторных везикул, что свидетельствует о высокой интенсивности секреции. Это не только железистые клетки, содержащие секрет, но и нервные клетки с синаптическими везикулами, нейроэндокринные клетки с гормонами, разнообразные эпителиальные клетки с поверхностноактивными веществами и клетки эндотелия, а также клетки крови с веществами, стимулирующими процесс свертывания. Слияние секреторных везикул с плазматической мембраной, лежащее в основе механизма высвобождения клеточного со-
держимого, называется экзоцитозом.

Последовательные этапы экзоцитоза. Секреторная везикула приближается к плазматической мембране на расстояние до нескольких нанометров. Специфические мембранные белки секреторной везикулы и клетки сливаются благодаря локальному повышению концентрации Ca2+. В результате содержимое везикулы выделяется во внеклеточное пространство. Процесс экзоцитоза может занимать от нескольких миллисекунд (в синапсах) до минут (в легочном эпителии и в эндотелии). Везикулы объединяются полностью или раскрываются лишь частично, затем снова «отступают» в цитоплазму.

Чтобы клетка жила и работала на её мембранах всегда должны идти транспортные процессы. Остановка транспорта = смерть. Примером влияния на транспортные процессы через блокировку энергии АТФ является отравление синильной кислотой (химическая формула HCN, цианистый
водород). Эта кислота блокирует дыхательную цепь в митохондриях клетки, что приводит к резкому падению содержания АТФ; клетки лишаются ионных градиентов мембран и погибают.
HCN присутствует в горьком миндале (50 зернышек миндаля — смертельная доза), а также в табачном дыме.
При отравлениях первым симптом является учащенное дыхание с одновременным покраснением кожи, что объясняется недостаточным поступлением кислорода в ткани. При вдыхании паров синильной кислоты возникает паралич дыхательных мышц, что приводит к смерти уже через несколько секунд. Однако, если воздействие синильной кислоты будет кратковременным и вовремя прекратится, в легкие начнет поступать нормальный воздух, то быстро произойдет детоксикация (разрушение ядовитых молекул) и организм восстановится даже без специфического лечения.