M ембранний транспорт

та оточуючим середовищем строго регулюється специфічними системами транспорту. Транспортні процеси

виконують декілька важливих функцій:
1)Регулювання об’єму клітини та підтримування внутрішньоклітинного значення рН та іонного складу у вузьких межах коливань, що створює сприятливі умови для проявлення активності ферментів
2)Екстракція із середовища та концентрування субстратів енергетичного та пластичного обміну (паливо та будівельні блоки), а також виведення токсичних речовин
3)Створення іонних градієнтів, які необхідні для підтримування збуджуваності нервів та м’язів.

самочинно
Активний транспорт: потрібна додаткова енергія
Яким є процес транспорту – пасивним

чи активним – залежить від
зміни вільної енергії компонентів, що транспортуються .

протеїнів
Молекули переміщуються у напрямку зменшення концентраційного градієнту – із області

з більшою концентрацією в область меншої концентрації. Для цього не потрібне залучення зовнішніх джерел енергії.

Сторона 1,
конц. c1=10-1 mM

Сторона 2,
конц. c2=10-3 mM

транспорту
Перенесення речовини проти градієнту концентрації вимагає додаткових затрат енергії.
Джерелами

енергії є:
ATФ (Енергія гідролізу АТФ складає в стандартних умовах -7,3 ккал/моль)
світло;
градієнт концентрації іншої речовини.
Джерела енергії та транспорт завжди “працюють в парі"

із відсіку з концентрацією с1 у відсік з концентрацією с2

(А) та одновалентних іонів через мембрану на сторону, що має одноіменний з іоном заряд (Б)






Мембранний потенціал 59 мВ вимагає для транспорту одноіменного іона при 25°С такої ж зміни вільної енергії, як і градієнт концентрацій, що рівний 10.

Співвідношення концентрацій (С2/С1)

Мембранний потенціал, мВ

Фарадея
Пасивна дифузія заряджених частинок
Сторона 1
Сторона 2
Мембрана

забезпечує
енергією активний транспорт Na+ і K+.
1957 р – відкриття

ферменту, що гідролізує АТФ лише
при умові додавання Na+ і K+ у Mg2+-вмісне середовище.

АТФ-аза як складова частина (Na+- K+)-помпи

Дуже велика кількість структурно споріднених протеїнів:
Na+/K+ ATФ-ази,
Ca2+ ATФ-ази,
H+ ATФ-ази

порівнянні з оточуючим клітину
середовищем створюється специфічною транспортною системою, що

називається (Na+ + K+)-помпа.

Градієнт іонів Na+ та K+ у клітині
регулює об’єм клітини
забезпечує електричну збуджуваність нервових та мязових клітин
є рушійною силою для активного транспорту цукрів та амінокислот

В організмі тварини на процес підтримання градієнту концентрацій
іонів Na+ та K+ у клітині використовується більше третини АТР, що
витрачається у стані спокою

натрію мають бути всередині,
а іони калію – ззовні
Лише ті молекули

АТФ, що знаходяться
всередині клітини слугують ефективним
субстратом АТФ-ази та використовуються для
роботи помпи
Кардіотонічні стероїди інгібують помпу і
АТФ-азу лише тоді, коли вони знаходяться
ззовні клітини
Ванадат-іони інгібують помпу і АТФ-азу лише
тоді, коли вони знаходяться всередині
клітини

Mg2+ АТФ фосфорилює
АТФ-азу з утворенням аспартилфосфату.
2) У присутності К+

проходить гідроліз
фосфорильованого проміжного продукту (Е-Р)
3) Для реакції фосфорилювання не потрібен К+,
а для реакції дефосфорилювання не потрібен
ні Na+, ні Mg2+.

та висока – іонів K+
При гідролізі однієї молекули ATФ

із клітини виводиться 3 іони Na+ та в клітину вводиться 2 іони K+ : eлектрогенний транспорт
Важливо, що у відсутності транспорту Na+ та К+ не відбувається гідролізу АТФ!!! (система так спряжена, що енергія АТФ не витрачається безцільно)
Максимальне число оборотів АТФ-ази складає біля 100 с-1
Дію Na+/K+ ATФ-ази (натрієвої помпи) можна повернути так, щоб вона вела до синтезу АТФ (в умовах різко збільшених іонних градієнтів)

Зовні
[Na+] = 140 мM
[K+] = 5 мM

Всередині
[Na+] = 10 мM
[K+] = 100 мM

Важлива для всіх органів, особливо для нервової тканини та головного мозку
Олігомерний трансмембранний білок
α2β2 структура
α-субодиниця, 95 кДа, відповідає
за гідроліз АТФ (всередині) та
містить ділянку звязування
кардіотонічних стероїдних
інгібіторів (ззовні)
β-субодиниця, 40 кДа, містить
вуглеводні групи (мембранний
глікопротеїн)

Е1 обернена всередину клітини і має високу
спорідненість до іонів

Na+
2. Порожнина на Е2 обернена назовні і має високу
спорідненість до іонів К+

Встановлено, що
Na+ запускає фосфорилювання, а К+ - дефосфорилювання
Фосфорилювання стабілізує форму Е2, а дефосфорилювання – форму Е1

Oleg Jardetzky

таким же чином, як і навколо
фосфору при гідролітичному відщепленні
фосфорильної

групи.

Ванадат є аналогом перехідного стану, що
утворюється при гідролітичному відщепленні
фосфорильної групи, оскільки він здатний
приняти біпірамідальну структуру, що подібна
до тієї, яку дає фосфат

Рі
К+
Інгібується кардіотонічними
стероїдами

одним із основних препаратів при лікуванні гострої
серцевої недостатності.

Дигіталіс

інгібує Na+/K+ ATФ-азу (натрієву помпу)

Підвищується вміст Na+ у клітинах серцевого м’язу

Збільшується внутрішньоклітинна концентрація Са2+

Підвищується скорочувальна активність міокарду

Дигіталіс –алкалоїд із наперстянки

Наперстянка

м’язів
Особлива мембранна система –
саркоплазматичний ретикулум (СР) – регулює концентрацію

Са2+ у середовищі навколо мязових волокон
У стані спокою Ca2+ закачується в СР, так що навколо міофібрил його концентрація буває дуже низькою.
Збудження мембрани СР нервовим імпульсом веде до моментального вивільнення великих кількостей Са2+, що запускає скорочення мязів

поступає в саркоплазматичний ретикулум (СР) за допомогою протеїну

з М = 110 кД, майже ідентичного - субодиниці Na+ ,K+ АТФ-ази
Транспорт Са2+ через мембрану СР відбувається за рахунок енергії АТФ. Са2+АТФ-аза також фосфорилюється у ході гідролізу АТФ
Aспартилфосфорильований Е-Р інтермедіат, що утворюється в Asp-351 в Ca2+-помпі, підпорядковується моделі E1-E2, яка використовується в натрієвій помпі.
Цикл конформаційних змін, що обумов-лений фосфорилюванням та дефосфо-рилюванням забезпечує перенесення двох іонів Са2+ при розщепленні однієї молекули АТФ.
Са2+ АТФ-аза транспортує Са2+ із цитозоля, де [Ca2+]<10-5 M в СР, де [Ca2+]~10-2 M.
Густина Са2+ АТФ-ази у мембрані СР біля 20 000 на 1 мкм2 (більше 80% загальної кількості інтегральних білків мембрани), що складає третину поверхні мембрани СР.

цитозоль

Зона
ніжок

Зона
петель

Зона
фосфорилювання

Зона звязування
АТФ

Гідрофобна
трансмембранна
зона

мембрану двох компонентів називається
котранспортом. При симпорті має місце перенесення

обох
компонентів в одному напрямку, а при антипорті – у протилежних
напрямках.

У багатьох тваринних клітинах накачування глюкози забезпечується
одночасним входженням у клітину іонів Na+. При цьому іони натрію
та глюкоза зв’язуються із специфічним транспортним білком і
проникають у клітину одночасно. Іони натрію виводяться потім із
клітини Na+/K+ ATФ-азою (натрієвою помпою). Кількість глюкози
та швидкість її транспорту залежить від трансмембранного градієнту
концентрацій Na+.
ОКРІМ ТОГО:
Залежний від Na+ симпорт широко застосовується у тваринних
клітинах для накопичення амінокислот та цукрів
У тонкому кишечнику існує спеціалізований Na+-залежний симпорт,
що забезпечує перенесення іонів Cl- проти градієнту концентрації
Іони Na+ слугують також рушійною силою для у процесах антипорту,
що спрямовані на виведення іонів кальцію.

багатьох суміжних клітин.
2. По щілинних контактах із однієї клітини в

іншу мо-
жуть поступати неорганічні іони і більшість метабо-
літів до 1 кДа (тобто не білки, не нуклеїнові кислоти,
не полісахариди).
3. Через міжклітинні контакти відбувається також над-
ходження поживних речовин у клітини, що віддалені
від кровеносних судин, напр., у кістках або хрусталику
ока.
4. Щілинні контакти відіграють важливу роль у міжклі-
тинній комунікації. Напр., у серцевому м’язі клітини
об’єднані в єдину систему швидким потоком іонів
через ці сполучення – таким шляхом досягається
швидка і синхронна відповідь на стимуляцію.
5. Проникність щілинних контактів регулюється іона-
ми Са2+. Підвищення внутрішньоклітинного вмісту
Са2+ веде до закриття міжклітинних каналів, які повні-
стю відкриті при концентрації Са2+ нижчою за 10-7 М
і повністю закриваються при концентрації Са2+
вищою за 5●10-5 М,

Плазматична
мембрана

Зовнішньоклітинний
простір

Вміст 1-ї
клітини

Вміст 2-ї
клітини