Способы переноса веществ через мембрану клетки

Транспорт питательных веществ

Транспорт питательных веществ – это процесс прохождения веществ из окружающей среды через цитоплазматическую мембрану (ЦПМ) в бактериальную клетку [1] .

Выделяют несколько типов транспортных систем, которые позволяют различным веществам преодолевать преграду цитоплазматической мембраны (ЦПМ) и попадать внутрь клетки микроорганизма. Это пассивная диффузия, облегченная диффузия, активный транспорт. Отмечается, что только активный транспорт способствует аккумуляции (накоплению) веществ внутри клетки [1] .

Схема процесса пассивной диффузии

Пассивная диффузия

Пассивная или простая диффузия – неспецифический процесс. Он происходит за счет разницы концентраций. Передвижение молекул осуществляется из более концентрированного раствора в менее концентрированный (по градиенту их концентрации).Этот процесс не связан с затратой энергии. Таким путем в клетку попадают низкомолекулярные вещества: кислород, липофильные соединения (спирты, жирные кислоты), вода, яды и другие, чужеродные для клетки вещества. Таким же образом происходит удаление продуктов обмена. Скорость перемещения веществ путем пассивной диффузии невелика и зависит от размеров транспортирующихся молекул [4] [3] .

Схема процесса облегченной диффузии

Облегченная диффузия

Облегченная диффузия – перенос веществ через цитоплазматическую мембрану по градиенту их концентрации с участием пермеаз (транслоказ) – специфических мембранных белков, способствующих прохождению веществ через цитоплазматическую мембрану [3] [1] .

Пермеаза фиксирует на себе молекулу переносимого вещества, вместе с ней преодолевает цитоплазматичекую мембрану. После этого комплекс «вещество-пермеаза» диссоциирует. Освободившаяся пермеаза, диффундирует к наружной поверхности, присоединяет новую молекулу вещества и транспортирует ее внутрь клетки [1] .

Облегченная диффузия не требует расхода энергии, если наружная концентрация вещества выше внутренней, поскольку в таком случае вещество перемещается «вниз» по химическому градиенту. Скорость процесса зависит от концентрации вещества в наружном растворе. Предполагается, что выход продуктов обмена веществ из микробной клетки может также происходит по методу облегченной диффузии с помощью переносчиков [1] .

Параллельно отмечается, что облегченная диффузия более характерна для эукариотических организмов [4] .

Схема активного транспорта

Активный транспорт

Активный транспорт является основным механизмом избирательного переноса вещества через цитоплазматическую мембрану в клетку против градиента концентрации. Этот процесс протекает при участии локализованных в цитоплазматической мембране переносчиков – пермеаз. Это вещества белковой природы, высокочувствительные к субстрату [3] .

Активным транспортом в цитоплазму бактериальной клетку поступает подавляющее большинство разнообразных веществ (ионы, углеводы, аминокислоты, липиды) [4] .

Для активного транспорта необходимы затраты энергии. Ее получают в виде АТФ, либо за счет протондвижущей силы энергизованной мембраны [3] .

У многих микробов, чаще у грамотрицательных бактерий, в активном транспорте принимают участие связующие белки. Эти вещества не входят в структуру мембраны, не идентичны пермеазам. Они локализованы в периплазматическом пространстве. Связующие белки не имеют каталитической активности, но обладают высоким сродством к определенным питательным веществам, аминокислотам, углеводам, неорганическим ионам. Выделено и изучено более 100 различных связующих белков [3] .

Активный транспорт осуществляется двумя путями:

1. Без химической модификации переносимого вещества [4] .
2. С химической модификацией переносимого вещества [4] .

В первом случае молекула питательного вещества образует комплекс с белком периплазматического пространства. Белок взаимодействует со специфической пермеазой цитоплазматической мембраны. После энергозависимого проникновения через цитоплазматическую мембрану комплекс «субстрат – белок периплазмы – пермеаза» диссоциирует и молекула субстрата освобождается [4] .

Во втором случае наблюдается следующие последовательные процессы:

1. Фосфорилирование мембранного фермента-2 со стороны цитоплазмы фосфоенолпируватом [4] .
2. Молекула субстрата связывается на поверхности цитоплазматической мембраны фосфорилированным ферментом-2 [4] .
3. Энергозависимый транспорт молекулы субстрата через мембрану в цитоплазму[4] .
4. Перенос фосфатной группы на молекулу сбстрата [4] .
5. Диссоциация в цитоплазме комплекса «субстрат-фермент» [4] .

Отмечается, что молекулы субстрата аккумулируются в цитоплазме клеток и теряют способность выйти из них именно за счет фосфорилирования [4] .

Отдельные авторы второй путь активного транспорта (с химической модификацией переносимого вещества) выделяют в отдельный (четвертый) способ транспорта питательных веществ – транслокацию (перенос) групп (радикалов) [1] [3] .

Источник

Способы переноса вещества через клеточную мембрану

Способы переноса вещества через клеточную мембрану

через липидный слой

По градиенту концентраций

Co2, мочевина, этанол

Без затрат энергии (пассивный процесс)

Мелкие нейтральные молекулы просачиваются между молекулами липидов. Гидрофобные вещества, как правило, диффундируют быстрее гидрофильных.

(Ионы и крупные молекулы не могут пересечь липидный бислой)

через белковые поры

По градиенту концентраций

Ионы ( том числе Са2+, К+ , Na+), вода

Без затрат энергии (пассивный процесс)

Трансмембранные (интегральные)белки могут иметь водные каналы, по которым ионы или полярные молекулы пересекают мембрану, минуя гидрофобные хвосты липидов

По градиенту концентраций

Глюкоза, лактоза, аминокислоты, нуклеотиды, глицерин

Без затрат энергии (пассивный процесс)

Белок – переносчик, находящийся в клеточной мембране, на одной стороне мембраны присоединяет молекулу или ион. Это изменяет форму молекулы переносчика, и его положение в мембране изменяется так, что молекула или ион выделяются с другой стороны мембраны.

Против градиента концентраций

Na+ к K+,H+, аминокислоты в кишечнике, Са2+ в мышцах, Na+ и глюкоза в почках

С затратами энергии (активный процесс)

Как и облегченная диффузия, осуществляется белками – переносчиками. Но в данном случае изменение формы молекулы переносчика (её конформация) вызывается присоединением не молекул переносчика, а фосфатной группы, отделившейся от молекулы АТФ в ходе гидролиза. Процесс идет за счет энергии, выделяющейся при гидролизе АТФ. После изменения формы переносчика транспортируемая молекула оказывается уже по другую сторону мембраны

Против градиента концентраций

Крупные макромолекулы и твердые частицы

С затратами энергии (активный процесс)

В месте контакта с частицами мембрана впячивается, затем формируется пузырек. Который отшнуровывается от клеточной мембраны и поступает в цитоплазму. Свойствен ряду простейших, кишечнополостных, клеткам крови – лейкоцитам, клеткам капилляров костного мозга, селезенки, печени, надпочечников.

Против градиента концентраций

С затратами энергии (активный процесс)

Поглощение капель жидкости по механизму аналогичному фагоцитозу. Характерно для амебоидных простейших и ряда специализированных клеток многоклеточных – лейкоцитов, клеток печени, некоторых клеток печени

Источник

Виды и механизм транспорта веществ через мембрану

Человеческий организм состоит из эукариотических клеток, особенностью которых является наличие ядра, цитоплазмы и цитоплазматической мембраны, состоящей из слоя липидных молекул, белков и полисахаридных комплексов. ЦПМ клеток являются непроницаемыми для многих витальных молекул.

Транспорт веществ через ЦПМ представляет собой эволюционно сформированный механизм, необходимый для нормального функционирования целостного организма.

Виды мембранного транспорта

Процесс может осуществляться различными способами, на основе этого выделяют следующие виды мембранного транспорта:

пассивный (без затрат энергии);

активный (с энергетическими затратами на транспортировку различных структур).

Прежде чем переходить к описанию каждого конкретного вида и его особенностью, необходимо обозначить основные функции транспорта веществ в клетке:

доставка питательных веществ к системам синтеза;

доставка субстратов для образования АТФ в митохондрии;

обеспечение клетки субстратами, необходимыми для поддержания ее нормального функционирования.

Пассивный транспорт через мембрану

Пассивный перенос веществ через ЦПМ представляет собой процесс, который протекает без использования энергии. В его основе лежат законы физики и химии, связанные с разностью концентрации низкомолекулярных соединений внутри клетки и в межклеточном матриксе.

Диффузия

Диффузия – это процесс переноса химических соединений через ЦПМ без значимых затрат энергии. В основе диффузии лежит градиент концентрации веществ.

Градиент концентрации – это величина, которая отражает разность между химическими соединениями, находящимися в тканевой жидкости и внутри непосредственно клеточной структуры. Отличным примером, который полностью раскрывает понятие градиента концентрации, является транспорт низкомолекулярных соединений в кишечник из его просвета.

Итак, при поступлении в просвет кишечника большого количества электролитов (низкомолекулярные, ионизированные соединения) происходит их трансмембранный перенос в энтероциты (клетки кишечника). Это связано с тем, что концентрация электролитов в просвете кишечника выше, чем их концентрация в энтероцитах, в результате чего образуется градиент концентрации, по которому данные низкомолекулярные вещества направляются в энтероциты.

Особым видом диффузии является осмос. Осмос – это ток воды из области с более высоким осмотическим давление в область, в которой данный показатель ниже. Осмотическое давление – это сила, с которой низкомолекулярные и не только соединения давят на стенку мембраны клеточных структур. Осмос как частный вид диффузии можно рассматривать, так как при данном виде переноса субстратов вода переносится согласно осмотическому градиенту, то есть соблюдается основное правило диффузии.

Отдельно стоит отметить, что посредством диффузии осуществляется не только перенос электролитов или воды, но и некоторые липофильных веществ (например, через гематоэнцефалический барьер).

Облегченная диффузия

Данная разновидность диффузии базируется на тех же принципах, что и обычная диффузия. Разница между этими двумя, на первый взгляд схожими понятиями, заключается в том, что транспортировка химических соединений посредством облегченной диффузии происходит благодаря участию белков-переносчиков. Данная функция белковых молекул реализуется за счет смены последними своей нативной конформации в результате лиганд-рецепторных взаимодействий с низкомолекулярными веществами.

Активный транспорт

Активный транспорт веществ через мембрану – это вид трансмембранного переноса веществ и молекул, в основе которого лежит затрата энергии, образуемой в результате гидролиза макроэргических молекул аденозинтрифосфата.

Активный транспорт можно подразделить на первично-активный и вторично-активный. Также частным видом данного способа переноса различных соединений через цитоплазматическую мембрану является везикулярный транспорт (экзо- и эндоцитоз, а также трансцитоз).

Первично-активный

Первично-активный транспорт реализуется с затратами энергии, использованием специальных белковых молекул (переносчиков), а также обладает невысокой скоростью переноса молекул сквозь мембранную структуру. В основе данного вида переноса лежит гидролиз молекулы АТФ, в результате которого образуется свободная энергия, которая тратится на перенос той или иной молекулы через ЦПМ. Посредством работы механизмом первично-активного способа перемещения веществ через плазматическую мембрану в клетки поступают некоторые виды аминокислот и ионов.

Вторично-активный

Вторично-активный транспорт в целом схож с другими видами активного транспорта, однако имеет уникальную особенность – белок (транспортер) содержит в себе два центра связывания, то есть он связывается не только с субстратом, который необходимо перенести сквозь мембранную структуру, но и также с другими каким-либо дополнительным агентом. В качестве подобного дополнительного агента чаще всего выступает положительно заряженный ион натрия, отсюда возникло название Na-зависимый перенос. Так, в клетках кишечника осуществляется транспорт питательных веществ: глюкозы и некоторых аминокислот вслед за переносом через ЦПМ положительного заряженного иона натрия. Таким образом, во время протекания механизмов вторично-активного транспорта создается градиент энергии, способствующей транспортировке другой молекулы через ЦПМ клетки. Стоит отметить, что данный вид переноса молекул сквозь мембранную структур может быть следующих видов:

Экзоцитоз и эндоцитоз

Везикулярный способ переноса молекул сквозь мембрану характеризуется переносом веществ в клетку или в межклеточный матрикс посредством образования вокруг них специальных структур, называемых везикулами (пузырьками). Везикулярный способ переноса молекул сквозь мембранную структуру может быть двух видов:

Экзоцитоз – это способ удаления веществ и молекул из клетки посредством, окружения последних везикулами. Экзоцитоз происходит с затратой энергии на образование пузырька и сокращение белков мембраны, которое необходимо для образования выпячивания последней для отшнуровывания везикулы в межклеточное пространство.

Эндоцитоз – это транспорт питательных веществ во внутрь клетки посредством инвагинации (выпячивания) мембраны. Данный способ переноса молекул через мембранную структуру также протекает с затратой энергии.

Отдельно стоит выделить трансцитоз – это способ перемещения молекулы через клетку в везикуле. Трансцитоз является основным видом транспорта веществ внутри клетки.

Транспорт через несколько слоев клеток

Перенос какого-либо субстрата или лиганда через многослойные структуры лежит в основе формирования врожденного иммунитета и выработки селективного иммуноглобулина А. В поверхностном слое эпителия кишечника содержатся специальные эпителиодобные клетки (М-клетки), которые осуществляют захват веществ из просвета кишечника и посредством трансцитоза направляют его к макрофагам подслизистой оболочки кишечника (скопление макрофагов в подслизистой оболочки в области тонкого кишечника называется пейеровой бляшкой).

Макрофаги, входящие в состав пейеровых бляшек, поглощают транспортируемую посредством трансцитоза молекулу, а затем передают информацию на более специализированные клетки иммунной системы, что в итоге приводит выработке селективного иммуноглобулина А и формирования врожденного гуморального иммунитета. Таким образом, транспортировка веществ сразу через несколько слоев клеток в кишечнике позволяет человеку эффективней справляться впоследствии с воздействием факторов внешней среды.

Перенос молекул или веществ сквозь мембрану – это жизненно-важный, эволюционно сформированный процесс, который необходим для реалиизации гомеостатической регуляции как на клеточном, так и на других уровнях организации организма человека. Посредством мембранного транспорта клеточные структуры получают необходимые пластические и энергетические субстраты для размножения, роста, развития, что впоследствии реализуется в виде роста, развития, регенерации целостного человеческого организма.

Источник