Пассивная диффузия

Пассивная диффузия определяется только разностью концентраций молекул вне и внутри клетки. Процесс не стереоспецифичен, и поэтому не наблюдается конкурентных отношений между структурными аналогами. Подобный процесс, по – видимому, обеспечивает проникновение в клетку молекул воды. В наиболее общем случае перемещение воды через мембрану из одной части системы в другую вызывается двумя основными причинами: 1) повышением гидростатического давления в одной из частей системы и 2) увеличением в другой её части концентрации растворённого вещества, для которого мембрана менее проницаема, чем для воды Существенное значение пассивная диффузия приобретает при нарушениях жизнедеятельности клетки.

Облегчённая диффузия

При облегчённой стереоспецифичной диффузии наблюдаются конкурентные взаимодействия между структурными аналогами. Скорость транспорта при повышении концентрации субстрата возрастает только до определённого предела, т.е. имеет место насыщение системы транспорта. Облегчённая диффузия связана с работой специфических переносчиков, находящихся в мембране. Обычно происходит симпорт субстрата с протоном и белком переносчиком (транспортёр). Процесс облегчённой диффузии может быть не сопряжён с энергетическими реакциями, но у глодающих клеток этот транспорт обычно нарушается.

Активный транспорт

Активный транспорт тоже связан с работой специфического белка – переносчика, но в этом случае функционирует ещё специальная система, обеспечивающая транспорт энергией. Он может идти против градиента концентрации. Энергетическое обеспечение активного транспорта обычно объясняют, исходя из хемиосмотической теории Митчелла. При дыхании в расположенной в мембране дыхательной цепи происходит выброс протонов. Их перенос через мембрану создаёт протондвижущую силу Δр, определяемую мембранным потенциалом Δψ (отрицательный внутри клетки) и градиентом протонов ΔрН (внутри щелочной)

Δр = Δψ – ZpH ,

Где Z– фактор перевода рН в мв.

У E. coli, стрептококков и ряда других бактерий Δψ в норме составляет 50 – 250 мВ.

Протондвижущая сила создаётся также в результате фотосинтетического транспорта электронов, гидролиза АТФ. Последний особенно важен для бактерий, у которых отсутствуют цепи цитохромов, например дляStreptococcus faecalis. Мембранные белки выступают в роли симпантёров, образуя и перенося комплекс субстрат – протон – симпантёр. Возможен также унипорт – перенос только одного субстрата (без протона) и антипорт – перенос разных субстратов в противоположных направлениях.

Активный транспорт может быть обусловлен также искусственно созданным мембранным потенциалом. Электрохимический градиент возникает за счёт перехода через мембрану проникающего в клетку аниона, например SIN^-, или за счёт выхода из клетки иона К⁺в присутствии ионофора валиномицина, образующего в мембране поры, через которые калий свободно диффундирует. Обычно содержание калия в клетке выше, чем в среде, его выход создаёт протондвижующую силу и облегчает транспорт в клетку сахаров и аминокислот. На такого рода транспорт не влияют ингибиторы АТФазы или дыхания.

Снижение значения рН среды также может способствовать транспорту, в частности сахаров и аминокислот, за счёт трансмембранного градиента рН.

В зависимости от особенностей субстрата составляющие протондвижущей силы могут иметь различное значение для его транспорта. Так, при физиологических значениях рН лизин несёт положительный заряд, глутаминовая кислота отрицательный заряд, изолейцин нейтрален. В опытах соStreptococcus faecalisбыло установлено, что изолейцин переносится как симпонтёр, за счёт протондвижущей силы (Δψ –Z_*pH). Транспорт лизина осуществляется переносчиком, функционирующим как унипортёр, и определяется мембранным потенциалом Δψ, глутамат переносится симпортом, т.е. одновременно с протоном, и при этом не несёт заряда. Таким образом, его транспорт определяется только градиентом рН (-Z_*ΔpH).

В процессе жизнедеятельности клетки происходит постоянный вынос протонов из клетки в среду, т.е. их концентрация в клетке низка. Поэтому комплекс симпортёр – протон – субстрат распадается, и последний высвобождается в цитоплазму. У голодающих клеток выноса протонов не происходит, и их концентрация в клетке возрастает. В конце концов, может создаться обратный градиент протонов и начаться вынос субстратов из клетки. Поэтому у глодающих клеток нарушается не только процесс активного транспорта, но и облегчённой диффузии.

Для транспорта в клеткуE. coli сахаров используются различные системы транспорта. Транспорт лактозы определяется белком М цитоплазматической мембраны, являющимся продуктом генаlacYлактозного оперона, перенос лактозы осуществляется как симпорт сахара с протоном. Транспорт β- метилгалактозидов происходит с участием специфического периплазматического белка и белков цитоплазматической мембраны. В транспорте мальтозы участвуют специализированный белок порин внешней мембраныLamB, периплазматический и белки цитоплазматической мембраны. Две последние системы используют энергию АТФ, переноса протона в процессе транспорта субстрата здесь не происходит.

Поглощение аминокислот E. coliосуществляется путём активного транспорта. Системы транспорта аминокислот весьма специфичны, хотя иногда одна система может переносить ряд структурно близких аминокислот, а одна и та же аминокислота может переноситься несколькими системами. Транспортные системы ряда аминокислот включают периплазматические связывающие белки, они могут быть конститутивными или индуцибельными. УE. coli, например, имеется индуцибельная система транспорта триптофана. Кроме систем переноса аминокислот уE. coli имеются различные транспортные системы для дипептидов (LL– конфигурации) и олигопептидов.

Транспортные системы аминокислот не связанные с периплазматическими белками – переносчиками и, следовательно, устойчивые к осмотическому шоку, например транспорт пролина, серина, фенилаланина, глицина и цистеина, в равной мере могут быть обеспечены энергией за счёт дыхания или гидролиза АТФ. Эти системы не чувствительны к арсенату, резко снижающему пул АТФ в клетке, но не затрагивающему систему создания мембранного потенциала в процессе дыхания. Эти системы, однако, чувствительны к действию ингибиторов – разобщителей электронного транспорта. В анаэробных условиях эти системы зависят от активности АТФазы. Таким образом, для них основное значение имеет протондвижущая сила, которая создаётся за счёт дыхания или гидролиза АТФ.

Системы, включающие работу периплазматических белков – переносчиков, и чувствительные к осмотическому шоку у E. coliсистемы транспорта глутамина, аргинина, ДАП (диаминопимелиновая аминокислота), лейцина, изолейцина нуждаются непосредственно в АТФ. В аэробных условиях они могут транспортироваться за счёт гликолитически продуцируемого АТФ в отсутствии АТФазной активности. Эти системы чувствительны к арсенату, но относительно устойчивы к разобщителям.

В процессе работы транспортных систем, устойчивых к осмотическому шоку, происходит одновременное поступление протонов в клетку, но при работе систем, имеющих периплазматические белки, не происходит поглощения клеткой протонов.

Перенос радикалов играет важную роль в транспорте ряда соединений у многих бактерий, но отсутствует у эукариот. Подобные системы изучены у представителей Enterobacteriaceae, Pseudomonadaceae, Staphylococcus aureus, Baccilus subtililis, Salmonella typhimurium, Aerobacter aerogenes, Lactobaccilus plantarum, Streptococcus lactis, Rhodospirillum rubum и в некоторых видахMycoplasma.

Функция данной системы состоит в фосфорилировании сахаров в процессе их переноса из среды в клетку. У грамотрицательных бактерий сэтим способом фосфорилируется D– глюкоза,D– фруктоза,D– манноза, маннит, сорбит,D– глюкозамин,N– ацетил –D– глюкозамин, 2 – дезокси –D– глюкоза и β – глюкозиды. У грамположительных бактерий сюда относятся, по – видимому, такжеD– галактоза, различные пентозы, лактоза, сахароза, треголоза, мелибиоза, мальтоза и глицерин. Фосфорилирование моносахаридов происходит обычно по последнему углеродному атому (С – 5 или С – 6), однако фруктоза, как и лактоза, фосфорилируется по С – 1. Механизм фосфорилирования, общий для всех бактерий, можно представить в виде следующей схемы:

Mg^2+|

Фосфоенолпируват + Фермент I ↔ Р – фермент І + Пируват

Р – фермент I + НРr ↔ Р – НРr +

Фермент Фермент ІІ, фактор ІІІ, Mg²⁺

P – HPr + Сахар ↔↔↔↔↔↔↔↔↔↔↔↔↔↔↔↔↔↔ Р–сахар +HPr

У бактерийStaphylococcus aureusтретья реакция в случае лактозы протекает в два этапа:

Фермент IIA

3P – HPr + Фактор ІІІ ↔↔↔↔↔ Р₃ – фактор ІІІ^{лактоза} + 3HPr

Фермент ІІІ^{лактоза}

P₃ – фактор ІІІ^{лактоза} + 3 лактоза ↔↔↔↔3Р–лактоза + фактор ІІІ^{лактоза}

Таким образом, для переноса одной молекулы сахара требуется одна молекула высокоэнергетического фосфата. Система содержит белковые компоненты, из которых HPr(термостабильный белок с мол. массой около 9000), ферментІ(мол. масса ≈ 80 000) и факторIII(мол. масса ≈ 35 000) растворены в цитоплазме, в то время как ферментІІ(мол. масса ≈ 40 000) связан с мембраной. Известно, что для функционирования фосфотрансферазной системыE. coliтребуются определённые липиды (фосфатидилгилцерин).

Первичная структура белка HPrвсех грамотрицательных бактерий, по – видимому, одинакова, и фосфорилирование идёт по остатку гистидина.

Фермент IIА специфичен для глюкозы, фруктозы или маннозы, т.е. имеются три его разновидности. ФерментІІВ неспецифичен. Специфическую функцию иногда может выполнять цитоплазматический белок известный как факторІІІ, тогда в системе участвует только один мембранный белокІІВ. Наблюдаются и другие модификации этой системы у разных бактерий.

Мутанты по белку ІІВ плейотропны, т.е. сразу теряют способность поглощать ряд сахаров, а мутанты по белкамІІА недостаточны лишь в отношении транспорта сахара, специфичного для данного мутантного белка.

Существуют по крайней мере, еще три ферментные системы транспорта неэлектролитов.

1. Наиболее детально исследована γ – глутамилтранспептидаза из клеток коркового вещества почки. Одним из субстратов этой системы является внутриклеточный глутатион, другим – внеклеточные аминокислоты (все природные аминокислоты за исключением пролина), из которых образуются γ – глутамиламинокислота и цистеинглицин. Производные γ – глутамила гидролизуются с высвобождением внутрь клетки исходной аминокислоты и 5 – оксипролина, используемого далее для для ресинтеза глутатиона. Система работает весьма неэффективно, и требует ресинтеза одной молекулы глутатиона, а значит, и для переноса одной молекулы аминокислоты, трёх молекул АТФ.

2. В клетках E. coli транспорт аденила сопровождается фосфорилированием адениловой кислоты. Кроме аденила, таким образом, переносятся все нуклеозиды и основания.

3. У E. coliтранспорт жирных кислот с С₈по С₁₆также связан с модификацией.

4. Сахороза проникает через мембрану щеточной каёмки кишечного эпителия только после расщепления на составляющие моносахариды. Эта система выделена, очищена и встроена в искусственные фосфолипидные мембраны. Но вопрос об усвоении других дисахаридов остаётся открытым, так как в кишечнике присутствуют и другие дисахариды.