Биологический каталог




Основы энзимологии

Автор В.К.Плакунов

Да, субстраты, аналоги (+) Да, конечные продукты (-) АТР (-) ADP (+)

Примечание: (+) — активирование; (—) — ингибирование

99

X-

Глава 14. Транспорт субстратов и продуктов

С клеточной мембраной связан целый ряд важнейших метаболических процессов. Вот главные из них:

1) репликация ДНК;

2) биосинтез белков, липидов, компонентов клеточной стенки;

3) дыхание, фотосинтез;

4) клеточное деление;

5) мембранный транспорт, который и будет предметом рассмотрения в данной главе.

Мембранным транспортом будем называть транслокацию веществ через биологические мембраны с обязательным участием молекул-посредников: «подвижных переносчиков» или «каналообразующих» компонентов.

14.1. Механизмы клеточной проницаемости

Следует различать пассивное проникновение веществ через мембрану без участия посредников (физическая дидЬфузия) и активное проникновение веществ через мембрану с участием посредников — собственно транспорт (поскольку латинское transportare, которое в переводе означает «перевозить», «переносить», подразумевает участие посредника: перевозчика или переносчика).

Пассивная проницаемость мембраны — это проникновение через нее веществ за счет теплового движения молекул. Конечным итогом такого процесса является уравнивание внеклеточной (So) и внутриклеточной (S^) концентраций вещества. Начальная скорость физической диффузии зависит от внешней концентрации вещества (точнее — от градиента концентрации AS = So — S^), а изменение температуры (в пределах физиологической нормы) мало влияет на скорость процесса (поскольку он зависит от абсолютной температуры, К°).

Для большинства гидрофильных природных субстратов (Сахаров, аминокислот, органических кислот в диссоциированном состоянии и др.) коэффициент диффузии через двойной липидный слой мембраны имеет очень низкую величину, поэтому скорость

100

их диффузии недостаточна для обеспечения нормального протекания метаболических процессов.

За счет физической диффузии осуществляется проникновение в клетки молекул воды, некоторых газов (кислорода, водорода, азота, но не углекислоты), а также углеводородов (метана и его гомологов) и гидрофобных ксенобиотиков (некоторых антибиотиков, ионофоров и др.).

В некоторых случаях истинного транспорта так же, как и при физической диффузии, происходит лишь уравнивание внешней и внутренней концентраций вещества. Такие процессы носят название облегченной диффузии. Они осуществляются с участием белков (переносчиков или каналообразователей), и скорость их достаточно велика. Типичным примером является проникновение веществ через наружную мембрану грамотрицательных бактерий с участием белков-поринов.

Значительно чаще транспорт приводит к заметному концентрированию транспортируемых веществ в клетке, так что >> So. Такой транспорт представляет собой термодинамическую работу и требует затраты энергии. Его называют концентрирующим или (менее правильно) активным транспортом (в действительности любой транспорт активен).

Особенностью транспортных процессов, в отличие от диффузии, является также их стереоспецифичность, в результате которой близкие по химической структуре вещества конкурируют при транспорте за общий переносчик (канал). Ограниченное количество молекул переносчика в мембране приводит к тому, что зависимость начальной скорости транспорта от концентрации субстрата описывается уравнением гиперболы, формально сходным с уравнением Михаэлиса—Ментен, описывающим ферментативную кинетику с аналогичными параметрами (К.т и Vmex) (см. гл. 4):

v

1 + K./S.'

где V — начальная скорость транспорта; V — максимальная скорость при насыщающей концентрации субстрата (So); K.m — концентрация субстрата, при которой скорость транспорта равна половине максимальной. В этом случае говорят, что транспортный процесс подчиняется «кинетике насыщения».

Параметры К.П1 и называют параметрами транспортной системы: К.т характеризует сродство транспортного посредника к субстрату, a Vmex пропорциональна количеству посредника в мембране и скорости его функционирования. Для вычисления этих пара-

101

метров, как и в ферментативной кинетике, используют графики линейных аппроксимат уравнения Михаэлиса—Ментен (метод Лайнуивера—Берка и др. с теми же ограничениями).

14.2. Организация транспортных систем

Одной из первых моделей транслокации субстратов через биологические мембраны была модель «подвижного» переносчика, в которой предполагалось присутствие интегрального мембранного компонента, способного к образованию гидрофобного комплекса с гидрофильным субстратом, экранирующего последний от гидрофобной внутримембранной среды. Предполагалось, что образованный комплекс диффундирует на внутреннюю поверхность мембраны и там освобождает субстрат во внутриклеточную среду. По этому типу действительно осуществляется перенос ионов некоторыми ионофорами (валиномицином, моненсином и др.) (рис. 37а). Однако подобный механизм, как правило, не обеспечивает концентрирование субстрата в клетке. Вторая модель предполагает наличие в мембране гидрофильного канала, через который могут проникать субстраты. В отличие от малоспецифичных каналов, образуемых поринами, он должен обладать высокой специфичностью за счет «эстафетной» передачи субстрата от одного центра связывания к другому. Такой канал может стать асимметричным (например, при наложении ТЭП) и обеспечить концентрирование субстрата в клетке (рис. 376).

Снаружи Мембрана В нутри

а)

б)

Рис. 37. Схема двух основных способов транслокации субстратов: модель «подвижного» переносчика (а) и трансмембранного «канала» (б)

102

Реальные транспортные системы часто включают более одного белкового компонента, а интегральные мембранные белки-«переносчики» многократно пересекают мембрану, образуя в ней сложную гидрофильную структуру. Молекулярные механизмы транслокации субстрата через такие структуры остаются до конца не расшифрованными.

По типу молекулярной организации транспортные системы можно разделить на два больших класса.

1. Транспортные системы, включающие периплазматические связывающие белки, которые обеспечивают «узнавание» и «доставку» субстрата к мембранному переносчику. Такие системы чувствительны к осмотическому шоку и зависят от энергии АТР. К ним относятся системы транспорта некоторых аминокислот (глутамина), Сахаров (арабинозы), неорганических катионов (К+).

2. Транспортные системы, включающие только интегральные мембранные компоненты («мембранно-связанные» системы). Такие системы, как правило, осуществляют одновременный перенос (симпорт) субстрата и одновалентных неорганических катионов (Н+ или Na+) и зависят от энергии ТЭП. К ним относятся системы транспорта большинства аминокислот, Сахаров (лактозы), органических кислот и др.

14.3. Способы сопряжения транспорта с энергией метаболизма

Для концентрирования веществ внутри клеток необходимо превращение равновесного процесса «облегченной» диффузии в одновекторный процесс «активного» транспорта. Для этого необходима затрата энергии, т. е. создание своего рода «энергетического привода» для тран

страница 26
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33

Скачать книгу "Основы энзимологии" (0.9Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Химический каталог

Copyright © 2009
(16.07.2016)