Транспорт субстратів і продуктів

Організація транспортних систем

Способи сполучення транспорту з енергією метаболізму

Регулювання транспортних процесів

Транспорт речовин із клітини в середу: секреція і екскреція

Транспорт субстратів і продуктів

З клітинної мембраною пов'язаний цілий ряд найважливіших метаболічних процесів. Ось головні з них:

реплікація ДНК;

біосинтез білків, ліпідів, компонентів клітинної стінки;

дихання, фотосинтез;

клітинний розподіл;

мембранний транспорт, який і буде предметом розгляду в цьому розділі.

Мембранним транспортом будемо називати транслокацію речовин через біологічні мембрани з обов'язковою участю молекул-посередників: "рухливих переносників" або "каналоутворюючих" компонентів.

Механізми клітинної проникності

Слід розрізняти пасивне проникнення речовин через мембрану без участі посередників і активне проникнення речовин через мембрану з участю посередників - власне транспорт.

Пасивна проникність мембрани - це проникнення через неї речовин за рахунок теплового руху молекул. Кінцевим результатом такого процесу є зрівнювання позаклітинної і внутрішньоклітинної концентрацій речовини. Початкова швидкість фізичної дифузії залежить від зовнішньої концентрації речовини, а зміна температури мало впливає на швидкість процесу.

Для більшості гідрофільних природних субстратів коефіцієнт дифузії через подвійний ліпідний шар мембрани має дуже низьку величину, тому швидкість їх дифузії недостатня для забезпечення нормального перебігу метаболічних процесів.

За рахунок фізичної дифузії здійснюється проникнення в клітини молекул води, деяких газів, а також вуглеводнів і гідрофобних ксенобіотиків.

У деяких випадках істинного транспорту так само, як і при фізичному дифузії, відбувається лише зрівняння зовнішньої і внутрішньої концентрацій речовини. Такі процеси носять назву полегшеної дифузії. Вони здійснюються за участю білків, і швидкість їх досить велика. Типовим прикладом є проникнення речовин через зовнішню мембрану грамнегативних бактерій за участю беяков-порінов.

. Значно частіше транспорт призводить до помітного концентрування речовин, що транспортуються в клітці, так що>> S _o. Такий транспорт являє собою термодинамічну роботу і вимагає витрати енергії. Його називають концентрирующим або активним транспортом.

Особливістю транспортних процесів, на відміну від дифузії, є також їх стереоспеціфічность, в результаті якої близькі за хімічною структурою речовини конкурують при транспорті за загальний переносник. Обмежена кількість молекул переносника в мембрані приводить до того, що залежність початкової швидкості транспорту від концентрації субстрату описується рівнянням гіперболи, формально подібним до рівняння Міхаеліса-Ментен, що описує ферментативну кінетику з аналогічними параметрами:

. _m - концентрация субстрата, при которой скорость транспорта равна половине максимальной. де V - початкова швидкість транспорту, V - максимальна швидкість при насичує концентрації субстрату; K. _m - концентрація субстрату, при якій швидкість транспорту дорівнює половині максимальної. У цьому випадку говорять, що транспортний процес підпорядковується "кінетиці насичення".

пропорциональна количеству посредника в мембране и скорости его функционирования. Параметри К. _П1 і називають параметрами транспортної системи: К. _т характеризує спорідненість транспортного посередника до субстрату, a V _mex пропорційна кількості посередника в мембрані і швидкості його функціонування. Для обчислення цих параметрів, як і в ферментативної кінетики, використовують графіки лінійних аппроксімат рівняння Міхаеліса-Ментен.

Організація транспортних систем

Однією з перших моделей транслокації субстратів через біологічні мембрани була модель "рухомого" переносника, в якій передбачалося присутність інтегрального мембранного компоненту, здатного до утворення гідрофобної комплексу з гідрофільним субстратом, екрануючого останній від гідрофобною внутрімембранной середовища. Передбачалося, що освічена комплекс дифундує на внутрішню поверхню мембрани і там звільняє субстрат у внутрішньоклітинну середу. З цього типу дійсно здійснюється перенесення іонів деякими іонофорамі. Проте подібний механізм, як правило, не забезпечує концентрування субстрату в клітці. Друга модель передбачає наявність у мембрані гідрофільного каналу, через який можуть проникати субстрати. На відміну від малоспеціфічни каналів, утворених порінамі, він повинен володіти високою специфічністю за рахунок "естафетної" передачі субстрату від одного центру зв'язування до іншого. Такий канал може стати асиметричним і забезпечити концентрування субстрату в клітці.

Реальні транспортні системи часто включають більше одного білкового компонента, а інтегральні мембранні білки-"переносники" багаторазово перетинають мембрану, утворюючи в ній складну гідрофільну структуру. Молекулярні механізми транслокації субстрату через такі структури залишаються до кінця не розшифрованими.

За типом молекулярної організації транспортні системи можна розділити на два великі класи.

Транспортні системи, що включають періплазматіческіе зв'язуючі білки, які забезпечують "впізнавання" і "доставку" субстрату до мембранного переносники. Такі системи чутливі до осмотичного шоку і залежать від енергії АТР. До них відносяться системи транспорту деяких амінокислот, Сахаров, неорганічних катіонів.

Транспортні системи, що включають тільки інтегральні мембранні компоненти. Такі системи, як правило, здійснюють одночасний перенесення субстрату і одновалентних неорганічних катіонів і залежать від енергії ТЕП. До них відносяться системи транспорту більшості амінокислот, Сахаров, органічних кислот і ін

Способи сполучення транспорту з енергією метаболізму

Для концентрування речовин усередині клітин необхідно перетворення рівноважного процесу "полегшеної" дифузії в одновекторний процес "активного" транспорту. Для цього необхідна витрата енергії, тобто створення свого роду "енергетичного приводу" для транспорту.

Сполучення транслокації субстрату з енергією метаболізму здійснюється двома основними шляхами.

Енергія може витрачатися на таку хімічну модифікацію субстрату, яка робить його нездатним взаємодіяти з переносником на внутрішній поверхні мембрани, а також проникати через мембрану чисто дифузійним шляхом, що запобігає його "витік" з клітки.

Енергія може витрачатися на таку модифікацію переносника, яка робить його нездатним взаємодіяти з субстратом на внутрішній поверхні мембрани, що також запобігає "витік" субстрату з клітки.

Системи першого типу фактично здійснюють перший етапів метаболізму цих субстратів і тому називаються системами векторного метаболізму або реакціями перенесення радикалів. До них, наприклад, відноситься фосфотрансфе-різна система транспорту Сахаров і сахароспирти, звана також системою векторного фосфорилювання, і деякі інші системи. Фосфотрансферазная система опосередковує наступну ланцюг реакцій.

Системи другого типу, у свою чергу, поділяються на системи "первинного" активного транспорту, генеруючі ТЕП та системи "вторинного" активного транспорту, що використовують ТЕП для транспорту органічних і неорганічних субстратів. У деяких випадках, наприклад в системах з "зв'язують" білками, енергія АТР безпосередньо використовується в транспорті субстратів. Системи "вторинного" активного транспорту поширені більш широко і можуть функціонувати у відповідності з трьома основними механізмами.

Катіони транслоціруются в клітку за градієнтом електричного потенціалу шляхом своєрідного електрофорезу.

⁺ . Незаряджені з'єднання транслоціруются в клітку разом з катіонами Н ⁺ або Na ^+.

Аніони також можуть транслоціроваться в клітину шляхом сім-порту, приєднуючи таку кількість катіонів, якого достатньо для перекладу комплексу субстрату з переносником в позитивно заряджену форму. Крім того, аніони зовнішнього середовища можуть обмінюватися на внутрішньоклітинні аніони. ⁺ , а у эукариот - система антипорта К ⁺ и Na ⁺ . По механізму антіпорта можуть транслоціроваться і катіони, наприклад у прокаріот широко поширена система антіпорта Н ⁺ і Na ^+, а у еукаріотів - система антіпорта К ⁺ і Na ^+.

Регулювання транспортних процесів

Як і регулювання процесів внутрішньоклітинного метаболізму, вона здійснюється на двох рівнях: на рівні біосинтезу білкових посередників і на рівні функціонування готових посередників.

Основними механізмами регуляції біосинтезу переносників транспортних систем є індукція, репресія і катаболітная репресія.

Як і у випадку ферментів, за типом індукції та катаболітной репресії регулюється біосинтез компонентів тих транспортних систем, субстрати яких беруть участь у процесах катаболізму. За типом репресії надлишком субстрату регулюється головним чином біосинтез амінокислотних транспортних систем.

Особливість регулювання деяких транспортних процесів полягає в тому, що індукція здійснюється не внутрішньоклітинним субстратом, а позаклітинним субстратом.

Така індукція називається екзогенної і вимагає наявності проміжного регуляторного інтегрального мембранного білка, що передає сигнал індуктора на репрессор.

Подібний тип індукції характерний, наприклад, для транспортної системи гексозофосфатов, фосфогліцерата, деяких трикарбонових кислот, а також компонентів фосфотрансферазной системи.

Картина регулювання ускладнюється тим, що у багатьох організмів для одного і того ж субстрату часто використовується кілька транспортних систем, що відрізняються по специфічності і величиною кінетичних параметрів. Існують системи з вузькою специфічністю, призначені тільки для одного або невеликого числа подібних субстратів, і з широкою специфічністю. существуют четыре системы для транспорта ароматических аминокислот: три из них специфичны только для одной из этих аминокислот, а четвертая является общей для всех. Наприклад, у Escherichia coli існують чотири системи для транспорту ароматичних амінокислот: три з них специфічні тільки для однієї з цих амінокислот, а четверта є загальною для всіх.

Регуляція активності білкових посередників транспортних систем може здійснюватися способом оборотної ковалентного модифікації або шляхом нековалентно взаємодії з ефекторами. В останньому випадку, якщо ефектор взаємодіє з транспортною системою, перебуваючи на тій же стороні мембрани, що і субстрат, говорять про цис-регуляції. : избыток субстрата тормозит свой собственный транспорт из среды. Наприклад, негативна цис-кооперативность виявляється при транспорті проліну у Escherichia coli: надлишок субстрату гальмує свій власний транспорт з середовища. У галобактерій, поряд зі звичайними чотирма транспортними системами для ароматичних амінокислот, існує високоспецифічний - для тирозину, що має дуже високою спорідненістю до субстрату, активність якої пригнічується надлишком тирозину по безконкурентному типу.

Якщо ефектор взаємодіє з транспортною системою, перебуваючи по різні сторони мембрани щодо субстрату, говорять про транс-регулювання транспорту. Наприклад, деякі амінокислоти, зокрема ароматичні, перебуваючи всередині клітини, гальмують свій власний транспорт з середовища.

Події, пов'язані з регулюванням транспортних процесів, іноді роблять істотний вплив на процеси метаболізму в цілому. Яскравим прикладом є участь фосфотрансферазной системи в регуляції біосинтезу білків за типом катаболітной репресії. облигатно зависит от функционирования фосфотрансферазной системы, причем главную роль в этой связи играет специфический для глюкозы компонент Е 111. Виявилося, що рівень сАМР у Escherichia coli облігатно залежить від функціонування фосфотрансферазной системи, причому головну роль у цьому зв'язку грає специфічний для глюкози компонент Е 111.

11, находятся в фосфорилированном состоянии за счет резерва PEP . У відсутність глюкози всі компоненти системи, в тому числі і Е I 11, знаходяться в фосфорильованій стані за рахунок резерву PEP. Фосфорілірованний Е 111, взаємодіючи з аденилатциклазой, переводить її в активний стан, в результаті чого внутрішньоклітинний рівень сАМР підвищується і активується транскрипція "слабких" Оперон, в тому числі систем транспорту та метаболізму інших Сахаров.

11 снижается в связи с переносом фосфорильного остатка на глюкозу в процессе ее транспорта. Навпаки, у присутності глюкози ступінь фосфорилювання Е I 11 знижується у зв'язку з перенесенням фосфорильного залишку на глюкозу в процесі її транспорту. У результаті зменшується активність аденілатциклази, знижується рівень сАМР і блокується транскрипція ряду "цукрових" Оперон.

I, по-видимому, может инактивировать транспортные системы других Сахаров, предотвращая поступление последних в клетку, что еще более усиливает катаболитную репрессию. Слід додати, що нефосфорілірованная форма Е I I I, мабуть, може інактивувати транспортні системи інших Сахаров, запобігаючи надходження останніх в клітину, що ще більше підсилює катаболітную репресію.

Який же механізм катаболітной реперессіі у разі, коли пригнічується синтез ферментів, відповідальних за катаболізм самої глюкози, а в якості більш вигідних в енергетичному сенсі субстратів виступають, наприклад, органічні кислоти або водень?

Адже тоді участь фосфотрансферазной системи неможливо. Щоб зрозуміти механізм явища, необхідно звернути увагу на нижню частину ріс.41, де зображена система екскреції сАМР. Значення цих систем для регуляції метаболізму ми розглянемо докладніше в наступному параграфі, а тут зазначимо лише, що одним зі способів зниження рівня сАМР може служити активування його викиду з клітини, наприклад накладенням на мембрану ТЕП, тобто шляхом "енергізація" мембрани, ступінь якої, природно, буде вище завжди, коли використовується вигідніший у енергетичному відношенні субстрат. в клетке. Таким чином, якщо субстрат забезпечує енергетичні потреби клітини і створює необхідну ступінь "енергізація" мембрани, він може викликати придушення використання інших субстратів, від яких залежить рівень з AMP в клітці.

Транспорт речовин із клітини в середу: секреція і екскреція

Розглянемо спочатку процеси секреції, тобто виділення з клітини білків.

Секретуються білки синтезуються у вигляді більш довгих попередників, які піддаються процесингу, як правило, на етапі транслокації через мембрану. -конце так называемый сигнальный пептид из 15-30 аминокислот, которые удаляются специальной сигнальной пептидазой, локализованной в мембране. Вони містять на NHj-кінці так званий сигнальний пептид з 15-30 амінокислот, які видаляються спеціальної сигнальної пептидаз, локалізованої в мембрані. Транслокація білка через мембрану зазвичай протікає одночасно з трансляцією, хоча відомі випадки посттрансляційної транслокації. Після утворення сигнального пептиду трансляція тимчасово припиняється в результаті приєднання до рибосоми нуклеопротеїдному інгібітора і полісомний комплекс переміщується до мембрани, де локалізований апарат секреції, що включає рецептори рибосоми і сигнального пептиду. Відбувається формування трансмембранної "пори". Сигнальний пептид закріплюється на своєму рецепторі, і трансляція відновлюється, причому зростаюча пептидна ланцюг "проштовхується" через мембрану. Сигнальний пептид відщеплюється сигнальної пептидаз, і "зріла" молекула ферменту відділяється від рибосоми. Після завершення трансляції рибосомних комплекс залишає мембрану і дисоціює на субчастіци для підготовки нового циклу трансляції.

Схожий механізм використовується при утворенні білків зовнішньої мембрани грамнегативних бактерій. Такий білок містить гідрофобну "якірну" послідовність, яка дозволяє йому закріпитися в мембрані, процес його секреції часто називають експортом.

У еукаріотів вирішальне значення в процесі секреції ферментів мають ендоплазматичний ретикулум і апарат Гольджі.

Для опису процесу виділення з клітин низькомолекулярних речовин використовують термін екскреція. Вона може виконувати три основні фізіологічні функції:

а) видалення інгібітора - токсичної для клітини речовини, що продукується ендогенно або надходить з навколишнього середовища;

б) видалення ефектора, надлишок якого порушує нормальні фізіологічні процеси в клітині;

в) видалення кінцевого продукту метаболізму з метою "скидання" окисно-відновних еквівалентів, створення в середовищі резерву джерел живлення або запасання енергії у вигляді ТЕП.

Додаткові функції секреції можуть складатися у виділенні хімічних "сигналів", що регулюють фізіологічний стан популяції.

²⁺ из клеток устойчивых к этим ингибиторам микроорганизмов. Добре вивченими прикладами екскреції першого типу є транспортні системи, які кодуються плазмідами і опосередковують енергозалежна видалення антибіотики в-тетрациклінів, а також аніонів арсената і катіонів Cd ^{2 +} з клітин стійких до цих інгібіторів мікроорганізмів.

Приклад екскреції другого типу - так званий викид індуктора в системі метаболізму лактози під дією глюкози, а також екскреція сАМР в результаті підвищення ТЕП. Обидва ці ефекту представляють собою додаткові прояви регуляції метаболізму за механізмом катаболітной репресії.

Нарешті, прикладом екскреції третього типу може служити виділення лактату в процесі молочнокислого бродіння, в результаті чого відбувається "скидання" відновлювальних еквівалентів та формування ТЕП.

Важливе фізіологічне значення регуляції внутрішньоклітинного рівня низько молекулярних речовин шляхом їх екскреції з клітини дозволяє розглядати ці механізми як особливий рівень регуляції метаболізму, який ми пропонуємо називати мембранної регуляцією.