Важнейшей функцией мембран является регуляция транспорта веществ в клетку и из клетки. Механизмы транспорта и малых молекул через мембраны сильно отличаются друг от друга (табл.7).
Перенос малых молекул через мембраны может осуществляться путем простой диффузии, пассивного и активного транспорта.
Путем простой диффузии через мембраны могут проникать малые неполярные (O2, H2O, CO2) молекулы, незаряженные полярные молекулы (мочевина), а также низкомолекулярные гидрофобные вещества. Простая диффузия представляет собой самовольное перемещение вещества в результате теплового движения по градиенту концентрации или электрохимическим градиентом (при переносе заряженных частиц). Скорость диффузии определяется трансмембранным градиентом концентрации веществ, их растворимостью в гидрофобном слое мембраны и тепловым движением молекул, которые передвигаются. Значение такой диффузии в организме ограничено.
Молекулы, сами не могут проходить через мембрану, используют для этого специальные белки-переносчики. Если транспорт одного вещества с помощью переносчика сопровождается переносом иного состава в том же направлении, то такое явление называется симпорт. А явление, когда транспорт любого вещества сочетается с переносом другого вещества в противоположном направлении, называется антипорта.
Перемещение молекул через мембранный бислой, с участием биг-ков-переносчиков, может происходить двумя способами: путем пассивного или активного транспорта.
Пассивный транспорт веществ осуществляется по градиенту их концентрации с помощью белков-переносчиков (транслоказ, Пермь-аз) без затрат энергии. Существуют два вида пассивного транспорта - облегченная и обменная диффузии. При облегченной диффузии белки сочетаются с молекулами, транспортируемых и ускоряют процесс их переноса. С помощью этого вида диффузии через мембрану транспортируются аминокислоты, моносахариды, нуклеотиды, ионы. Для этого вида диффузии характерно эффект насыщения: когда белок насыщен, дальнейшее увеличение концентрации диффундирующего вещества не ускоряет диффузию (аналогия с ферментативным катализом). Молекулярный механизм работы белков-переносчиков пока неизвестен. Предполагается, что они встроены в мембрану и изменяют свою конформацию по механизму «пинг-понг» (рис.54). Переносчик связывает вещество, переносится, с одной стороны мембраны, после чего в нем происходят конформационные изменения («понг-пинг»), вследствие которых это вещество освобождается с другой стороны мембраны, а переносчик возвращается в исходное состояние («пинг-понг »). Предполагается, что по такому механизму переносит ионы К + через мембраны митохондрий Ионофоры - антибиотик валиномицин.
Особую роль среди систем пассивного транспорта играют ионные каналы електрозбуджуваних мембран нервных и мышечных клеток для ионов Na +, K + и Са2 +. Эти каналы представляют собой поры, сформированные каналообразующего белками. Таким белком является Ионофоры антибиотик грамицидин, который формирует канал для одновалентных катионов. Обменная диффузия осуществляется антипортним механизмом, когда происходит обмен одного вещества на другую. При этом каждое вещество движется по градиенту концентрации. Такой антипорт характерен для анионов и катионов. Как пример можно привести обмен ионов Na + на ионы K +, который осуществляется противоположно действию Na +, K +-АТФазы.
Концентрация ионов в цитоплазме клеток резко отличается от внеклеточной их концентрации, и такая разница является одним из необходимых условий жизни. Поддержание определенного состава и концентрации ионов в клетке происходит за счет активного транспорта. В процессе активного транспорта происходит перенос веществ против градиента концентрации или электрохимического градиента, который требует затрат энергии. Зависимости от характера использования энергии различают первичный и вторичный активный транспорт. Во время первичного активного транспорта расход энергии происходит при непосредственном переносе вещества сквозь мембрану. Перенос вещества через мембрану путем вторичного активного транспорта осуществляется за счет энергии градиента концентрации ионов, созданного на мембране механизмом первичного активного транспорта. Этот градиент используется для переноса других веществ с помощью белков-переносчиков.
По принципу первичного активного транспорта в клетке функционируют АТФазы или ионные насосы белки, для транспорта ионов используют энергию гидролиза АТФ. Типичным примером такого белка-переносчика является Na +, К +-АТФаза, которая работает по принципу антипорта, перекачивая Na + из клеток, а К + - внутрь клеток. Na +, К +-АТФаза представляет собой олигомер, пронизывает мембрану насквозь и содержит на внутренней стороне участка для связывания АТФ и Na +, а на внешней стороне - для К + и сердечных гликозидов. Вследствие присоединения 3Na + происходит активация АТФазы, т.е. гидролиз АТФ и фосфорилирования фермента со стороны цитоплазмы. Это вызывает его конформационные изменения, в результате которых 3Na + высвобождается в межклеточное пространство. Уменьшается сродство к Na +, и внешней поверхности присоединяется 2К +, что влечет дефосфорилювання фермента и возвращает его к первичной конформации, открывая канал изнутри и высвобождая 2К + в цитоплазму (рис. 55).
За один цикл из клетки выводится 3Na +, а в клетку поступают 2К +, что приводит к появлению трансмембранного электрохимического потенциала. Сердечные гликозиды, одним из которых является уабаин (строфантин G), могут конкурировать с К + за места связывания и ингибируют Na +, К +-АТФазу.
Для жизнедеятельности клетки большое значение имеет функционирование еще одной системы активного транспорта - Са2 +-АТФазы, которая выводит Ca2 + из клеток и поддерживает его внутриклеточную концентрацию на значительно более низком уровне (D10-7 М) по сравнению с внеклеточной (D10-3 М). Особенно большое количество Са2 +-АТФазы содержится в мембранах мышечных клеток, где она является частью механизма, регулирующего процесс сокращения мышц. Вторичный активный транспорт может быть симпортним и ан-типортним. В животных клетках ионом, котранспортуеться, как правило, Na +. Примером симпортного вторичного транспорта служит поступление глюкозы и аминокислот в эпителиальные клетки кишечника и почек. В симпортних системах молекулы транспортируются, и Na + связываются с белком-переносчиком, образуя тройной комплекс, например: № +-переносчик-глюкоза. Комплекс переходит на другую сторону мембраны, где высвобождается Na + и глюкоза. Для Na + этот перенос происходит концентрационным градиентом, а для глюкозы или аминокислот - против градиента концентрации. По механизму антипортного вторичного активного транспорта в клеточных мембранах переносится много катионов. Ключевую роль в поддержании внутриклеточного значение pH (7,1-7,2) играет Na +, H + - переносчик-обменник, который входит в состав плазматических мембран почти всех клеток позвоночных. Этот переносчик обеспечивает сопряжения выноса ионов H + из клеток с притоком ионов Na + и, таким образом, удаляет избыток ионов H +, образующийся в результате клеточных реакций окисления.