Аллостерическая регуляция активности ферментов

Аллостерическая регуляция характерна только для особой группы фермен­тов с четвертичной структурой, имеющих регуляторные центры для связы­вания аллостерических эффекторов. Отрицательные эффекторы, которые тормо-

'зят превращение субстрата в активном центре фермента, выс- лупают в роли аллостерических ингибиторов. Положительные аллостерические эффекторы, напротив, ускоряют фермента­тивную реакцию, и поэтому их относят к аллостерическим ак­тиваторам. Аллостерическими эффекторами ферментов наибо­лее часто выступают различ­ные метаболиты, а также гор­моны, ионы металлов, кофер­менты. В редких случаях роль аллостерического эффектора ферментов выполняют молеку­лы субстрата. У таких фермен­тов, очевидно, по конфигурации активный центр сходен с алло­стерическим, - но последний не имеет каталитического участка! 58
(допускается, что у них одинаковы лишь контактные участки), чем и отли­чается от активного центра фермента. Подобные ферменты имеют как бы соб­ственный самоконтроль за скоростью превращения субстрата.

Некоторые ферменты имеют по несколько аллостерическнх центров; одни нз них специфичны к аллостерическим ингибиторам, другие — к акти­ваторам. Прнчем специфичность связывания активаторов и ингибиторов со своими аллостерическим и центрами может быть разной, как и у активных центров: либо абсолютной, т. е. только к одному эффектору, либо групповой, т. е. к группе сходных по строению эффекторов. Это лишний раз доказы­вает, что аллостерический центр — это своеобразный активный центр, лишен­ный каталитического участка. Чем больше аллостернческнх центров н эффек­торов, тем чувствительнее реагирует фермент на изменения в обмене веществ.

Механизм действия аллостерических ингибихоров на фермент заключа­ется в изменении конформации активного центра. Снижение скорости фер­ментативной реакции является либо следствием увеличения Км, либо ре­зультатом снижения максимальной скорости ci_mu при тех же насыщающих концентрациях субстрата, т. е. фермент частично работает вхолостую.

Аллостерические активаторы, напротив, облегчают превращение субстра­та в активном центре фермента, что сопровождается или уменьшением Km. или повышением максимальной скорости v_ma

Аллостерические ферменты отличаются от прочих ферментов особой S-образной кривой зависимости скорости реакции от концентрации субстрата Эта кривая сходна с кривой насыщения гемоглобина кислородом. Она сви­детельствует о том, что активные центры субъединиц функционируют не автономно, а кооперативно, т. е. сродство каждого следующего активного центра к субстрату определяется степенью насыщения предыдущих центров Согласованную работу центров обусловливают аллостерические эффекторы Аллостерические ферменты играют важную роль в ормене веществ клетки. Они занимают «ключевое» положение в метаболизме, поскольку тонко реа­гируют на изменение в обмене веществ и регулируют скорость прохожде­ния веществ по целой системе ферментов. Например, аллостернческая регу­ляция проявляется в виде ингибирования конечным продуктом первого фермента цепи. Строение конечного продукта после серии превращений ис- -ходного вещества (субстрата) не похоже на субстрат, поэтому конечный продукт, может действовать на начальный фермент цепи только как влдосте- рический ингибитор (эффектор). Внешне такая регуляция сходна с регуляцией по механизму обратной связи и позволяет контролировать выход конечного продукта, в случае накопления которого прекращается работа первого фермента цепи:

А-Ь-в -Ь-с —^-ip

где А, В, С, D — метаболиты; Е_ь Е₃, Е_а — ферменты.

Например, аспартат-карбамоилтрансфераза (АКТаза) катализирует первую из шести реакций синтеза цитидинтрифосфата (ЦТФ). ЦТФ—ал­лостерический ингибитор АКТазьг. Поэтому, когда накапливается ЦТФ, проис­ходит торможение АКТазы и прекращается дальнейший синтез ЦТФ. Обна­ружена аллостернческая регуляция ферментов с помощью гормонов. Напри мер, эстрогены - (женские половые гормоны) являются аллостерическим ингибитором фермента глутаматдегидрогеназы, катализирующего дезаминиро- зание глутаминовой кислоты.

11. Множественные молекулярные формы ферментов

Все ферменты, находящиеся в живых организмах, относятся к определенным классам (независимо от источника их получения) в зависимости от типа катализируемых ими реакций. До 1957 г. считалось, что молекулы фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, одинаковы. После того как было обнаружено, что для одного и того же фермента возможно-семейство моле­кул. возник термин «множественные формы ферментов».

Говоря о множественных формах ферментов, имеют в виду ферментные белки, отличающиеся друг от друга по физико-химическим свойствам, но катализирующие одну и ту же химическую реакцию в организме определен­ного вида.

Природа появления множественных форм ферментов разнообразна и до крица не изучена. В зависимости от причины возникновения их делят на две группы: изоферменты (синонимы — изозимьг, изоэнзнмы) и просто мно­жественные формы ферментов.

Изоферменты — это молекулярные формы ферментов, возникающие «следствие генетических различий в первичной структуре ферментно- ю белка, т. е. физико-химические различия их имеют генетическое пронс хождение. Все негенетически возникшие модификации одного и того же фермента называют множественными формами ферментов (табл. 23).

Функция нзоферментов. Существует мнение, что изоферменты играют регуляторную роль в обмене веществ и позволяют метаболизму в разных

Таблица 23. Множественные формы ферментов

Примеры фериен-го

Генетические:

а) генетически независимые белки

б) гибриды двух и более субъединни, имею­щих независимое генетическое происхож­дение

в) генетические (или алелломорфиые) вариан­ты одного белка, вследствие чего возни­кают перестановки аминокислот в поли- пептидной цепи, не влияющие на специфи­ческую функцию фермента

Негенетические:

а) белки, сопряженные с другими группами

б) белки, образовавшиеся из одной

тидной цепи (из проферментов)

субъединицы

в) полимеры одной и той ж (разные гомополимеры)

г) кон фор мац ионные формы, разную конформацню одн<

Малатдегидрогеназа митохонд­рий н цитоплазмы Л а ктатдегидроген аза

Фосфорнлазы А и В Семейство х и мотр и псинов, об разую щихся из химотрнпси-

Глутаматдег и дрогена за {мол. масса 10^s и 2, 5. 10^s) Все аллоегерические модифи­кации ферментов

тканях лучше приспосабливаться к действию внутренних и внешних факто­ров. По существу, изоферменты позволяют изменять направление биохимиче­ских реакций, так как содержание отдельных изоферментов в разных клет­ках и тканях и даже в отдельных органоидах внутри клетки неодинаково. Поскольку отдельные изоферменты обладают разным сродством к субстратам и скоростью их превращения, то вариации в наборе индивидуальных молекул изоферментов обеспечивают неодинаковую скорость протекания прямой и обратной реакций. Направление превращений определяет изофермент, пре­обладающий в данном участке клетки.

12. Полиферментные системы

Каждая клетка организма имеет свой специфический набор ферментов. Некоторые ферменты содержатся во всех клетках, другие присутствуют лишь в немногих. В клетке работа каждого фермента, как правило, не индивидуаль­на, а. тесно связана с другими ферментами. Так из отдельных ферментов (точнее их множественных форм) формируются полиферментные системы, или конвейеры.

Работа полиферментных систем зависит от особенностей их организации в клетках. Можно условно выделить следующие виды организации поли­ферментных систем: функциональная, структурно-функциональная и сме­шанная.

Функциональная организация примечательна тем, что отдельные фермен­ты объединены в полиферментную".систему, выполняющую определенную функцию, с помощью метаболитов, которые диффундируют от одного фер­мента к другому. Причем в функционально организованных полиферментных, системах.продукт реакции первого фермента в цепи служит субстратом для следующего и т. д.

Часто метаболит может выполнять роль связки между разными поли­ферментными системами, если он является общим для индивидуальных фер­ментов разных полиферментных цепей, каждая нз которых выполняет свои биохимические функции в клетке. Такие «перемычки» нз метаболитов объеди­няют ферментные системы, даже локализованные в разных органоидах клетки, в единую метаболическую карту клетки.

Примером функциональной организация полиферментных систем служит гликолиз, т. е. распад глюкозы. Все ферменты гликолиза находятся в раство­римом состоянии. Каждая реакция катализируется отдельными ферментами. Связующим звеном здесь служат метаболиты. Положение каждого фермента в цепи устанавливается по сродству их к субстратам (начиная с глюкозы), каждый из которых соответственно является продуктом реакции, катализи­руемой предыдущим ферментом.

Структурно-функциональная организация заключается в том, что фермен­ты образуют структурные системы с определенной функцией при помощи фер­мент-ферментных (белок-белковых) взаимодействий. Таким образом формиру- ■ Ътся структурные полиферментные надмолекулярные комплексы. К ним отно­сятся, например, полиферментный комплекс пируватдегилпогеназа, состоящий лз нескольких ферментов, участвующих в окислении пировиноградной кисло­ты, или синтетаза жирных кислот, состоящая из семи структурно связанных ферментов, в целом выполняющих общую функцию — синтез жирных кислот-

в—271

Такие полиферментные комплексы очень прочны'и с трудом распадаются на отдельные ферменты. Этим они отличаются от полиферментных систем с функциональной организацией.

Кроме полиферментных комплексов возможен и другой вариант струк­турно-функциональной организации. Так, ферменты могут закрепляться на биологической мембране и выстраиваться в цепи. Таким образом, например, устроена дыхательная цепь митохондрий, участвующая в транспорте электро­нов и протонов и образования энергии.

Очевидно структурно-функциональный тип организации важен для тех ферментных систем, биологические функции которых должны выполняться с большой степенью стабильности. Разделение ферментов в таких системах прек­ращает их деятельность.

Смешанный тип организации полиферментных систем представляет собой комбинацию обоих типов организации, т. е. часть полиферментной системы имеет структурную организацию, часть—функциональную. Примером такой организации служит пол и ферментная система цикла Кребса, где часть фер­ментов объединена в структурный комплекс (2-оксоглутаратдегидрогеназный комплекс), а часть соединена друг, с другом функционально с помощью связующих метаболитов.

13. Иммобилизованные ферменты

Иммобилизованные, или нерастворимые, ферменты — это искусственно полу­ченный комплекс фермента с нерастворимым в воде носителем. Иммобили­зация (от лат. immobilis — «неподвижный») осуществляется: путем физиче­ской адсорбции фермента на нерастворимом материале; включением фер­мента в ячейки геля; а также ковалентным связыванием фермента с нера­створимым материалов или молекул фермента между собой с образованием нерастворимых полиферментных комплексов.

S качестве адсорбентов используют стекло, силикагель, гндроксилапа- ткт, " целлюлозу и ее производные. Для включения фермента в ячейки геля используют разнообразный гелеобразующнй материал, чаще всего полиакри­ла мидный гель. В качестве материала для ковалентиого связывания фермен­тов применяют полипептиды, производные стирола, полиакриламид, нейлон, различные производные целлюлозы, крахмал, агарозу, а также стекло, силикагель и т. д. При ковалентном связывании ферменты находятся на химическом «поводке» у нерастворимого носителя.

При получении иммобилизованных ферментов принимают все меры предосторожности для сохранения активности фермента. Иммобилизованные ферменты обычно менее активны, чем исходные, поскольку связывание с носителем ослабляет контакт с субстратом.

Иммобилизованные ферменты являются как бы моделью структурно- организованных в клетке ферментов (мембрана — это та же нерастворимая основа для соединения с ферментом), поэтому они служат для изучения свойств ферментов, связанных с внутриклеточными структурами. Помимо этого, иммобилизованные ферменты имеют большое преимущество перед обычными ферментами. Нерастворимые ферменты легко удаляются из реак­ционной среды, их можно промывать от продуктов реакции и вновь исполь­зовать. 162

14. Практическое значение ферментов

Ферменты широко применяются а практической деятельности человека. Они используются в различных областях народного хозяйства, не говоря уже об исключительном значении для медицинской практики. Препараты амилазы (получаемые из плесневых грибов) облегчают гидролиз крахмала и тем самым улучшают созревание теста при выпечке высших сортов хдебо-булочных изде­лий и спиртовое брожение при получении пива. Другой фермент — пектнназа, гидролизующий пектиновые вещества оболочек растительных клеток, увели­чивает выход сока из плодово-ягодной продукции и облегчает извлечение из растительного сырья ценных эфирных масел, используемых в парфюмерии.

Обработка яротеолнтическими ферментами мяса повышает скорость его созревания, оно становится мягким, нежным и вкусным. В-кожевенном произ­водстве те же протеолнтическое ферменты применяют для обработки шкур н мягчения кожевенного сырья.

Специфические свойства фермента глюкозооксидазы, катализирующего прямое окисление глюкозы кислородом воздуха, применяются в пищевой про­мышленности для удаления глюкозы из продуктов, подлежащих длительному хранению, и кислорода из консервных банок и бутылок с напитками, что предохраняет продукты от порчи. Ферментные добавки (протеолитические ферменты) применяют в производстве специальных стиральных порошков, которые снимают «белковые пятна» на одежде.

В сельском хозяйстве ферменты применяют как добавки при силосовании кормов, что повышает доступность биологических веществ и улучшает пита­тельную ценность корма. С помощью бактериальных ферментов получают из нефтяных продуктов кормовой белок для животноводства.

В медицине ферменты имеют диагностическое значение — определение отдельных ферментов в клинике помогает распознаванию природы заболева­ния. Их используют для замещения недостающего фермента в организме или для разложения какого-либо субстрата, с избыточным содержанием которого связывают признаки заболевания. Наиболее часто в клинике применяют пищеварительные ферменты (пепсин, трипсин и т. д.).

С помощью иммобилизованных ферментов осуществляется промышлен­ный синтез ряда гормональных препаратов на фармацевтических предприя­тиях, разработаны высокочувствительные методы анализа лекарств, экспресс- анализ биологических компонентов и многое другое. Протеолитические фер­менты (трипсин, химотряпсин), иммобилизованные на марлевых салфетках, тампонах, применяют в хирургической практике для очищения гнойных ран, омертвевших тканей, основанного на ферментативном разложении белков по­гибших клеток в гнойных ранах. Иммобилизованные и растворимые ферменты становится одним из самых распространенных лекарств биологического^ происхождения.

ГЛАВА 11. ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ В ОРГАНИЗМЕ

Транспорт, или перемещение веществ из одного участка в другой, — необхо димое звено не только обмена веществ, но и вообще процессов жизнедеятель­ности организма. Чаще всего транспорт играет связующую роль, на пример, восполняя «разрыв» между различными участками метаболизма внутри клеток или разными тканями и органами.

Благодаря транспорту возможна биохимическая специализация органов и тканей организма, что экономит энергетические и пластические ресурсы для синтеза всего набора ферментов в каждой ткани и органе. Например, жировая ткань специализирована на образовании триацилглицеринов из раз­личных субстратов и освобождает прочие ткани от необходимости синтезиро­вать их в больших количествах. По мере надобности происходит мобилиза­ция липидов в жировой ткани и снабжение ими других тканей и органов. Таких примеров координации обмена веществ в организме много.

Транспорт веществ возможен с помощью следующих механизмов.

I Механический транспорт: а) без носителя; б) с носителем.

2. Диффузионный транспорт: а) обычная диффузия (пассивный транс­порт); б) облегченная диффузия (облегченный транспорт).

3. Активный транспорт: а) первичный активный транспорт; б) вторичный активный транспорт.

4. Электрофоретический транспорт.

5. Везикулярный транспорт (цитоз): а) пиноцитоз (эндоцитоз); б) экзо- цитоз.

Механизмы транспорта отличаются друг от друга природой сил, застав­ляющих перемещаться вещества из одного участка в другой, й некоторыми другими особенностями.

1. Механический транспорт

Механический транспорт веществ происходит в результате движения (цирку­ляции) жидкости или гидростатического давления, создаваемого механи­ческой работой сердца и других органов. Механический транспорт имеет место при переносе веществ с кровью и лимфой и присущ любым веществам (при­родным и чужеродным), которые в данный момент находятся в этих циркули­рующих жидкостях. Можно выделить две разновидности механического транспорта: с носителем и без носителя. В первом случае переносимое вещест­во растворено в водной среде, т. е. является гидрофильным, а во втором — связывается с носителем (с белками или даже с клетками крови). Как пра­вило, во втором случае транспортируются неполярные вещества, которые при отсутствии или недостатке носителя могут «оседать» на эндотелии сосудов.

2. Диффузионный транспорт

Диффузионный транспорт происходит под действием осмотических сил, т. е, связан с градиентом концентрации данного вещества. В бесструктурной среде (например, во внутри- и внеклеточной жидкости)' временный градиент концентрации веществ может наблюдаться, например, вследствие проникно­вения их из других «отсеков» в данный участок или в результате образо­вания их с помощью находящегося в этом участке фермента. С помощью диф­фузии происходит перемещение веществ нз зоны производства в зону потреб ления. В структурно организованной среде — мембране — диффузия возникает из-за разницы концентрации веществ по обе стороны мембраны, например •

" ' шш

T ранило of на»" J

Рис. 29. Схема транспорта веществ через мембрану. I — простая диффузия; II — облегченная диффузия; 111 — активный транспорт: а — первичный активный транспорт, б — вторичный активный транспорт; IV— эадоиитоэ (пииоцнтоз); V — экзо-

между внутри- и внеклеточной средой на плазматической мембране или между внутри- и внемитохондризльной средой на митохондриальной мембране и т. д. Диффузия бывает двух типов (рис. 29) — обычная (пассивный транспорт) и облегченная (облегченный транспорт).

Обычная диффузия, или диффузия без переносчика (рис. 29, /), опреде­ляется градиентом концентрации и растворимостью транспортируемых веществ в среде или веществе мембран (особенно его липидного слоя). Путем обыч­ной днффузни перемещаются в бесструктурной среде (клеточном соке, меж­клеточной жидкости) все водорастворимые молекулы, если возникает избыток вещества на одном из участков. Через мембрану путем простой диффузии проникают малые биомолекулы — вода, С0₂, 0₂, а также некоторые ионы, глюкоза и, возможно, другие вещества. Чужеродные вещества, проникаю­щие в организм, могут проникать через мембрану путем пассивного транспор­та внутрь клетки, если они липофильны.

Облегченная диффузия (рис. 29, II) отличается от обычной только тем, что происходит с подвижным переносчиком, облегчающим прохождение ее-. щества по градиенту концентрации. Возможна внемембранная и мембран- • ная облегченная диффузия вещества. При внемембраннфй диффузии вещество связывается со специфическим носителем в биологических жидкостях (внутри-
и межклеточной среде). В качестве переносчиков чаще всего выступают белки, например белки-рецепторы, связывающие гормоны, витамины и т. д. внутри клетки. Для облегченной мембранной диффузии требуется переносчик, находящийся в мембране. В зависимости от направления-переноса вещества облегченная диффузия может быть латеральной (если белок, связывающий вещество, движется вдоль мембраны) и поперечной (если белок движется сквозь мембрану).

В отличие от обычной диффузии при облегченной диффузии имеется предел скорости транспорта, поскольку он зависит не столько от разницы концентрации вещества по обе стороны мембраны, сколько от количества молекул-переносчиков. Поэтому зависимость скорости транспорта вещества от его концентрации графически напоминает кривую Михаэлиса. Она имеет зону насыщения, что отличает облегченный транспорт от пассивного (в последнем случае насыщения не бывает н по мере увеличения концентрации вещества скорость переноса постоянно возрастает). Транспорт путем облегченной диффузии используется для переноса органических кислот, моносахаридов, жирорастворимых витаминов, стероидных гормонов и т. д. Очевидно, чуже­родные, для организма вещества полярной природы также проникают путем облегченной диффузии, связываясь с подходящими переносчиками, хотя последние на несколько порядков менее специфичны для чужеродных соеди­нений, чем для природных.

3. Активный транспорт

При активном транспорте (рис. 29, Ш) перенос веществ происходит против градиента концентрации, т. е. из зоны низкой концентрации вещества в зону его высокой концентрации. Такой транспорт обязательно требует затрат энергии, поскольку переносить вещество приходится против действия осмотических (концентрационных) сил. Источником энергии активного транспорта служит АТФ или электрохимический потенциал некоторых ионов (например, ионов водорода, натрия). Активный транспорт (в отличие от механического и диф­фузионного) является ферментативным процессом. Он осущест­вляется специальными ферментными транспортными системами, способными использовать химическую энергию АТФ или энергию электрохимического по­тенциала для транспорта веществ. Другая особенность активного транспорта состоит в том, что он возможен только в организованных структурах —- бномем- бранах, через которые не могут свободно диффундировать вещества по гра­диенту концентрации. Поэтому мембраны поддерживают градиент, создавае­мый ферментной системой активного транспорта.

В зависимости от использования источника энергии активный транспорт может быть первичным и вторичным. В первичном (рис. 29, III, о) на транс­порт данного вещества против его градиента концентрации по обе стороны мембраны затрачивается энергия АТФ. Во вторичном используется электро­химический градиент на мембране какого-либо вещества (например, ионов натрия и водорода), на создание которого была затрачена АТФ, т. е. энергия АТФ расходуется на транспорт косвенно, через градиент другого вещества Созданный электрохимический градиент того же натрия используется для транспорта другого веществу, например глюкозы. При вторичном актив­ном транспорте одно вещество (А) как бы создает условия для прохожде- 166 ния другого вещества (В) (рис. 29, ///, 6). Причем направление перемещения через мембрану двух веществ или совпадает, или не совпадает. Если вещества переносятся в одном направлении, например, Na⁺ и глюкоза, то такой совместный транспорт называется симпорт. Если вещества пересекают мем­брану в противоположных направлениях, то такой транспорт называется ■ антипорт.

Путем первичного активного транспорта переносятся ноны натрия, ка­лия, кальция, магния (возможно, и другие) через клеточную мембрану, а ионы водорода — через митохондриальную мембрану. Транспортными системами для них служат специальные ферменты аденозинтрифосфатазы (АТФазы), которые локализованы в толще мембпян Они гидролизуют ЛТФ на АДФ и неорганический фосфат и используют энергию фосфатных связей на пере­нос ионов через мембрану. Для каждых ионов имеется' своя специфическая АТФаза, которая ими активируется. Так обнаружены Na⁺, K⁺-АТФаза, Са²⁺-АТФаза, Л^^г+-АТФаза, Н⁺-АТФаза, которые создают градиент концент­рации соответствующих ионов между двумя сторонами мембраны. При этом расходуется АТФ, т. е. фактически химическая форма энергии АТФ трансфор­мируется в осмотическую энергию (выражающуюся в разнице концентраций ионов на мембране) и электрическую, если на одной из ее сторон создается избыток электрических зарядов.

Возможен ли обратный процесс, осуществляемый АТФазами? Считается, что действие АТФаз обратимо. Поэтому энергия, накопленная в виде элект­рохимического градиента ионов на мембране, может, в принципе, использо­ваться на синтез АТФ из АДФ и НзРО*, если ионы будут, перемещаться по градиенту их концентрации.

Na⁺, K⁺-АТФаза имеется во всех клетках организмов животного и расти­тельного мира, в бактериях. Это говорит об универсальной общебиологи­ческой функции ее как транспортной системы. В организме человека наиболее высока активность ее в нервной ткани, в почках и секреторных органах, т. е. там, где наиболее выражены процессы активного транспорта веществ. •Na⁺, К⁺-АТФаза локализована главным образом в клеточной мембране (хотя обнаруживается этот фермент и в мембранах эндоплазм этического ретикулу- ма, ядерной мембране). Она обеспечивает первичный активный транспорт ионов Na⁺ н К* через клеточные (и, возможно, другие) мембраны. Nat, К⁺- АТфаза находится в толще мембраны (рис. 30). Такое расположение фер­мента позволяет асимметрически связываться с ним ионам Na⁺ и К⁺, нахо­дящимся по обе стороны клеточной мембраны. Для Na⁺, К⁺-АТФазы необ­ходимы ионы Mg^J+, которые помогают связываться АТФ с активным центром фермента, обращенным внутрь клетки. Фактически субстратом фермента слу­жит комплекс Mg^-АТФ. Присоединение Мд²⁺-АТФ к активному центру фер­мента изменяет его сродство к ионам натрия и калия. Для проявления актив­ности Na⁺, К⁺-АТФазы, т. е. для гидролиза АТФ, необходимо связывание иона Na⁺ на внутренней поверхности мембраны (внутри клетки) с так назы­ваемым натриевым участком фермента, а иона К⁺—-на внешней поверхности (вне клетки) с калиевым участком. Это вызывает активный транспорт ионов в противоположных направлениях за счет гидролиза АТФ. При этом в ходе гидролиза АТФ образуется промежуточный продукт— фосфорилированный. фермент.

.Под действием Na⁺. К⁺-АТФазы ионы натрия постоянно откачиваются

из клетки (поэтому Na⁺, К⁺-АТФа- зу часто называют натриевым насо­сом), а ионы калия поступают из внеклеточной среды внутрь клетки, т. е. наблюдается антипорт этих 2К⁺ ионов. Для проявления максималь­ной активности Na⁺, К⁺-АТФазы концентрация ионов Na⁺ должна быть около 100 ммоль/л, а калия — 3Na⁺ 20 ммоль/л. Причем нон Na⁺ яв­ляется обязательным для работы Na⁺, К⁺-АТФаэы, а ион К⁺ может быть заменен другими одновалент­ными катионами — аммония, руби­дия, цезия, лития и даже таллия.

При гидролизе одной молекулы АТФ Na⁺. К -АТФаза вызывает пе­ренос трех ионов Na⁺ из клетки и двух ионов К⁺ в клетку (см. рис. 30). Неравнозначный перенос ^{(по у}'заряженных частиц через мембрану вызывает поляризацию мембраны — появление положительного заряда на внешней и отрицательного на внутренней ее сторонах. Поэтому натрие­вый насос называют электрогенным. Градиент Na⁺, создаваемый на мембране работой Na⁺, К⁺-АТФазы, используется для вторичного активного транспорта различных веществ, например глюкозы, аминокислот. Он играет роль своеоб­разной энергетической «пружины», с помощью, которой обеспечивается пере­ход других веществ (аминокислот, глюкозы) против градиента их концент­рации.

Все природные вещества, лекарства и яды, изменяющие активность Na⁺, К⁺-АТФазы, влияют на натрий-калиевый градиент на мембране, ее электрический заряд (а следовательно, и на функцию возбудимых тканей) и транспорт веществ через мембрану с помощью электрохимического градиента ионов Na⁺. Среди регуляторов Na⁺, К⁺-АТФазы имеются ингибиторы и акти­ваторы. Ее природным регулятором являются ноны кальция. Внешний Са²⁺ активирует связывание внешнего К⁺ специфическим участком фермента н включает работу Na⁺, К⁺-АТФазы по транспорту ионов. Избыток внутрикле­точного' Са²⁺, напрртив, блокирует Na⁺, К⁺-АТФазу, и только устранение высоких концентраций внутриклеточного Са²⁺ другими системами позволяет включить Ыа⁺/К⁺-насос.

Классическими ингибиторами фермента являются уабаин (строфантин G) и другие препараты сердечных гликозидов, широко использующиеся в меди­цинской практике как стимуляторы сердечных сокращений. Торможение сер­дечными гликозидами фермента вызывает выравнивание натриевого градиен­та на мембране, ее деполяризацию и угнетение вторичного активного транс­порта веществ через мембрану. Гликозиды ингибируют Na⁺, К⁺-АТФазу, связываясь с участком фермента, обращенным на внешнюю сторону клеточ­ной мембраны, т. е. конкурируют за места связывания с ионами К⁺. Если гли-
козндами подействовать на фермент с внутренней стороны, то они никакого влияния на функцию Na⁺/K⁺-Hacoca не оказывают. Поэтому действие сердеч­ных гликозндов можно снять избытком ионов К⁺, что используется в меди­цинской практике, когда нагружают организм растворами солей калия при отравлении гликозидами.

Ингибиторами фермента являются также тетраэтиламионий, ионы меди, железа, некоторые гормоны (эстрогены, глюкагон, адреналин). Активируют Na⁺, К⁺-АТФазу многие природные аминокислоты, дипептиды (карнозин и ансерин). Увеличивают количество этого фермента в почках кортикостеронды (особенно альдостерон).

Са²⁺-АТФаза. Другой фермент активного транспорта — Са²⁺-АТФаза — использует энергию гидролиза АТФ для переноса против градиента ионов кальция. Этот фермент находится как в клеточной, так и во внутриклеточ­ных мембранах — эндоплазматического ретикулума, митохондрий. Высокая активность Са²⁺-АТФазы, или кальциевого насоса, отмечается в мышечной ткани, особенно в саркоплазматическом ретикулуме, в нервной ткани, почках, т. е. там, где процессы активного транспорта определяет функцию органов и тканей. Са²⁺-АТФаза откачивает ноны Са²⁺ за счет энергии АТФ в обмен на ионы Na" ¹" или Mg²⁺, т. е. происходит антипорт этих катионов. Причем количество обмениваемых катионов одинаково. Поэтому кальциевый насос в отличие от натриевого является электронебтральным. За счет градиента ионов кальция на мембране возможен вторичный активный транспорт других веществ.

Са²⁺-АТФаза мембран митохондрий обменивает ионы Са²⁺ на ионы Н⁺, причем Са²⁺ поступает внутрь митохондрий, а протоны — наружу.

С помощью кальциевых насосов эндоплазматического ретикулума и мито­хондрий регулируется внутриклеточное содержание Caⁱ⁺, а с ним активность многих ферментов, чувствительных к этому нону.

М^⁺-АТФаза — малоизученная транспортная система, находящаяся во внутриклеточной и плазматических мембранах. Активность этого фермента относительно низка. Эта транспортная система обеспечивает антипорт ионов Mg²⁺ на два, иона Na⁺ или Н⁺ при гидролизе одной молекулы АТФ, 'т. е. транспорт электронейтрален.

Н⁺-АТФаза участвует в преобразовании энергии во внутренних мембра­нах митохондрий и тилактоидов хлоропластов (подробно ее функции- изла­гаются в разделе «Биоэнергетика»), Градиент ионов Н⁺ на мембранах упо­мянутых органоидов используется для вторичного активного транспорта, например органических кислот через мембрану.

4. Электрофоретическнй транспорт

Электрофоретический транспорт — это транспорт заряженных частиц в элект­рическом поле. Движущей силой транспорта служат знак заряда и значение электрического потенциала, например, на мембране. Поскольку все мембраны поляризованы и имеют тот или иной электрический потенциал, то возможно перемещение веществ из одного внутриклеточного пространства в другое или между вне- и внутриклеточной средой путем электрофореза. Таким способом транспортируются, например, органические кислоты, возможно, минеральные вещества и нуклеотиды.

5. Везикулярный транспорт (цитоз)

Везикулярный транспорт обеспечивает перенос крупных молекул и частиц (белки, обломки мембраны, чужеродные тела) через клеточную мембрану. В ходе транспорта образуются везикулы, или пузырьки, состоящие из пере­носимых молекул вещества, окруженных участком клеточной мембраны. Раз­личают два вида цитоза — пиноцитоз (эндоцитоз), когда вещества втяги­ваются из внешней среды внутрь клетки (т. е. поглощаются из внешней среды), и экзоцитоз, когда макромолекулы поступают из клетки во внешнюю среду. Пиноцитоз особенно выражен у лейкоцитов, гистиоцитов, клеток так называемой ретнкулоэндотелиальной системы, находящихся в костном мозге, селезенке, печени и т. д. Способность к пиноцитзу, выраженная в разной степени, наблюдается у всех клеток организма. Механизм пиноцитоза во многом неясен. При контакте крупных молекул или частиц с внешней поверх­ностью клеточной мембраны ее участок становится податливее, и вещество как бы утопает, втягивается внутрь клетки вместе с этим участком мембраны. Предполагают, что в мембране находится особый гликопротенд (кластрии), который помогает втягивать внутрь клетки участок мембраны, контактирую- • щий с поглощаемой частицей. Считают, что для этого процесса используется энергия АТФ.

Поступающие в клетку вещества, как правило, сливаются с лизосомами, где подвергаются действию их гидролитических ферментов. Чужеродный материал, даже бактерии, поглощенные клетками, могут уничтожаться таким способом.

Экзоцитоз типичен для клеток, способных к секреции крупных молекул, например белков. Этот механизм транспорта особенно активен в железистых клетках, секретирующих макромолекулы в окружающую среду. Участвуют в этом процессе компоненты аппарата Гольджи.

6. Локализация переноса веществ в организме

В зависимости от локализации переноса веществ в организме можно условно выделить следующие его разновидности (для каждой из них используются свои механизмы транспорта): 1) межорганный (межтканевой); 2) транс­капиллярный; 3) трансцеллюлярный; 4) внутриклеточный; 5) межмолеку­лярный.

Межорганный (межтканевой) перенос — вещества транспортир уютсй (распределяются) между органами или тканями. Перенос осуществляется механическим способом с кровью и лимфой, т. е. гематогенным и лимфоген- ным путем. Масса переносимого в единицу времени вещества зависит от растворимости его в крови и лимфе (если для растворения необходим носитель, то от количества связующих мест носителя) и скорости движения жидкости. Скорость движения крови определяется прежде всего сократи­тельной деятельностью сердца и рядом других факторов. Значит, массо- перенос любого вещества между органами зависит от его концентрации в крови (лимфе) и скорости кровотока (лимфотока). Снижение растворимости веществ (вследствие любых причин) 170 и снижение кровотока из-зга слабости сердечной деятельности или иных при­чин уменьшает эффективность межорганного транспорта веществ.,

Транскапиллярный транспорт. В капиллярах (кровеносных и лимфати­ческих) происходит обмен между химическими компонентами крови и меж­клеточной жидкостью, а следовательно, клетками тканей. Поскольку функция капилляров состоит в снабжении клеток органов и тканей необходимыми для жизнедеятельности веществами (энергетическими, структурными, минераль­ными, кислородом и др.) и в удалении продуктов метаболиза, то количество капилляров в тканях с интенсивным окислительным обменом (например, в сердце) выше, чем в тканях с более низким обменом (например, в скелетных мышцах). Капилляры состоят из одного слоя клеток эндотелия, скрепленных гликопротеидами, и базальной мембраны, образующей «подстилку» для эндо- телиальных клеток. Базальяая мембрана построена из мукополисахаридов (главным образом гиалуроновой кислоты) и двух типов белков — коллагена и глнкопротеида, переплетенных между собой в виде решетки.

' " Строение капилляров позволяет проникать веществам через так называе­мые' «поры» между эндотелиальными клетками, размер которых колеблется в разных типах капилляров от 4 до 200 нм, и непосредственно сквозь эндоте­лий (трансэндотелиальный перенос)..Через капилляры проходят как крупные молекулы типа белков (и даже клетки крови, включая самые крупные эритро­циты), так и более мелкие: вода, соли, органические кислоты, моносахариды и т. д.

, В основе транскапиллярного обмена лежат различные механизмы транс­порта. Движение жидкости, а с ней и растворенных веществ -через капил­лярную стенку возникает за счет разницы гидростатического давления между кровью и межклеточной жидкостью, а также разницы осмотического давления между ними. Вещества движутся через поры между эндотелиальными клет­ками, рыхло сцепленными гликопротеидами, и через полисахаридную решетку базальной мембраны по градиенту гидростатического осмотического давления. Транспорт веществ через капилляр напоминает ультра фильтрацию. Значение фильтрационного, давления можно вычислить и. предсказать направление перемещения веществ между кровью и межклеточной жидкостью. В арте­риальном конце капилляра гидростатическое давление равно 3, 990 кПа, в венозном — 1, 995, в межклеточной жидкости — 1, 064 кПа. Раз­ница гидростатического давления в артериальном отрезке капилляра состав­ляет 2, 926 кПа, а в венозном — 0^931 кПа. Осмотическое давление плазмы крови, обусловленное концентрацией белков (онкотическое давление) и различных солей, равно 3, 325 кПа, а тканевой жидкости — около 1, 330 кПа. Разница его составляет в обоих концах капилляра 1, 995 кПа. Высокое осмо­тическое давление крови противостоит гидростатическому давлению и спо­собствует поступлению воды и растворенных веществ из межклеточной жид­кости. Фильтрационное давление, составляющее разницу между гидростатическим и осмотическим, имеет в артериальном отрезке капилляра положительное значение 0, 931 кПа, а в венозном отрицательное —1, 064 кПа. Это благоприятствует фильтрации веществ (механический транспорт) в арте­риальном отрезке капилляра и всасыванию их в венозном. Всякие изменения гидростатического и осмотического давлений сказываются на транспорте веществ через'капилляр.

Кроме механического транспорта через капиллярную стенку происходит обмен с помощью диффузии, везикулярного транспорта, активного транспор­та. Если.диффузия веществ между кровью и межклеточной жидкостью воз­можна как через поры между клетками эндотелия, так и через клетки, то остальные механизмы транспорта возможны только при непосредственном учас­тии эндотелиальных клеток. Интересно, что везикулярный транспорт (или, как его называют, микровезикулярный) веществ происходит сквозь клетки эндоте­лия из крови в межклеточную жидкость.

Межклеточный транспорт имеет место в межклеточной среде. Вследствие постоянного гидростатического давления в этом участке организма транспорт веществ между клетками возможен путем диффузии или электрофореза, поскольку внешня-я поверхность клеток отрицательно заряжена по отношению к окружающей среде.

Трансцеллюлярный транспорт — перенос веществ сквозь клеточную мембрану любых клеток. Необходим для обмена между клеточной и внутри­клеточной средой. Транспорт веществ осуществляется с помощью диффузии (простой и облегченной), электрофореза, активного транспорта (первичного и вторичного), везикулярного транспорта.

Внутриклеточный перенос — имеет место при транспорте веществ между различными органоидами и пространствами внутри клетки. Механизмы транс­порта те же, что для трансцеллюлярного.

Межмолекулярный перенос заключается в транспорте веществ между активными центрами соседних макромолекул ферментов, входящих в состав надмолекулярного комплекса или полиферментной цепи.