Вступ

Клітинні мембрани відіграють важливу роль із кількох причин: по-перше плазматична мембрана (плазмалема) відмежовує внутрішній вміст клітини від навколишнього середовища, вона також забезпечує рецепторну функцію — тобто сприйняття хімічних та деяких фізичних подразнень, через плазматичну мембрану в клітину надходять необхідні речовини і видаляються відходи; по-друге внутрішні мембрани клітини ділять її на окремі відсіки — компартменти, кожен із яких призначений для певних метаболічних шляхів: наприклад фотосинтезу, або гідролізу біополімерів. Окрім того деякі хімічні реакції можуть протікати тільки на самих мембранах, наприклад реакції світлової фази фотосинтезу або кінцевий етап аеробного окиснення.

Клітинна мембрана – це біологічна мембрана, що оточує протоплазму (вміст живої клітини) рослинних і тваринних клітин. Вона бере участь у регуляції обміну речовин між клітиною та її навколишнім середовищем [4, c.24] .

Транспорт речовин через клітинну мембрану являє собою перенесення речовини через біологічну мембрану, котре протікає:

– у напрямку електрохімічного градієнта, без витрат енергії організму, тоді відбувається пасивний транспорт;

– проти напрямку електрохімічного градієнта, з витратою енергії організму, тоді відбувається активний транспорт [2, c .43–44].

Об’єкт даної роботи – клітина та клітинна мембрана.

1. Будова та функції біологічних мембран

Товщина біологічних мембран становить близько 7 нм. Мембрани всіх організмів складаються в основному із фософоліпідів, в молекулах яких виділяють дві основні частини: гідрофільну «голову» (залишок фосфатної кислоти і холіну, серину, етаноламіну або іншої полярної сполуки) та два гідрофобні «хвости» (залишки жирних кислот). У складі клітинної мембрани фософоліпіди утворюють бішар, в якому гідрофільні голови повернуті назовні — у полярний водний розчин, а гідрофобні хвости — всередину. Крім фософоліпідів до складу мембран входять також інші типи ліпідів, такі як гліколіпіди, сфінголіпіди та холестерол.

Іншим важливим компонентом клітинної мембрани є білки, їхній вміст може коливатись від 18% в мембрані аксона до 75% у мембранах тилакоїдів. Всі мембранні білки можна поділити на три основні групи:

Трансмембранні (інтегральні) білки мають у своєму складі гідрофобний домен, який пронизує ліпідний бішар, до цього класу належать всі іонні канали та більшість клітинних рецепторів;

Білки заякорені в мембрані за допомогою ліпідів — ковалентно з’єднані із певною неполярною сполукою, найчастіше глікозилфосфатидилінозитолом (англ. GPI), яка входить у гідрофобну частину ліпідного бішару, і таким чином утримує білок на поврехні мебмрани. Представниками цієї групи є G-білки;

Периферійні білки нековалентно взаємодіють із іншими білками або гідрофільними головами фосфоліпідів і утримуються поблизу поверхні мембрани тільки тимчасово, прикладом цієї групи білків можуть бути деякі ферменти.

У 1972 році Сінгер і Ніколсон запропонували рідинно-мозаїчну модель будови мембрани, згідно із якою фосфоліпідний бішар є двовимірною рідиною, в якій вільно плавають білкові молекули, утворюючи ніби мозаїку, яка постійно змінюється[9]. Зовнішня і внутрішня сторони мембрани відрізняються по фосфоліпідному і білковому складу і функціях.

Клітини ендотелію людини: синім флуоресцентним маркером позначена ДНК, а зеленим — білки кадгерини, що забезпечують клітинну адгезію

До основних функцій мембран належать:

1. Обмеження вмісту клітини. Мембрани характеризуються вибірковою проникністю: через них можуть проходити неполярні молекули (наприклад кисень, вуглекислий газ, стероїдні гормони), але вони непроникні для великих полярних та заряджених молекул (амінокислот, моносахаридів, неорганічних іонів). Маленькі полярні молекули, такі як вода можуть перетинати ліпідний бішар, але цей процес досить ускладнений. Через такі свої властивості мембрана утримує всередині клітини всі біополімери та заряджені молекули, а також запобігає проникненню таких молекул із зовні.
2. Транспортна функція. Мембрани регулюють процес транспорту в клітину потрібних речовни та виведення із неї відходів. Розрізняють наступні види клітинного транспорту:

Пасинвний транспорт — рух речовин через мембрану по градієнту концентрації (від ділянки із більшою концентрацією до ділянки з меншою концентрацією) без затрати енергії:

Проста дифузія — рух речовин (наприклад гідрофобних молекул або розчинених газів) безпосередньо через ліпідний бішар. Різновидом простої дифузії є осмос — рух води через напівпроникну мембрану із ділянки з менш концентрованим розчином у ділянку із більшою концентрацією розичиненої речовини.

Полегшена дифузія — рух молекул через спеціальні білкові канали або за посередництва білкових переносників за градієнтом концентрації (наприклад рух неорганічних іонів через іонні канали).

Активний транспорт — рух речовин через мембрану проти градієнту концентрації, що відбувається із затратою енергії і здійснюється за допомогою спеціальних білків насосів. Розрізняють первинний активний транспорт, для якого використовується енергія гідролізу АТФ (наприклад робота Натрій-калієвого насосу), та вторинний активний транспорт, за якого для транспорту однієї речовини проти градієнту концентрації інша транспортується за градієнтом (наприклад процес всмоктування глюкози клітинами тонкого кишківника).

Ендоцитоз і екзоцитоз — енергозатратні процеси транспортування речовин і часточок у клітину (ендоцитоз) або із клітини (екзоцитоз) за участі мембранних везикул (пухирців).

3. Рецептора функція. На поврехні плазматичної мембрани розташована велика кількість клітинних рецепторів (найчастіше глікопротеїнів), що сприймають різні хімічні та фізичні сигнали та передають їх всередину клітини. Таким чином, наприклад клітина сприймає сигнали, що передаються у формі гормонів, нейромедіаторів, цитокінів, також за участі рецепторів та інших поврехневих білків клітини багатоклітинного організму розпізнають одна одну.
4. Метаболічна функція. Багато із мембранних білків є ферментами, інколи кілька мембранозв’язаних ферментів можуть бути організовані у комплекси для здійсення послідовних метаболічних реакцій, при цьому мембрана виступає каркасом для їх просторової організації. Реакції світлової фази фотосинтезу та електронтранспортного ланцюга мітохондрій можуть відбуватись тільки на відповідних мембранах.
5. Клітинна адгезія. Мембрани тварин, зокрема деякі мебмранні білки, такі як кадгерини, забезпечують прикріплення клітин багатоклітинного організму одна до одної або до позаклітинного матриксу. Таким чином забезпечується структурна цілісність тканин тваринного організму, контакт із мікрооточенням за участі мембранних білків також є важливим для виживання багатьох типів клітин, без нього вони гинуть шляхом апоптозу.

2. Способи переміщення речовин у клітинах мембрани

Оскільки внутрішня частина ліпідного шару гідрофобна, він являє собою практично непроникний бар’єр для більшості полярних молекул. У результаті наявності цього бар’єра, попереджує витік вмісту клітин, однак через цього клітина була змушена створити спеціальні механізми для транспорту розчинних у питній воді речовин через мембрану. Перенесення малих водорозчинних молекул здійснюється за допомогою спеціальних транспортних білків. Це особливі трансмембранні білки, кожен із яких відповідає за транспорт певних молекул чи груп родинних молекул. У клітинах є й механізми перенесення через мембрану макромолекул (білків) і навіть великих частинок.

Механізм транспорту речовин до клітини та з неї залежить від розмірів частинок, що транспортуються. Малі молекули та іони проходять крізь мембрани шляхом пасивного чи активного транспорту. Перенесення макромолекул та великих частинок здійснюється за рахунок ендоцитозу та екзоцитозу.

Пасивний транспорт відбувається мимовільно без затрати енергії шляхом дифузії, осмосу та полегшеної дифузії. Дифузія — це транспорт молекул та іонів через мембрану з ділянки з високою концентрацією до ділянки з низькою концентрацією, тобто речовини надходять за градієнтом концентрації. Дифузія може бути простою та полегшеною.

Якщо речовини добре розчинні в ліпідах, то вони проникають до клітини шляхом простої дифузії. Напр. оксиген, потрібний клітині при диханні, та вуглекислий газ у розчині швидко дифундують крізь мембрани. Таким способом проникають до клітини також деякі фармацевтичні препарати, які є ліпідорозчинними. Вода також здатна проходити крізь мембранні пори, що утворені білками, і переносити молекули та іони речовин, які в ній розчинені. Дифузію води крізь напівпроникну мембрану називають осмосом. Вода переходить з ділянки з низькою концентрацією солей до ділянки, де їхня концентрація вища. Тиск на мембрану, що виникає при цьому, називають осмотичним.

Усі живі клітини здатні регулювати осмотичний тиск, змінюючи концентрацію речовин поза клітиною та всередині клітини. Речовини, які не є розчинними у ліпідах, транспортуються через іонні канали, утворені в мембрані білками, чи за допомогою білків-переносників. Це полегшена дифузія, шляхом якої, напр. здійснюється надходження глюкози до еритроцитів. Серед систем пасивного транспорту важливу роль відіграють іонні канали, які забезпечують проникність мембрани для Na⁺, K⁺, Ca²⁺. Na⁺-канали активуються вератрадином, батрахотоксином, блокуються амілоридом, тріамтереном; K⁺-канали блокуються місцевими анестетиками (лідокаїном, дикаїном), деякими протисудомними (дифеніл, карбамазепін, вальпроати, фенобарбітал та ін.) і протиаритмічними засобами (аміодарон); Ca²⁺-канали чутливі до цілої низки хімічних речовин, зокрема верапамілу, дилтіазему, ніфедипіну та інших похідних дигідропіридинів. Трансмембранний обмін (антипорт) чи односпрямований транспорт (симпорт) іонів здійснюється спеціальними білками-переносниками. Система односпрямованого транспорту (котранспорту) представлена (Na⁺+K⁺+Cl^–)-переносником, що є чутливим до дії діуретиків (фуросеміду, амілориду, туметаніду).

Виключення або різка зміна властивостей переносників і каналів лежить в основі дії багатьох токсичних і фармацевтичних речовин. Деякі речовини — іонофори, до яких належать різні антибіотики (валіноміцин, амфотерицин В, нонактин, енніатини, аламетицин та ін.), синтетичні циклополіефіри самостійно здатні утворювати канали у ліпідному бішарі мембрани. Дія деяких ЛП заснована на зміні властивостей каналів і переносників, що дозволяє регулювати транспорт речовин у клітинах і організмі в цілому.

Активний транспорт речовин крізь мембрану здійснюється проти градієнта їхньої концентрації із затратою енергії АТФ та за участю спеціальних мембранних білків — транспортних АТФаз, які також називаються іонними насосами. Найбільш поширеними в клітині тварин є Н⁺-АТФаза, Na⁺,K⁺-АТФаза і Са²⁺-АТФаза, що являють собою цілі мембранні комплекси із складною структурою. Функціональне значення біо­логічних насосів полягає у підтримці всередині клітини постійного іонного складу. Na⁺,K⁺-АТФаза сприяє виведенню Na⁺ з клітини та надходженню К⁺ до клітини за допомогою енергії АТФ і є прикладом антипортного транспорту. Із впливом на натрієвий насос пов’язаний механізм дії деяких фармацевтичних препаратів. Так, напр. серцеві глікозиди (дигоксин, уабаїн, строфантин К) пригнічують Na⁺,K⁺-АТФазу; деякі діуретики (тіазиди) інгібують активний транспорт Na⁺ та/або Cl^– в епітелії канальців нирок; омепразол знижує кислотність шлункового соку, незворотно пригнічуючи протонний насос Н⁺-АТФазу парієтальних клітин шлунка. Са²⁺-АТФаза високочутлива до дії різноманітних тіолових отрут та ін. Крім вищенаведених видів активного транспорту, виділяють специфічні механізми переміщення речовин, пов’язані з порушенням цілісності мембрани, ендоцитоз та екзоцитоз. При ендоцитозі плазматична мембрана утворює вирости, які потім перетворюються на внутрішньоклітинні пухирці, що містять захоплений клітиною матеріал. Ці процеси відбуваються із витратою енергії АТФ. Розрізняють два види ендоцитозу: фагоцитоз і піноцитоз. Фагоцитоз (грец. phagos — пожирати, cytos — клітина) — це захоплення і поглинання клітиною великих часток (іноді цілих клітин та їхніх частин). Ендоцитоз рідини та розчинених в ній речовин називається піноцитозом (грец. pyno — пити, cytos — клітина). Шляхом ендоцитозу, напр. відбувається всмоктування жиру клітинами кишкового епітелію. Екзоцитоз — це процес виведення з клітини різноманітних речовин крізь мембрану, фактично зворотний ендоцитозу механізм. Шляхом екзоцитозу вивільнюються гормони, жирові краплини, а також медіатори в синапсах при збудженні.

Таким чином, знання про особливості механізму транспорту є дуже важливими для фармації, оскільки визначають не лише шляхи проникнення всіх фармацевтичних препаратів до певних клітин, але й безпосередню дію багатьох з них.

Біологічна (елементарна) мембрана відмежовує вміст клітини від зовнішнього середовища, утворює стінки більшості орга­ноїдів і оболонку ядра, розділяє вміст цитоплазми на окремі відсіки. У всіх клітин вона побудована однаково і має товщину 7—10 нм. Біологічна мембрана при розгляді в електронному мікроскопі виглядає тришаровою — два темні шари, розділені світлим. Зовнішній і внутрішній шари мембрани (темні) утворені молекулами білків, а середній (світлий) — двома шарами молекул ліпідів. Ліпідні молекули розташовані строго впорядковано: водорозчинні (гідрофільні) кінці молекул повернені до білкових шарів, а водо-нерозчинні (гідрофобні) — один до одного. Білкові молекули по відношенню до ліпідного шару можуть розташовуватися по-різному: більшість їх знаходиться на обох поверхнях ліпідного шару, частина молекул пронизує один, а частина — обидва шари ліпідних молекул.

Біологічна мембрана має виборчу проникність, тобто одні речовини проходять через неї легше, ніж інші. Виборча проникність мембрани пов’язана з тим, що на її поверхні є особливі розгалужені структури — глікокалікс (переважно глюкопротеїди), що є рецепторами, які сприймають («впізнають») певні хімічні речовини, оточуючі клітину. Крім того, більшість занурених білків мембран є ферментами, які створюють пори і що беруть участь у транспорті речовин через мембрану.

Цитоплазматична мембрана — плазмалемма (одна або декілька елементарних, щільно прилеглих одна до одної, покрива­ючих клітину мембран) бере участь в обмінних процесах клітини з навколишнім середовищем. Вона утворює вирости, вгини, складки, мікроворсинки, які у багато разів збільшують поверхню клітини. Зовнішня поверхня мембран деяких клітин тварин може бути покрита муцином (глікопротеїн), слизом або хітином. Зовнішня поверхня мембран рослинних клітин покрита целюлозою, геміцелюлозою і пектиновими речовинами, які додають тканинам рослин механічну міцність.

Надходження в клітину деяких речовин (іонів, дрібних молекул) може відбуватися за законами дифузії (речовина дифундує туди, де концентрація її менша) без витрати енергії. При полегшеній дифузії білок — переносник з’єднується з молекулою речовини і проводить його через мембрану. При активному транспорті йде переміщення речовин проти градієнта концентрації з витратою енергії АТФ.

Через цитоплазматичну мембрану можуть надходити в клітину не тільки дрібні молекули або іони, але і великі молекули і навіть частинки. При цьому мембрана оточує частинку, краї її стуляються і частинка опиняється в пухирці мембрани в цитопла­змі. Такий спосіб поглинання твердих частинок називається фагоцитозом, а крапель рідини — піноцитозом.

Таким чином, цитоплазматична мембрана виконує наступні основні функції:

—        відмежовує і захищає клітину від дій навколишнього середовища;

—        регулює обмін речовин і енергії між клітиною і зовнішнім середовищем;

—        забезпечує зв’язок між клітинами в тканинах багатоклітинного організму;

—        виконує рецепторну функцію.

2.1. Транспорт речовин з ендоплазматичної сітки

Апарат Гольджі асиметричний — цистерни, розташовані ближче до ядра клітини (цис-Гольджі) містять найменш зрілі білки, до цих цистерн безперервно приєднуються мембранні пухирці — везикули, відокремлюються від шорсткого ЕПР (ЕПР), На мембранах якого і відбувається синтез білків рибосомами. Переміщення білків з ендоплазматичної мережі (ЕРС) в апарат Гольджі відбувається невибіркову, однак не повністю або неправильно згорнуті білки залишаються при цьому в ЕПС. Повернення білків з апарату Гольджі в ЕПС вимагає наявності специфічної сигнальної послідовності (лізин — аспарагін-глутамін-лейцин) і відбувається завдяки зв’язування цих білків з мембранними рецепторами в цис-Гольджі.

У цистернах апарату Гольджі дозрівають білки призначені для секреції, трансмембранні білки плазматичної мембрани, білки лізосом і т. д. Що достигають білки послідовно переміщуються по цистерн органели, в яких відбувається їх модифікації — глікозилювання і фосфорилювання. При О-глікозилювання до білків приєднуються складні цукру через атом кисню. При фосфорилювання відбувається приєднання до білків залишку ортофосфорної кислоти. Різні цистерни апарату Гольджі містять різні резидентні каталітичні ферменти і, отже, з дозріваючим білками в них послідовно відбуваються різні процеси. Зрозуміло, що такий ступінчастий процес повинен якось контролюватися. Дійсно, що дозрівають білки «маркуються» спеціальними полісахаридних залишками (переважно маннознимі), очевидно, що грають роль своєрідного «знаку якості». Не до кінця зрозуміло, яким чином дозрівають білки переміщаються по цистерн апарату Гольджі, у той час як резидентні білки залишаються в більшій чи меншій мірі асоційовані з однією цистерною. Існують два взаємновиключні гіпотези, що пояснюють цей механізм:

• згідно з першою, транспорт білків здійснюється за допомогою таких самих механізмів везикулярного транспорту, як і шлях транспорту з ЕПР, причому резидентні білки не включаються до відбруньковувалися везикул;
• згідно з другого, відбувається безперервне пересування (дозрівання) самих цистерн, Їх збирання з бульбашок з одного кінця і розбирання з іншого кінця органели, а резидентні білки переміщаються ретроградно (в зворотному напрямку) за допомогою везикулярного транспорту.

Транспорт білків з апарату Гольджі Зрештою від транс-Гольджі відокремлюються бульбашки, що містять повністю зрілі білки. Головна функція апарату Гольджі — сортування що проходять через нього білків. В апараті Гольджі відбувається формування «трьохнаправленого білкового потоку»:

• дозрівання і транспорт білків плазматичної мембрани;
• дозрівання і транспорт секретів;
• дозрівання і транспорт ферментів лізосом.

За допомогою везикулярного транспорту пройшли через апарат Гольджі білки доставляються «за адресою» в залежності від отриманих ними в апараті Гольджі «міток». Механізми цього процесу також не до кінця зрозумілі. Відомо, що транспорт білків з апарату Гольджі вимагає участі специфічних мембранних рецепторів, які пізнають «вантаж» і забезпечують виборчу стикування бульбашки з тією чи іншою органел.

Всі гідролітичні ферменти лізосом проходять через апарат Гольджі, де вони отримують «мітку» у вигляді специфічного цукру — маноза-6-фосфату (М6Ф) — у складі свого олігосахарид. Приєднання цієї мітки відбувається за участю двох ферментів. Фермент N-ацетілглюкозамінфосфотрансфераза специфічно пізнає лізосомальні гідролази по деталях їх третинної структури і приєднує N-ацетілглюкозамінфосфат до шостого атому декількох маннозних залишків олігосахарид гідролази. Другий фермент — фосфоглікозідаза — відщеплює N-ацетилглюкозамін, створюючи М6Ф-мітку. Потім ця позначка розпізнається білком-рецептором М6Ф, з його допомогою гідролази упаковуються в везикули і доставляються в лізосоми. Там, в кислому середовищі, фосфат відщеплюється від зрілої гідролази. При порушенні роботи N-ацетілглюкозамінфосфотрансферази через мутацій або при генетичних дефектах рецептора М6Ф всі ферменти лізосом «за замовчуванням» доставляються до зовнішньої мембрани і секретуються в позаклітинне середовище. З’ясувалося, що в нормі деяку кількість рецепторів М6Ф також потрапляють на зовнішню мембрану. Вони повертають випадково потрапили в зовнішнє середовище ферменти лізосом усередину клітини в процесі ендоцитозу.

2.2. Транспорт білків на зовнішню мембрану

Як правило, ще в ході синтезу білки зовнішньої мембрани вбудовуються своїми гідрофобними ділянками в мембрану ендоплазматичної мережі. Потім у складі мембрани везикул вони доставляються до апарату Гольджі, а звідти — до поверхні клітини. При злитті везикули з плазмалеммой такі білки залишаються в її складі, а не виділяються в зовнішнє середовище, як ті білки, що знаходилися в порожнині везикули.

Практично всі секретуються клітиною речовини (як білкової, так і небілкової природи) проходять через апарат Гольджі і там упаковуються в секреторні бульбашки. Так, у рослин за участю діктіосом секретується матеріал клітинної стінки. У комплексі Гольджі відбувається остаточне формування клітинних секретів, що містять глікопротеїди і глікозаміноглікани. Таким чином, у комплексі Гольджі відбувається дозрівання секреторних гранул, які переходять у міхурці, і переміщення цих міхурців у напрямку плазмолеми. Остаточний етап секреції — це виштовхування сформованих (зрілих) міхурців за межі клітини. Виведення секреторних включень з клітини здійснюється шляхом вмонтовування мембран міхурця в плазмолему і виділення секреторних продуктів поза клітину. У процесі переміщення секреторних міхурців до апікального полюса клітини мембрани їх потовщуються з початкових 5–7 нм досягають товщини плазмолеми 7–10 нм. Необхідно відзначити, що існує взаємозалежність між активністю клітини і розмірами комплексу Гольджі. Так, секреторні клітини мають більші стовпчики комплексу Гольджі, тоді коли несекреторні містять малу кількість мішечків комплексу.

3. Пасивне транспортування за допомогою білкових каналів

Пасивне транспортування — переміщення через дифузію. Рушійною силою пасивного транспортування нейтральних молекул є градієнт концентрації, а для пасивного транспортування іонів — градієнт електрохімічного потенціалу. Пасивно іони можуть дифундувати крізь мембрану завдяки власній кінетичній енергії, а також за допомогою водних білкових каналів.

Іонофори — поліпептиди і білки здатні створювати відповідні канали для певних іонів. Якщо їх додати до штучних ліпідних мембран, то вони прискорюють проходження іона крізь мембрану в мільйони разів. Існує два види вставних елементів органічного походження: селективні (вибіркові) канали іонної провідності і функціональні (ферментні) білки, як основа роботи іонних насосів. Є калієві, натрієві, кальцієві і хлоридні канали.

Пасивний транспорт — це проста і полегшена дифузія (від лат. diffusio — розповсюдження, поширення, розтікання).

Проста (нейтральна) дифузія забезпечує пропускання дрібних молекул (О2, Н2О, СО2) зі швидкістю, пропорційною градієнту концентрації з обох боків мембрани. Це перехід іонів або молекул, викликаний їх бровнівським рухом, через мембрани із зони, де ті речовини знаходяться в більшій концентрації, у зону з нижчою концентрацією до тих пір, поки концентрації з обох боків мембрани вирівняються. При простій дифузії незаряджені речовини проходять між ліпідними молекулами мембрани або через канали, сформовані білками.

Полегшена дифузія здійснюється через іонні канали або білки-переносники, які володіють специфічністю за відношенням до транспортованих молекул. Білки-переносники — це специфічні білки, які зв’язують речовину і переносять її через мембрану. Роль іонних каналів виконують трансмембранні білки, які утворюють дрібні водні пори. Через них по електрохімічному градієнту транспортуються дрібні водорозчинні молекули та іони.

Ці канали складаються з транспортної системи і ворітного механізму, який відкриває канал на деякий час на: (1) зміни мембранного потенціалу, (2) механічні впливи (наприклад, у волоскових клітинах внутрішнього вуха), (3) на зв’язування ліганда (сигнальної молекули або іона).

Білки-переносники є також трансмембранними білками, що забезпечують транспорт специфічних білків через плазмолему. Вони беруть участь у механізмах як пасивного, так і активного транспорту. Завдяки наявності в плазмолемі мембранних транспортних білків, специфічних для кожної сполуки, великі незаряджені полярні молекули дифундують легко. Ці білки можуть функціонувати за принципом уніпорта (перенесення однієї речовини через мембрану) або котранспорта (перенесення двох речовин). Останній може бути у вигляді симпорта (перенесення двох речовин в одному напрямку) або антипорта (перенесення двох речовин у протилежних напрямках).

4. Активний транспорт речовин у мембранах

Активний транспорт — опосередкований транспорт біомолекул, неорганічних іонів та малих молекул через цитоплазматичну або будь-яку іншу мембрану клітини. На відміну від пасивного транспорту, цей процес вимагає хімічної енергії у формі АТФ або різності концентрацій іншої речовини з двох боків мембрани. У цій формі транспорту, молекули рухаються проти або електричного потенциалу, або концентраційного градієнту (колективно назваємими електрохімічним потенціалом). Активний транспорт малих молекул або іонів через цитоплазматичну мембрану загалом здійснюється транспортними білками, які знаходяться в мембрані. Великі молекули, наприклад, крохмаль, також можуть бути активно перенесені через цитоплазматичну мембрану за допомогою процесів, відомих ендоцитоз і екзоцитоз, які залучають зміни в формі мембрани.

Є два головні типи активного транспорту: первинний і вторинний. У первинному транспорті, енергія АТФ безпосередньо використовується для перенесення бажаної молекули або іону через мембрану незалежно від будь-яких інших молекул. Вторинний транспорт вимагає використання дифузії іншої молекули через мембрани для того, щоб перенести бажану молекулу.

Первинний активний транспорт безпосередньо використовує енергію АТФ для перенесення молекули через мембрану [1]. Більшість ферментів, які використовують цей вид транспорту, — трансмембранні АТФази. Найпоширенішою АТФазою, універсальний до всіх форм клітинного життя, є калій-натрієвий насос, який допомога підтримує клітинний потенціал.

У вторинному активному транспорті, проте АТФ не використовується; натомість, енергія береться за рахунок різниці електрохімічних потенціалів іншої молекули [2].

Існує дві головні форми вторинного активного трансторту антипорт і сімпорт.

Антипорт. Під час антипорту, два різних іона або молекули проходять мембрану у протилежний напрямках. Одна з цих полекул рухається уздовж градієнту електрохімічного потенуіалу, звільняжчи енергію, яка використовується для перенесення іншої молекули. Прикладом є натрій-кальцієвий антипортер, який дозволяє трьом натрієвим іонам проходити і клітину в обмін на віхід одного іону кальцію, який входить до клітини.

Багато клітин також мають кальцієву АТФазу, яка може діяти при нижчих внутріклітинних концентраціях кальцію і встановлює нормальний стан концентрації цього важливого іону. Але АТФаза експортує іони кальцію повільніше: тільки 30 іонів за секунду проти 2000 за секунду у антипортера. Антипортер вступає в гру, коли концентрація кальцію різко підвищується і гарантує швидке оновлення. Це показує, що єдиний вид іону може бути перенесений кількома ферментами, яким не потрібно бути активними весь цей час, натомість вони відповідають на специфіці, переривисті потреби.

Симпорт також використовує потік інших іонів або молекіл уздовж електрохімічного градієнту для перенесення іншої молекули проти, але дві молекули рухаються у одному напрямку. Приклад — глюкозний симпортер, який переносить два іони натрію разом з молекулою глюкози, яку він імпортує в клітину.

Натрієво-калієвий канал і натрієво-калієва помпа — це система, яка забезпечує переміщення іонів натрію і калію через плазмолему. Перенесення іонів здійснює спеціальний фермент-переносник Na+–K+–АТФ-аза, який використовує енергію клітини і випомповує іони натрію через плазмолему назовні, одночасно він захоплює іони калію ззовні і звільнює їх усередині клітини. Таким чином утримується різниця концентрації натрію і калію: концентрація натрію вища в тканинній рідині (зовні плазмолеми), а калію — в цитоплазмі. При гідролізі однієї молекули АТФ з клітини випомповуються 3 іони Na+ i 2 ioни K+ вводяться в неї. У той же час білок-переносник іону Na+ транспортує глюкозу в клітину. Натрієво-калієва помпа забезпечує підтримування постійного об’єму клітини (шляхом регулювання осмотичного тиску), а також мембранного потенціалу.

Транспорт у мембранному упакуванні характерний тим, що речовини, які переносяться через плазмолему, звичайно оточені мембраною. Так, транспорт речовин у клітину називають ендоцитозом, а з клітини — екзоцитозом. Крапля, що виділяється, може бути оточена мембраною (наприклад, ліпосома), або ні.

При ендоцитозі (від грец. еndo — всередину і cytos — клітина) матеріал, який знаходиться в позаклітинному просторі, будучи охопленим складками плазмолеми, потрапляє в клітину у вигляді ендоцитозного міхурця, або ендосоми. Далі вміст ендосоми піддається процесингу (внутрішньоклітинній обробці). Різновидами ендоцитозу є фагоцитоз (від грец. рhagein — поїдати і cytos — клітина) — захоплювання і поглинання великих (до 1 мкм) і щільних частинок, та піноцитозу (від грец. pinein — пити і cytos — клітина) — втягування оточених плазмолемою рідин і розчинних речовин.

Рецепторно-опосередкований ендоцитоз значно ефективніший, тому що він опосередкований рецепторами, які зв’язуються з молекулами фагоцитованого об’єкта — лігандами (від лат. ligare — зв’язувати). Після поглинення речовини комплекс рецептор-ліганд розщеплюється, і рецептори можуть знов повертатися в плазмолему. Прикладом такого рецепторно-опосередкованого ендоцитозу може служити фагоцитоз лейкоцитом мікроба. На плазмолемі лейкоцита є рецептори до імуноглобулінів (антитіла), і якщо поверхня мікробів вкрита антитілами-опсонінами (від грец. оpson — приправа), то швидкість фагоцитозу різко зростає.

Особливого посилення набуває ендоцитоз в облямованих міхурцях, де в місцях їх формування нагромаджуються рецептори і особливі білки — клатрини, які зв’язують ліганди. Коли міхурець втягується в цитоплазму, його вміст дуже швидко підлягає процесингу — протеолізу. Якщо клатринова оболонка не втрачається, то його вміст залишається незмінним.

Екзоцитоз (від грец. еxo — назовні і cytos — клітина) — процес, при якому мембранні екзоцитозні міхурці, що сформувалися в цитоплазмі, наближаються до плазмолеми і зливаються з нею своєю мембраною, яка вбудовується в плазмолему. При цьому вміст міхурця виділяється в позаклітинний простір.

Трансцитоз (від лат. trans — через і cytos — клітина) — процес, при якому на одній поверхні клітини формується ендоцитозний міхурець, який переноситься на протилежну поверхню клітини як екзоцитозний і виділяє свій вміст в позаклітинний простір. Трансцитоз характерний для клітин з периферичною тонкою плазмолемою (ендотеліоцити), які вистеляють дрібні кровоносні судини. У цих клітинах міхурці, зливаючись, можуть утворювати тимчасові трансцелюлярні канали, через які транспортуються водорозчинні речовини.

У процесах як ендоцитозу, так і екзоцитозу, важливу роль мають особливі фузогенні (від лат. fusio — злиття) мембранні білки, які концентруються в ділянках інвагінації (впинання) плазмолеми. При ендоцитозі вони сприяють змиканню складок плазмолеми, а під час екзоцитозу забезпечують вбудовування мембран міхурця в плазмолему.

Збалансованість процесів ендоцитозу і екзоцитозу досягається таким чином, що при ендоцитозі міхурці формуються з плазмолеми і її поверхня повинна зменшуватися, тоді як при екзоцитозі мембрани міхурців вбудовуються в плазмолему і збільшують її площу. Однак активні процеси екзо- і ендоцитозу не впливають суттєво на площу поверхні плазмолеми в зв’язку зі зрівноважуванням цих процесів. Постійний кругообіг мембран в клітині отримав назву “мембранного конвеєра”.

Виведення речовин з клітини може здійснюватися у вигляді: (1) секреції (від лат. sekretio — виділення) — виділення потрібних організмові речовин, наприклад, слинні залози виробляють слину, молочні — молоко; (2) екскреції — видалення непотрібних або шкідливих речовин, наприклад, сечовина, сечова кислота видаляються нирками; (3) рекреції (цитопемпсис) — транспорту, при якому клітина поглинає речовини однією поверхнею, а виводить їх без змін протилежною (наприклад, мінеральні солі, деякі ліки).

Висновки

Клітини різняться за розмірами, формою, особливостями організації, функціями. За формою клітини бувають: циліндричні і кубічні (епітеліальні тканини), дископодібні (еритроцити), кулясті (яйцеклітини), видовжені і веретеноподібні (м’язові), зірчасті (нервові) тощо. Серед клітин трапляються і такі, що не мають сталої форми. Це так звані амебоідні клітини (наприклад, лейкоцити).

Більшість клітин багатоклітинного організму мають розміри від 10 до 100 мкм, а найдрібніші — 2—4 мкм. Великі розміри мають деякі рослинні клітини з великими вакуолями в цитоплазмі: клітини м’якоті кавуна, лимона (їх можна бачити неозброєним оком).

Зовні клітина вкрита плазматичною мембраною, або зовнішньою клітинною мембраною

Однією з основних властивостей біологічної мембрани є її вибіркова проникність (напівпроникність) — деякі речовини проникають крізь неї важко, інші — легко і навіть у бік вищої концентрації. Так, для більшості клітин концентрація іонів Na+ всередині клітини значно нижча, ніж у навколишньому середовищі. Для іонів К+ характерне протилежне співвідношення: їх концентрація всередині клітини вища, ніж зовні. Тому іони Na+ завжди намагаються проникнути в клітину, а іони К+ — вийти назовні. Вирівнюванню концентрацій цих іонів перешкоджає особлива система клітинної мембрани, яка виконує роль насоса, що відкачує іони Na+ з клітини й одночасно накачує іони К+ всередину (так званий натрійкалієвий насос).

Внутрішній вміст клітини (протоплазма) ділиться на цитоплазму і ядро. Цитоплазма є основною за об’ємом частиною клітини. За фізичними властивостями це напіврідка маса колоїдної структури, в якій містяться органели клітини мембранної (ендоплазматична сітка, мітохондрії, пластиди, комплекс Гольджі, лізосоми) і немембранної (рибосоми, центріолі клітинного центру) будови.

Переміщення речовин у клітку й з неї в навколишнє середовище може здійснюватися багатьма способами. Залежно від того, чим представлене джерело енергії для перенесення речовин, що є рушійною силою переміщення, всі види перенесення можна розділити на  пасивний й активний транспорт.

Мембрани живих клітин здатні транспортувати лише певні молекули або іони розчинених речовин, проявляючи вибірковість, яка залежить від природи мембрани.

Список використаної літератури

1. Введение в биомембранологию / Под ред. А.А. Болдырева. — М., 1990.
2. Копильчук Г. Загальна цитологія: навч. посіб. для студ. біол. спец. вищ. навч. закл. / Чернівецький національний ун-т ім. Юрія Федьковича. — Вид. 2-е, перероб. — Чернівці : ЧНУ, 2009. — 256с.
3. Лишко В.К., Шевченко М.И. Мембраны и жизнь клетки. — К., 1987
4. Марченкова А. Цитологія: Навч. посіб. для студ. ден. та заоч. від-ня природн.-геогр. ф- ту / Ніжинський держ. педагогічний ун-т ім. Миколи Гоголя. — Ніжин : Видавництво НДПУ ім. М.Гоголя, 2003. — 67с.
5. Наглядная фармакология / Под ред. М.А. Демидовой. — М., 1999
6. Новак В. Цитологія, гістологія, ембріологія: підруч. для студ. аграр. вищих закл. освіти III-IV рівнів акредитації зі спец. «Ветеринарна медицина» / Віталій Петрович Новак (заг.ред.). — 2-ге вид., змінене і доп. — К. : Дакор, 2008. — 511с.
7. Трускавецький Є. Цитологія: Підручник для студ. природн. спец. вищих пед. навч. закл.. — К. : Вища школа, 2004. — 254с.
8. Ченцов Ю.С. Введение в клеточную биологию. — М., 2004