Пассивный транспорт - транспорт веществ по градиенту концентрации, не требующий затрат энергии. Пассивно происходит транспорт гидрофобных веществ сквозь липидный бислой. Пассивно пропускают через себя вещества все белки-каналы и некоторые переносчики. Пассивный транспорт с участием мембранных белков называют облегченной диффузией.

Другие белки-переносчики (их иногда называют белки-насосы) переносят через мембрану вещества с затратами энергии, которая обычно поставляется при гидролизе АТФ. Этот вид транспорта осуществляется против градиента концентрации переносимого вещества и называется активным транспортом.

Симпорт, антипорт и унипорт

Мембранный транспорт веществ различается также по направлению их перемещения и количеству переносимых данным переносчиком веществ:

1) Унипорт - транспорт одного вещества в одном направлении в зависимости от градиента

2) Симпорт - транспорт двух веществ в одном направлении через один переносчик.

3) Антипорт - перемещение двух веществ в разных направлениях через один переносчик.

Унипорт осуществляет, например, потенциал-зависимый натриевый канал, через который в клетку во время генерации потенциала действия перемещаются ионы натрия.

Симпорт осуществляет переносчик глюкозы, расположенный на внешней (обращенной в просвет кишечника) стороне клеток кишечного эпителия. Этот белок захватывает одновременно молекулу глюкозы и ион натрия и, меняя конформацию, переносит оба вещества внутрь клетки. При этом используется энергия электрохимического градиента, который, в свою очередью создается за счет гидролиза АТФ натрий-калиевой АТФ-азой.

Антипорт осуществляет, например, натрий–калиевая АТФаза (или натрий–зависимая АТФаза). Она переносит в клетку ионы калия. а из клетки - ионы натрия.

Работа натрий-калиевой атФазы как пример антипорта и активного транспорта

Первоначально этот переносчик присоединяет с внутренней стороны мембраны три иона Na + . Эти ионы изменяют конформацию активного центра АТФазы. После такой активации АТФаза способна гидролизовать одну молекулу АТФ, причем фосфат-ион фиксируется на поверхности переносчика с внутренней стороны мембраны.

Выделившаяся энергия расходуется на изменение конформации АТФазы, после чего три иона Na + и ион (фосфат) оказываются на внешней стороне мембраны. Здесь ионы Na + отщепляются, а замещается на два иона K + . Затем конформация переносчика изменяется на первоначальную, и ионы K + оказываются на внутренней стороне мембраны. Здесь ионы K + отщепляются, и переносчик вновь готов к работе.

Более кратко действия АТФазы можно описать так:

1) Она изнутри клетки "забирает" три иона Na + ,затем расщепляет молекулу АТФ и присоединяет к себе фосфат

2) "Выбрасывает" ионы Na + и присоединяет два иона K + из внешней среды.

3) Отсоединяет фосфат, два иона K + выбрасывает внутрь клетки

В итоге во внеклеточной среде создается высокая концентрация ионов Na + , а внутри клетки - высокая концентрация K + . Работа Na + , K + - АТФаза создает не только разность концентраций, но и разность зарядов (она работает как электрогенный насос). На внешней стороне мембраны создается положительный заряд, на внутренней - отрицательный.

Транспорт? Трансмембранное перемещение различных высокомолекулярных соединений, клеточных компонентов, надмолекулярных частиц, которые не способны проникать сквозь каналы в мембране, осуществляется посредством специальных механизмов, например, с помощью фагоцитоза, пиноцитоза, экзоцитоза, переноса через межклеточное пространство. То есть перемещение веществ сквозь мембрану может происходить при помощи различных механизмов, которые подразделяются по признакам участия в них специфических переносчиков, а также по энергозатратам. Ученые подразделяют транспорт веществ на активный и пассивный.

Основные виды транспорта

Пассивный транспорт представляет собой перенос вещества сквозь биологическую мембрану по градиенту (осмотический, концентрационный, гидродинамический и другие), не требующий расхода энергии.

Представляет собой перенос вещества сквозь биологическую мембрану против градиента. При этом расходуется энергия. Примерно 30 - 40% энергии, которая образуется в результате метаболических реакции в организме человека, тратится на осуществление активного транспорта веществ. Если рассматривать функционирование человеческих почек, то в них на активный транспорт тратится около 70 - 80% потребленного кислорода.

Пассивный транспорт веществ

он подразумевает перенос различных веществ сквозь биологические мембраны по разнообразным могут быть:

• градиент электрохимического потенциала;
• градиент концентрации вещества;
• градиент электрического поля;
• градиент осмотического давления и прочие.

Процесс осуществления пассивного транспорта не требует каких-либо энергозатрат. Он может происходить при помощи облегченной и простой диффузии. Как нам известно, диффузия представляет собой хаотическое перемещение молекул вещества в разнообразных средах, которое обусловлено энергией тепловых колебаний вещества.

Если частица вещества является электронейтральной, то направление, в котором будет происходить диффузия, определяется разностью концентрации веществ, содержащихся в средах, которые разделены мембраной. К примеру, между отсеками клетки, внутри клетки и вне ее. Если частицы вещества, его ионы имеют электрический заряд, то диффузия будет зависеть не только от разности концентраций, но и от величины заряда данного вещества, наличия и знаков заряда с обеих сторон мембраны. Величина электрохимического градиента определяется алгебраической суммой электрического и концентрационного градиентов на мембране.

Что обеспечивает транспорт через мембрану?

Пассивный транспорт мембраны возможен, благодаря наличию вещества, осмотического давления, возникающего между разными сторонами мембраны клетки или электрического заряда. К примеру, средний уровень содержащихся в плазме крови ионов Na+ составляет около 140 мМ/л, а содержание его в эритроцитах примерно в 12 раз больше. Подобный градиент, выражающийся в разности концентраций, способен создавать движущую силу, обеспечивающую перенос молекул натрия в эритроциты из плазмы крови.

Следует отметить, что скорость подобного перехода весьма низкая из-за того, что для клеточной мембраны характерна низкая проницаемость для ионов данного вещества. Гораздо большей проницаемостью данная мембрана обладает в отношении ионов калия. Энергия клеточного метаболизма не используется для совершения процесса простой диффузии.

Скорость диффузии

Активный и пассивный транспорт веществ через мембрану характеризуется скоростью диффузии. Описать ее можно при помощи уравнения Фика: dm/dt=-kSΔC/x.

В данном случае dm/dt представляет собой количество того вещества, которое диффундирует за одну единицу времени, а k представляет собой коэффициент процесса диффузии, который характеризует проницаемость биомембраны для диффундирующего вещества. S равняется площади, на которой происходит диффузия, а ΔC выражает разность концентрации веществ с разных сторон биологической мембраны, при этом x характеризует расстояние, которое имеется между точками диффузии.

Очевидно, что через мембрану наиболее легко будут перемещаться те вещества, которые диффундируют одновременно по градиентам концентраций и электрических полей. Немаловажным условием для осуществления диффузии вещества сквозь мембрану являются физические свойства самой мембраны, ее проницаемость для каждого конкретного вещества.

В силу того, что бислой мембраны сформирован углеводородными радикалами фосфолипидов, обладающих природы с легкостью диффундируют через нее. В частности, это относится к веществам, которые легко растворяются в липидах, например, тиреоидные и стероидные гормоны, а также некоторые вещества наркотического характера.

Минеральные ионы и низкомолекулярные вещества, имеющие гидрофильную природу, диффундируют посредством пассивных ионных каналов мембраны, которые сформированы из каналообразующих белковых молекул, а иногда сквозь дефекты упаковки мембраны фосфолипидных молекул, которые возникают в клеточной мембране в результате тепловой флуктуации.

Пассивный транспорт через мембрану - процесс очень интересный. Если условия нормальные, то значительные количества вещества могут проникать сквозь бислой мембраны только в том случае, если они неполярные и имеют небольшой размер. В противном случае перенос происходит посредством белков-переносчиков. Подобные процессы с участием белка-переносчика называются не диффузией, а транспортом вещества сквозь мембрану.

Облегченная диффузия

Облегченная диффузия, подобно простой диффузии, происходит по градиенту концентрации вещества. Основное отличие состоит в том, что в процессе переноса вещества принимает участие специальная молекула белка, называемая переносчиком.

Облегченная диффузия является видом пассивного переноса молекул вещества сквозь биомембраны, осуществляемым по градиенту концентрации при помощи переносчика.

Состояния белка-переносчика

Белок-переносчик может находится в двух конформационных состояниях. К примеру, в состоянии А данный белок может обладать сродством с веществом, которое он переносит, его участки для связывания с веществом развернуты внутрь, за счет чего формируется пора, открытая к одной стороне мембраны.

После того, как белок связался с переносимым веществом, изменяется его конформация и происходит его переход в состояние Б. При таком превращении у переносчика теряется сродство с веществом. Из связи с переносчиком оно высвобождается и перемещается в пору уже по другую сторону мембраны. После того, как вещество перенесено, белок-переносчик снова изменяет свою конформацию, возвращаясь в состояние А. Подобный транспорт вещества сквозь мембрану называется унипортом.

Скорость при облегченной диффузии

Низкомолекулярные вещества вроде глюкозы могут транспортироваться сквозь мембрану посредством облегченной диффузии. Такой транспорт может происходить из крови в мозг, в клетки из интерстициальных пространств. Скорость переноса вещества при таком виде диффузии способна достигать до 10 8 частиц через канал за одну секунду.

Как мы уже знаем, скорость активного и пассивного транспорта веществ при простой диффузии пропорциональна разности концентраций вещества с двух сторон мембраны. В случае же облегченной диффузии эта скорость увеличивается пропорционально увеличивающей разности концентрации вещества до определенного максимального значения. Выше этого значения скорость не увеличивается, даже несмотря на то что разность концентраций с разных сторон мембраны продолжает увеличиваться. Достижение такой максимальной точки скорости в процессе осуществления облегченной диффузии можно объяснить тем, что максимальная скорость предполагает вовлечение в процесс переноса всех имеющихся белков-переносчиков.

Какое понятие еще включают в себя активный и пассивный транспорт через мембраны?

Обменная диффузия

Подобный вид транспорта молекул вещества сквозь клеточную мембрану характеризуется тем, что в обмене участвуют молекулы одного и того же вещества, которые находятся с разных сторон биологической мембраны. Стоит отметить, что при таком транспорте веществ с обеих сторон мембраны абсолютно не изменяется.

Разновидность обменной диффузии

Одной из разновидностей обменной диффузии является обмен, при котором молекула одного вещества меняется на две и более молекул иного вещества. К примеру, один из путей, по которому происходит удаление положительных ионов кальция из гладкомышечных клеток бронхов и сосудов из сократительных миоцитов сердца - это обмен их на ионы натрия, расположенные вне клетки. Один ион натрия в этом случае обменивается на три иона кальция. Таким образом, происходит движение натрия и кальция сквозь мембрану, которое носит взаимообусловленный характер. Подобный вид пассивного транспорта сквозь клеточную мембрану называется антипортом. Именно таким образом клетка способна освободиться от ионов кальция, которые имеются в избытке. Этот процесс является необходимым для того, чтобы гладкие миоциты и кардиомиоциты расслаблялись.

В данной статье был рассмотрен активный и пассивный транспорт веществ через мембрану.

Градиент концентрации (от лат. gradi, gradu, gradus - ход, движение, течение, приближение; con - с, вместе, совместно + centrum - центр) или концентрационный градиент - это векторная физическая величина , характеризующая величину и направление наибольшего изменения концентрации какого-либо вещества в среде. Например, если рассмотреть две области с различной концентрацией какого-либо вещества, разделенные полупроницаемой мембраной, то градиент концентрации будет направлен из области меньшей концентрации вещества в область с большей его концентрацией.

Активный транспорт - перенос вещества через клеточную или внутриклеточную мембрану (трансмембранный А.т.) или через слой клеток (трансцеллюлярный А.т.), протекающий против градиента концентрации из области низкой концентрации в область высокой, т. е. с затратой свободной энергии организма. В большинстве случаев, но не всегда, источником энергии служит энергия макроэргических связей АТФ .

Различные транспортные АТФазы, локализованные в клеточных мембранах и участвующие в механизмах переноса веществ, являются основным элементом молекулярных устройств - насосов, обеспечивающих избирательное поглощение и откачивание определенных веществ (например, электролитов) клеткой. Активный специфический транспорт неэлектролитов (молекулярный транспорт) реализуется с помощью нескольких типов молекулярных машин - насосов и переносчиков. Транспорт неэлектролитов (моносахаридов, аминокислот и других мономеров) может сопрягаться с симпортом - транспортом другого вещества, движение которого против градиента концентрации является источником энергии для первого процесса. Симпорт может обеспечиваться ионными градиентами (например, натрия) без непосредственного участия АТФ.

Пассивный транспорт - перенос веществ по градиенту концентрации из области высокой концентрации в область низкой, без затрат энергии (например, диффузия , осмос ). Диффузия - пассивное перемещение вещества из участка большей концентрации к участку меньшей концентрации. Осмос - пассивное перемещение некоторых веществ через полупроницаемую мембрану (обычно мелкие молекулы проходят, крупные не проходят).

Существует три типа проникновения веществ в клетку через мембраны: простая диффузия, облегчённая диффузия, активный транспорт .

Простая диффузия

При простой диффузии частицы вещества перемещаются сквозь билипидный слой. Направление простой диффузии определяется только разностью концентраций вещества по обеим сторонам мембраны. Путём простой диффузии в клетку проникают гидрофобные вещества (O2,N2,бензол) и полярные маленькие молекулы (CO 2 , H 2 O, мочевина ). Не проникают полярные относительно крупные молекулы (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы) и макромолекулы (ДНК, белки).

Облегченная диффузия

Большинство веществ переносится через мембрану с помощью погружённых в неё транспортных белков (белков-переносчиков). Все транспортные белки образуют непрерывный белковый проход через мембрану. С помощью белков-переносчиков осуществляется как пассивный, так и активный транспорт веществ. Полярные вещества (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы) проходят через мембраны с помощью облегченной диффузии, при участии белков-каналов или белков-переносчиков. Участие белков-переносчиков обеспечивает более высокую скорость облегченной диффузии по сравнению с простой пассивной диффузией. Скорость облегченной диффузии зависит от ряда причин: от трансмембранного концентрационного градиента переносимого вещества, от количества переносчика, который связывается с переносимым веществом, от скорости связывания вещества переносчиком на одной поверхности мембраны (например, на наружной), от скорости конформационных изменений в молекуле переносчика, в результате которых вещество переносится через мембрану и высвобождается на другой стороне мембраны. Облегченная диффузия не требует специальных энергетических затрат за счет гидролиза АТФ. Эта особенность отличает облегченную диффузию от активного трансмембранного транспорта.

Введение

Мембранный транспорт -- транспорт веществ сквозь клеточную мембрану в клетку или из клетки, осуществляемый с помощью различных механизмов -- простой диффузии, облегченной диффузии и активного транспорта.

Важнейшее свойство биологической мембраны состоит в ее способности пропускать в клетку и из нее различные вещества. Это имеет большое значение для саморегуляции и поддержания постоянного состава клетки. Такая функция клеточной мембраны выполняется благодаря избирательной проницаемости, то есть способностью пропускать одни вещества и не пропускать другие.

Пассивный транспорт

Различают пассивный и активный транспорт. Пассивный транспорт происходит без затрат энергии по электрохимическим градиентом. К пассивному относятся диффузия (простая и облегченная), осмос, фильтрация. Активный транспорт требует энергии и происходит вопреки концентрационном или электрическом градиента.

Виды пассивного транспорта

Виды пассивного транспорта веществ:

• · Простая диффузия
• · Осмос
• · Диффузия ионов
• · Облегченная диффузия

Простая диффузия

Диффузия представляет собой процесс, при помощи которого газ или растворенные вещества распространяются и заполняют весь доступный объем.

Молекулы и ионы, растворенные в жидкости, находятся в хаотическом движении, сталкиваясь друг с другом, молекулами растворителя и клеточной мембраной. Столкновение молекулы или иона с мембраной может иметь двоякий исход: молекула либо «отскочит» от мембраны, либо пройдет через нее. Когда вероятность последнего события высока, то говорят, что мембрана проницаема для данного вещества.

Если концентрация вещества по обе стороны мембраны различна, возникает поток частиц, направленный из более концентрированного раствора в разбавленный. Диффузия происходит до тех пор, пока концентрация вещества по обе стороны мембраны не выравнивается. Через клеточную мембрану проходят как хорошо растворимые в воде{гидрофильные) вещества, так и гидрофобные, плохо или совсем в ней нерастворимые.

Гидрофобные, хорошо растворимые в жирах вещества, диффундируют благодаря растворению в липидах мембраны. Вода и вещества хорошо в ней растворимые проникают через временные дефекты углеводородной области мембраны, т.н. кинки, а также черезпоры, постоянно существующие гидрофильные участки мембраны.

В случае, когда клеточная мембрана непроницаема или плохо проницаема для растворенного вещества, но проницаема для воды, она подвергается действию осмотических сил. При более низкой концентрации вещества в клетке, чем в окружающей среде, клетка сжимается; если концентрация растворенного вещества в клетке выше, вода устремляется внутрь клетки.

Осмос -- движение молекул воды (растворителя) через мембрану из области меньшей в область большей концентрации растворенного вещества. Осмотическим давлениемназывается то наименьшее давление, которое необходимо приложить к раствору для того, чтобы предотвратить перетекание растворителя через мембрану в раствор с большей концентрацией вещества.

Молекулы растворителя, как и молекулы любого другого вещества, приводятся в движение силой, возникающей вследствие разности химических потенциалов. Когда какое-либо вещество растворяется, химический потенциал растворителя уменьшается. Поэтому в области, где концентрация растворенного вещества выше, химический потенциал растворителя ниже. Таким образом, молекулы растворителя, перемещаясь из раствора с меньшей в раствор с большей концентрацией, движутся в термодинамическом смысле «вниз», «по градиенту».

Объем клеток в значительной степени регулируется количеством содержащейся в них воды. Клетка никогда не находится в состоянии полного равновесия с окружающей средой. Непрерывное движение молекул и ионов через плазматическую мембрану изменяет концентрацию веществ в клетке и, соответственно, осмотическое давление ее содержимого. Если клетка секретирует какое-либо вещество, то для поддержания неизменной величины осмотического давления она должна либо выделять соответствующее количество воды, либо поглощать эквивалентное количество иного вещества. Поскольку среда, окружающая большинство клеток гипотонична, для клеток важно предотвратить поступление в них больших количеств воды. Поддержание же постоянства объема даже в изотонической среде требует расхода энергии, поэтому в клетке концентрация веществ неспособных к диффузии (белков, нуклеиновых кислот и т.д.) выше, чем в околоклеточной среде. Кроме того, в клетке постоянно накапливаются метаболиты, что нарушает осмотическое равновесие. Необходимость расходования энергии для поддержания постоянства объема легко доказывается в экспериментах с охлаждением или ингибиторами метаболизма. В таких условиях клетки быстро набухают.

Для решения «осмотической проблемы» клетки используют два способа: они откачивают в интерстиций компоненты своего содержимого или поступающую в них воду. В большинстве случаев клетки используют первую возможность -- откачку веществ, чаше ионов, используя для этого натриевый насос (см.ниже).

В целом объем клеток, не имеющих жестких стенок, определяется тремя факторами:

• а) количеством содержащихся в них и неспособных к проникновению через мембрану веществ;
• б) концентрацией в интерстиций соединений, способных проходить через мембрану;
• в) соотношением скоростей проникновения и откачки веществ из клетки.

Большую роль в регуляции водного баланса между клеткой и окружающей средой играет эластичность плазматической мембраны, создающей гидростатическое давление, препятствующее поступлению воды в клетку. При наличии разности гидростатических давлений в двух областях среды вода может фильтроваться через поры барьера, разделяющего эти области.

Явления фильтрации лежат в основе многих физиологических процессов, таких, например, как образование первичной мочи в нефроне, обмен воды между кровью и тканевой жидкостью в капиллярах.

Диффузия ионов

Диффузия ионов происходит, в основном, через специализированные белковые структуры мембраны -- ионные каналы, когда они находятся в открытом состоянии. В зависимости от вида ткани клетки могут иметь различный набор ионных каналов. Различают натриевые, калиевые, кальциевые, натрий-кальциевые и хлорные каналы. Перенос ионов по каналам имеет ряд особенностей, отличающих его от простой диффузии. В наибольшей степени это касается кальциевых каналов.

Ионные каналы могут находиться в открытом, закрытом и инак-тивированном состояниях. Переход канала из одного состояния в другое управляется или изменением электрической разности потенциалов на мембране, или взаимодействием физиологически активных веществ с рецепторами. Соответственно, ионные каналы подразделяют на потенциал-зависимые и рецептор-управляемые. Избирательная проницаемость ионного канала для конкретного иона определяется наличием специальных селективных фильтров в его устье.

Облегченная диффузия

Через биологические мембраны кроме воды и ионов путем простой диффузии проникают многие вещества (от этанола до сложных лекарственных препаратов). В то же время даже сранительно небольшие полярные молекулы, например, гликоли, моносахариды и аминокислоты практически не проникают через мембрану большинства клеток за счет простой диффузии. Их перенос осуществляется путем облегченной диффузии. Облегченной называется диффузия вещества по градиенту его концентрации, которая осуществляется при участии особых белковых молекул-переносчиков.

Транспорт Na+, K+, Сl-, Li+, Ca2+, НСО3- и Н+ могут также осуществлять специфические переносчики. Характерными чертами этого вида мембранного транспорта являются высокая по сравнению с простой диффузией скорость переноса вещества, зависимость от строения его молекул, насыщаемость, конкуренция и чувствительность к специфическим ингибиторам -- соединениям, угнетающим облегченную диффузию.

Все перечисленные черты облегченной диффузии являются результатом специфичности белков-переносчиков и ограниченным их количеством в мембране. При достижении определенной концентрации переносимого вещества, когда все переносчики заняты транспортируемыми молекулами или ионами, дальнейшее ее увеличение не приведет к возрастанию числа переносимых частиц -- явление насыщения. Вещества, сходные по строению молекул и транспортируемые одним и тем же переносчиком, будут конкурировать за переносчик -- явление конкуренции.

Различают несколько видов транспорта веществ посредством облегченной диффузии

Унипорт, когда молекулы или ионы переносятся через мебрану независимо от наличия или переноса других соединений (транспорт глюкозы, аминокислот через базальную мембрану эпителиоцитов);

Симпорт, при котором их перенос осуществляется одновременно и однонаправленно с другими соединениями (натрий- зависимый транспорт Сахаров и аминокислот Na+ K+, 2Cl- и котран-спорт);

Антипорт -- (транспорт вещества обусловлен одновременным и противоложно направленным транспортом другого соединения или иона (Na+/Ca2+, Na+/H+ Сl-/НСО3- -- обмены).

Симпорт и антипорт -- это виды котранспорта, при которых скорость переноса контролируется всеми участниками транспортного процесса.

Природа белков-переносчиков неизвестна. По принципу действия они делятся на два типа. Переносчики первого типа совершают челночные движения через мембрану, а второго -- встраиваются в мембрану, образуя канал. Промоделировать их действие можно с помощью антибиотиков-ионофоров, переносчиком щелочных металлов. Так, один из них -- (валиномицин) -- действует как истинный переносчик, переправляющий калий через мембрану. Молекулы же грамицидина А, другого ионофора, встаиваются в мембрану друг за другом, формируя «канал» для ионов натрия.

Большинство клеток обладают системой облегченной диффузии. Однако перечень метаболитов, переносимых с помощью такого механизма, довольно ограничен. В основном, это сахара, аминокислоты и некоторые ионы. Соединения, являющиеся промежуточными продуктами обмена (фосфорилированные сахара, продукты метаболизма аминокислот, макроэрги), не транспортируются с помощью этой системы. Таким образом, облегченная диффузия служит для переноса тех молекул, которые клетка получает из окружающей среды. Исключением является транспорт органических молекул через эпителий, который будет рассмотрен отдельно.

Пассивный транспорт - транспорт веществ по градиенту концентрации, не требующий затрат энергии. Пассивно происходит транспорт гидрофобных веществ сквозь липидный бислой. Пассивно пропускают через себя вещества все белки-каналы и некоторые переносчики. Пассивный транспорт с участием мембранных белков называют облегченной диффузией.

Другие белки-переносчики (их иногда называют белки-насосы) переносят через мембрану вещества с затратами энергии, которая обычно поставляется при гидролизе АТФ. Этот вид транспорта осуществляется против градиента концентрации переносимого вещества и называется активным транспортом.

Один из механизмов, транслокация групп, осуществляется при химической модификации переносимого вещества. Лучше всего изучена фосфотрансферазная система Сахаров. Механизм ее действия заключается в фосфорилировании Сахаров на наружной поверхности трансмембранного белка и переносе внутрь фосфорилированного соединения, например, глюкозо-6-фосфата. Фосфотрансферазная система Сахаров представляет собой сложный мультиферментный комплекс, в котором важно отметить два основных компонента: один, ответственный за фосфорилирование данного сахара, а другой (НРг), ответственный за перенос к первому компоненту фосфатной группы, поступающей в конечном итоге от фос-фоенолпирувата. Фосфотрансферазная система используется также при переносе пуринов, некоторых жирных кислот.

Метаболи́зм (от греч. μεταβολή - «превращение, изменение»), или обмен веществ - набор химических реакций, которые возникают в живом организме для поддержания жизни. Эти процессы позволяют организмам расти и размножаться, сохранять свои структуры и отвечать на воздействия окружающей среды. Метаболизм обычно делят на две стадии: в ходе катаболизма сложные органические вещества деградируют до более простых; в процессах анаболизма с затратами энергии синтезируются такие вещества, как белки, сахара, липиды и нуклеиновые кислоты. Питательные вещества, поглощаемые клеткой, в результате сложных биохимических реакций превращаются в специфические клеточные компоненты. Совокупность биохимических процессов поглощения, усвоения питательных веществ и создания за их счет структурных элементов клетки называется конструктивным обменом или анаболизмом. Конструктивные процессы идут с поглощением энергии. Энергию, необходимую для процессов биосинтеза других клеточных функций, таких, как движение, осморегуляция и т. д., клетка получает за счет потока окислительных реакций, совокупность которых представляет собой энергетический обмен, или катаболизм (рис. 1).

Биосинтетич составляющую конструктивного метаб-ма делят на генеральный и специализированный мет-мы. Генер-ый – биосинтез мономеров из стандартных предшеств-ок в стандартных реакциях, Специали-ый – биосинтез из станд-ых предш-ов низкомолек-ых нестандартн соед-ий в нестандартных реакциях, т.е. специализ.метаболиты не явл особо необх-ми для роста и размнож.

Фотосинтез – комплексная ассимиляция световой энергии неорг углерода с исп-ем неорг донора электронов;

Фототрофия – подразумевается только энергитич метаболизм, сязанный с ассимиляцией световой энергии фотосинтетич аппарата, способен преобразовывать кванты электромагн поля в электрохим энергоноситель pmf.

Квазефототрофия – характерно для экстремальных … и для некот бакт и для хемоорганогеторотрофов, Это адаптивный механизм получения энергии гемоорганогетеротр орг-ми архей и доменобактерий в усл энергитич стресса с помощью временного фотосинтетич аппарата. Специфика связана с недостатком кислорода (энергию получ в ходе аэр дых-ия). В усл энергитич стресса – они создают 3хкомпонентный фотосинт аппарат и получают энергию в виде pmf.

Хемотрофия – источником энергии служ разнообр орг и неорг соед. Хемотрофы исп энергию, кот освоб-ся в ходе протекания ОВР орг и неорг соед-ий. В ОВР 1 субстрат восст-ся за счет ок-ия 2го, ок-ие сопров-ся выдел-ем энергии в форме pmf.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

В самом общем виде процессы, способные служить источником энергии для прокариот, можно представить следующим образом:

А ® В + е – .

Например,

Fe 2+ ® Fe 3+ + е – ; (1)

CH 2 -CH 2 - ® -CH 2 =CH 2 - + 2e – ; (2)

СН 4 + 1/2 O 2 ® СН 3 ОН. (3)

В первой реакции окисление иона двухвалентного железа - это потеря электрона. Во втором примере окисление углеродного субстрата можно в равной мере рассматривать как отрыв от него водорода (дегидрирование) или независимое удаление двух протонов (Н +) и электронов (e – ). В биохимических процессах, как правило, перенос водорода осуществляется путем раздельного транспорта протонов и электронов: протоны выделяется в среду и при необходимости поглощаются из нее, электроны обязательно должны быть переданы на соответствующие молекулы Поэтому все окислительно-восстановительные превращения определяются по существу "перемещениями" электронов. Разнообразные соединения, способные окисляться, т. е. являющиеся источниками отрываемых электронов, называются донорами электронов. Поскольку электроны не могут существовать самостоятельно, они обязательно должны быть перенесены на молекулы, способные их воспринимать и, таким образом, восстанавливаться. Такие молекулы называются акцепторами электронов. Таким образом, должен существовать внешний энергетический ресурс - исходный субстрат. С помощью ферментных систем организм извлекает энергию из этого субстрата в реакциях его ступенчатого окисления, приводящего к освобождению энергии небольшими порциями.

У прокариот известны три способа получения энергии: разные виды брожения, дыхания и фотосинтеза. В процессах брожения в определенных окислительно-восстановительных реакциях образуются нестабильные молекулы, фосфатная группа которых содержит много свободной энергии. Эта группа с помощью соответствующего фермента переносится на молекулу АДФ, что приводит к образованию АТФ. Реакции, в которых энергия, освобождающаяся на определенных окислительных этапах брожения запасается в молекулах АТФ, получили название субстратного фосфорилирования. Их особенностью является катализирование растворимыми ферментами. Образующийся в восстановительной части окислительно-восстановительных преобразований сбраживаемого субстрата восстановитель (НАД·H 2 , восстановленный ферредоксин) переносит электроны на подходящий эндогенный акцептор электрона (пируват, ацетальдегид, ацетон и др.) или освобождается в виде газообразного водорода (H 2).

Нередко в процессах брожения окислительные и восстановительные преобразования могут происходить внутримолекулярно, т. е. одна часть образуемой молекулы подвергается восстановлению, другая - окислению. Многие прокариоты получают энергию в процессе дыхания. Они окисляют восстановленные вещества с относительно низким окислительно-восстановительным потенциалом (E 0 ), возникающие в реакциях промежуточного метаболизма или являющиеся исходными субстратами, например НАД·H 2 , сукцинат, лактат, NH 3 , H 2 S и др. (табл. 11).

Окисление происходит в результате переноса электронов через локализованную в мембране дыхательную электронтранс-портную цепь, состоящую из набора переносчиков, и приводит в большинстве случаев к восстановлению молекулярного кислорода до H 2 O. Таким образом, в процессе дыхания молекулы одних веществ окисляются, других - восстанавливаются, т. е. окислительно-восстановительные процессы в этом случае всегда межмолекулярны.

Наиболее широко распространена среди прокариот способность окислять органические субстраты. Обнаружены также весьма специализированные группы прокариот, способные окислять различные неорганические субстраты (H 2 , NH 4 + , NO 2 – , H 2 S, S 0 , S 2 O 3 2– , Fe 2+ и др.) с соответствующим восстановлением O 2 . Наконец, прокариоты могут окислять органические и неорганические вещества с использованием в качестве конечного акцептора электронов не молекулярного кислорода, а целого ряда органических и неорганических соединений (фумарат, CO 2 , NO 3 – , S 0 , S0 4 2– , S 0 , S0 3 2– и др.). Количество освобождающейся энергии определяется градиентом окислительно-восстановительных потенциалов при переносе электронов от донора к акцептору.

У прокариот известны три типа фотосинтеза: I - зависимый от бактериохлорофилла бескислородный фотосинтез, осуществляемый группами зеленых, пурпурных бактерий и гелиобактерий; II - зависимый от хлорофилла кислородный фотосинтез, свойственный цианобактериям и прохлорофитам; III - зависимый от бактериородопсина бескислородный фотосинтез, найденный у экстремально галофильных архебактерий. В основе фотосинтеза I и II типа лежит поглощение солнечной энергии различными пигментами, приводящее к разделению электрических зарядов, возникновению восстановителя с низким и окислителя с высоким окислительно-восстановительным потенциалом. Перенос электронов между этими двумя компонентами приводит к выделению свободной энергии. В фотосинтезе III типа окислительно-восстановительные переносчики отсутствуют. В этом случае энергия в доступной для организма форме возникает в результате светозависимого перемещения H + через мембрану.

В обеих системах электронного транспорта есть флавопротеины, хиноны, цитохромы и белки, содержащие негемовое железо, позволяющие переносить электроны вниз по термодинамической лестнице. Таким образом, по существу обе электронтранспортные цепи являются окислительными. В процессах дыхания и фотосинтеза освобождающаяся при переносе электронов энергия запасается первоначально в форме электрохимического трансмембранного градиента ионов водорода (Dm H +), т. е. имеет место превращение химической и электромагнитной энергии в электрохимическую. Последняя затем может быть использована для синтеза АТФ. Поскольку в обоих процессах синтез АТФ обязательно связан с мембранами, реакции, приводящие к его образованию, получили название мембранзависимого фосфорилирования. Последнее подразделяется на два вида: окислительное (АТФ образуется в процессе электронного переноса при окислении химических соединений) и фотосинтетическое (синтез АТФ связан с фотосинтетическим электронным транспортом) фосфорилирование. Следует подчеркнуть, что принципы генерации АТФ при фотосинтезе и дыхании, т. е. механизмы мембранзависимого фосфорилирования, одинаковы. Таким образом, энергия, получаемая в процессах брожения, дыхания или фотосинтеза, запасается в определенных формах.

Существуют две универсальные формы энергии, которые могут быть использованы в клетке для выполнения разного рода работы: энергия высокоэнергетических химических соединений (химическая) и энергия трансмембранного потенциала ионов водорода (электрохимическая).

ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ. АТФ - УНИВЕРСАЛЬНАЯ ФОРМА ХИМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ

Центральное место в процессах переноса химической энергии принадлежит системе АТФ. АТФ образуется в реакциях субстратного и мембранзависимого фосфорилирования. При субстратном фосфорилировании источником образования АТФ служат реакции двух типов:

I. Субстрат ~ Ф 20 + АДФ « субстрат + АТФ;

II. Субстрат ~ X + АДФ + Фц Н « субстрат + Х + АТФ.

20 Символ "~", введенный американским биохимиком Ф. Липманом (F. Lipmann), служит для обозначения макроэргической связи.

В реакциях первого типа осуществляется перенос высокоэнергетической фосфатной группы от молекулы-донора на АДФ катализируемый соответствующими киназами. Реакциями такого типа являются реакции субстратного фосфорилирования на пути анаэробного превращения Сахаров. У прокариот, имеющих ЦТК, реакция превращения сукцинил-КоА в янтарную кис лоту сопровождается запасанием энергии в фосфатной связь ГТФ, который затем отдает фосфатную группу АДФ. Эту реакцию можно рассматривать как реакцию субстратного фосфорилирования второго типа.

АТФ образуется также за счет энергии Dm в процессе мембранзависимого фосфорилирования. В общих чертах этот механизм фосфорилирования изложен в следующем разделе.

Молекула АТФ содержит две макроэргические фосфатные связи, при гидролизе которых высвобождается значительное количество свободной энергии:

АТФ + H 2 ® АДФ + Ф Н; DG 0 " = –31,8 кДж/моль;

АДФ + H 2 ® АМФ + Ф Н; DG 0 " = –31,8 кДж/моль;

Отщепление последней фосфатной группы от молекулы АМФ приводит к значительно меньшему высвобождению свободной энергии:

АМФ + H 2 ® аденозин + Ф Н; DG 0 " = –14,3 кДж/моль;

Молекула АТФ обладает определенными свойствами, которые и привели к тому, что в процессе эволюции ей была отведена столь важная роль в энергетическом метаболизме клеток. Термодинамически молекула АТФ нестабильна, что вытекает из большой отрицательной величины DG ее гидролиза. В то же время скорость неферментативного гидролиза АТФ в нормальных условиях очень мала, т. е. химически молекула АТФ высокостабильна. Малые размеры молекулы АТФ позволяют ей легко диффундировать в различные участки клетки, где необходим подвод энергии извне для выполнения химической, осмотической, механической работы.

И наконец, еще одно свойство молекулы АТФ, обеспечившее ей центральное место в энергетическом метаболизме клетки. Изменение свободной энергии при гидролизе АТФ составляет - 31,8 кДж/моль.

Броже́ние (тж. сбра́живание , фермента́ция ) - «это такой метаболический процесс, при котором регенерируется АТФ, а продукты расщепления органического субстрата могут служить одновременно и донорами, и акцепторами водорода» . Брожение - это анаэробный (происходящий без участия кислорода) метаболический распад молекул питательных веществ, например глюкозы. По выражению Луи Пастера, «брожение - это жизнь без кислорода». Большинство типов брожения осуществляют микроорганизмы - облигатные или факультативные анаэробы.

Брожение не высвобождает всю имеющуюся в молекуле энергию, поэтому промежуточные продукты брожения могут использоваться в ходе клеточного дыхания.

Биохимия

Брожение - это процесс, важный в анаэробных условиях, в отсутствие окислительного фосфорилирования. В ходе брожения, как и в ходе гликолиза, образуется АТФ. Во время брожения пируват преобразуется в различные вещества.

Хотя на последнем этапе брожения (превращения пирувата в конечные продукты брожения) не освобождается энергия, он крайне важен для анаэробной клетки, поскольку на этом этапе регенерируется никотинамидадениндинуклеотид (NAD +), который требуется для гликолиза. Это важно для нормальной жизнедеятельности клетки, поскольку гликолиз для многих организмов - единственный источник АТФ в анаэробных условиях.

В ходе брожения происходит частичное окисление субстратов, при котором водород переносится на NAD + (никотинамидадениндинуклеотид). В ходе других этапов брожения его промежуточные продукты служат акцепторами водорода, входящего в состав NADH; в ходе регенерации NAD + они восстанавливаются, а продукты восстановления выводятся из клетки.

Конечные продукты брожения содержат химическую энергию (они не полностью окислены), но считаются отходами, поскольку не могут быть подвергнуты дальнейшему метаболизму в отсутствие кислорода (или других высоко-окисленных акцепторов электронов) и часто выводятся из клетки. Следствием этого является тот факт, что получение АТФ брожением менее эффективно, чем путём окислительного фосфорилирования, когда пируват полностью окисляется до двуокиси углерода. В ходе разных типов брожения на одну молекулу глюкозы получается от двух до четырех молекул АТФ (ср. около 36 молекул путём аэробного дыхания).

Продукты реакции брожения

Продукты брожения - это по сути отходы, получившиеся во время превращения пирувата с целью регенерации NAD + в отсутствие кислорода. Стандартные примеры продуктов брожения - этанол (питьевой спирт), молочная кислота, водород и углекислый газ. Однако продукты брожения могут быть более экзотическими, такими как масляная кислота, ацетон, пропионовая кислота, 2,3-бутандиол и др.

Основные типы брожения

1.Спиртовое брожение (осуществляется дрожжами и некоторыми видами бактерий), в ходе него пируват расщепляется на этанол и двуокись углерода. Из одной молекулы глюкозы в результате получается две молекулы питьевого спирта (этанола) и две молекулы углекислого газа. Этот вид брожения очень важен в производстве хлеба, пивоварении, виноделии и винокурении . Если в закваске высока концентрация пектина, может также производиться небольшое количество метанола. Обычно используется только один из продуктов; в производстве хлеба алкоголь улетучивается при выпечке, а в производстве алкоголя двуокись углерода обычно уходит в атмосферу, хотя в последнее время её стараются утилизировать.

2.Молочнокислое брожение, в ходе которого пируват восстанавливается до молочной кислоты, осуществляют молочнокислые бактерии и другие организмы. При сбраживании молока молочнокислые бактерии преобразуют лактозу в молочную кислоту, превращая молоко в кисломолочные продукты (йогурт, простокваша и др.); молочная кислота придаёт этим продуктам кисловатый вкус.

Молочнокислое брожение происходит также в мышцах животных, когда потребность в энергии выше, чем обеспечиваемая дыханием, и кровь не успевает доставлять кислород.

Обжигающие ощущения в мышцах во время тяжелых физических упражнений соотносятся с получением молочной кислоты и сдвигом к анаэробному гликолизу , поскольку кислород преобразуется в двуокись углерода аэробным гликолизом быстрее, чем организм восполняет запас кислорода; а болезненность в мышцах после физических упражнений вызвана микротравмами мышечных волокон.

Пировиноградная кислота - химическое соединение с формулой СН 3 СОСООН, органическая кетокислота. Биохимическая роль Пируват - важное химическое соединение в биохимии. Он является конечным продуктом метаболизма глюкозы в процессе гликолиза. Одна молекула глюкозы превращается при этом в две молекулы пировиноградной кислоты. Дальнейший метаболизм пировиноградной кислоты возможен двумя путями - аэробным и анаэробным.

В условиях достаточного поступления кислорода, пировиноградная кислота превращается в ацетил-кофермент А, являющийся основным субстратом для серии реакций, известных как цикл Кребса, или дыхательный цикл, цикл трикарбоновых кислот. Пируват также может быть превращён в анаплеротической реакции в оксалоацетат. Оксалоацетат затем окисляется до углекислого газа и воды. Эти реакции названы по имени Ханса Адольфа Кребса, биохимика, получившего вместе с Фрицем Липманном Нобелевскую премию по физиологии в 1953 году за исследования биохимических процессов клетки. Цикл Кребса называют также циклом лимонной кислоты, поскольку лимонная кислота является одним из промежуточных продуктов цепи реакций цикла Кребса.

Если кислорода недостаточно, пировиноградная кислота подвергается анаэробному расщеплению с образованием молочной кислоты у животных и этанол у растений. При анаэробном дыхании в клетках пируват, полученный при гликолизе, преобразуется в лактат при помощи фермента лактатдегидрогеназы и NADP в процессе лактатной ферментации, либо в ацетальдегид и затем в этанол в процессе алкогольной ферментации.

Клеточное или тканевое дыхание - совокупность биохимических реакций, протекающих в клетках живых организмов, в ходе которых происходит окисление углеводов, липидов и аминокислот до углекислого газа и воды. Высвобожденная энергия запасается в химических связях макроэргических соединений (АТФ и др.) и может быть использована по мере необходимости. Входит в группу процессов катаболизма