Книга: От атомов к древу. Введение в современную науку о жизни

Мембраны и транспорт

Мембраны и транспорт

Хорошо известно, что одной из главных задач, постоянно решаемых любым живым организмом, является поддержание так называемой внутренней среды (которая противопоставляется внешней, или окружающей, среде и в идеале никогда не должна с ней смешиваться). Это относится и к отдельной клетке. Внутриклеточная жидкость и внеклеточная среда отличаются друг от друга содержанием практически всех молекул, включая самые простые. Например, цитоплазма абсолютного большинства живых клеток содержит гораздо больше ионов калия (K⁺), чем ионов натрия (Na⁺), хотя и в пресной, и в морской воде соотношение обратное: там солей натрия больше, чем солей калия. А уж по части более сложных молекул различия между клеткой и внешней средой еще сильнее. Как же эти различия создаются?

Ответ нам известен. Границей между любой живой клеткой и окружающей средой служит мембрана (в данном случае — внешняя, или плазматическая). Она всегда замкнутая. Внешняя мембрана есть даже у некоторых вирусов, а уж клетка без нее немыслима вовсе. В 1940-е некоторые биологи считали, что клетка — это безмембранный компартмент, поддерживающий свою структуру за счет физических свойств полужидкой цитоплазмы, а вовсе не благодаря мембране, существование которой эти ученые отрицали. Споры на эту тему закончились, когда мембрану удалось воочию увидеть под электронным микроскопом. С тех пор никто не сомневается, что любая живая клетка просто по определению ограничена мембраной.

Самое важное с точки зрения живого организма свойство мембраны называется избирательной проницаемостью. Попросту говоря, это значит, что одни молекулы сквозь нее проходят, а другие нет. Например, вода проходит через мембрану очень хорошо (хотя все равно с некоторыми ограничениями), а вот белки не проходят совсем, потому что их молекулы для этого слишком велики. Что касается молекул среднего размера, то с ними все бывает по-разному. Относительно хорошо сквозь мембрану проходят гидрофобные молекулы, которые несут очень мало локальных электрических зарядов (см. главу 2). Именно таковы, например, молекулы стероидных гормонов, которые могут поэтому проникать прямо в клеточное ядро (см. главу 5). И наоборот, гидрофильные молекулы, где локальных электрических зарядов много, проходят сквозь мембрану с трудом.

Но ведь при всем этом любая живая клетка является открытой системой. А это значит, что она должна постоянно обмениваться с внешней средой не только энергией, но и веществом. (Система, способная обмениваться с внешней средой только энергией, называется закрытой, но в биологии таких систем практически не бывает.) Короче говоря, клетка должна получать нужные вещества и выводить ненужные. Само собой разумеется, что весь этот обмен идет через мембрану.

Молекулы любого вещества, во-первых, находятся в непрерывном хаотическом движении и, во-вторых, всегда стремятся переходить из области с более высокой концентрацией этого вещества в ту область, где его концентрация ниже. Мы уже знаем, что этот процесс называется диффузией. Принято говорить, что диффузия идет по градиенту концентрации. (Словом «градиент» в естественных науках называют направленное изменение некоторого параметра в пространстве. Например, бывают градиенты концентрации, температуры, плотности, солености, освещенности.) Движение молекул по градиенту концентрации идет самопроизвольно, с уменьшением свободной энергии. А вот движение молекул против градиента (то есть от низкой концентрации к высокой) не может быть самопроизвольным ни при каких условиях. Для этого нужна энергия, подводимая извне.

Однако ясно, что и движение молекул по градиенту, энергетически «разрешенное» и даже выгодное, не сможет осуществиться, если для него есть непреодолимая преграда. Вот такой преградой и служит клеточная мембрана. Например, ионы натрия, которых снаружи клетки обычно гораздо больше, чем внутри, «стремятся» попасть внутрь, но при замкнутой мембране сделать этого не могут.

Для молекул, которые с трудом преодолевают мембрану, но при этом нужны клетке (или, наоборот, совершенно не нужны и должны быть из нее выведены), существуют специальные переносчики. Обычно таким переносчиком служит встроенный в мембрану интегральный белок (см. главу 5). Молекула этого белка захватывает ту молекулу, которую нужно перенести, на одной стороне мембраны и высвобождает ее на другой. Никакой энергии, кроме той, что потребовалась на создание переносчика и его встраивание в мембрану, клетка при этом не тратит. Белок-переносчик просто облегчает молекулам путь сквозь мембрану, который они в принципе могли бы пройти и сами, но гораздо медленнее. Это называется облегченной диффузией.

Белки, производящие облегченную диффузию, принято называть каналами (рис. 11.4А, Б). Молекула белка-канала часто бывает устроена как вставленный в мембрану колодец (обычно со створкой, которая может открываться и закрываться). Очень важное свойство белков-каналов — селективность, то есть избирательность. Как правило, каждый из них предназначен только для одной молекулы или иона. Например, натриевый канал плохо пропускает калий и наоборот. Ионные каналы — натриевые, калиевые, протонные, хлорные — очень широко распространены в природе, их разнообразие просто огромно.

В отличие от облегченной диффузии активный транспорт — это перемещение молекул против градиента концентрации (см. рис. 11.4Д). При активном транспорте молекулы переходят оттуда, где их концентрация низка, туда, где она и без того уже высока, и на это тратится энергия. Мембранные белки, производящие активный транспорт, называются насосами. Широко известен, например, натрий-калиевый насос, который одновременно переносит ионы натрия изнутри клетки наружу, а ионы калия снаружи внутрь — и то и другое против градиента концентрации. Нечего и говорить, что энергии на это нужно немало. На самом деле для многих клеток именно работа мембранных насосов образует одну из главных «статей расхода», на которую тратится огромное количество АТФ. Насос устроен сложнее, чем канал. Селективность у него ничуть не хуже: любой мембранный насос, как правило, переносит только ту молекулу, для которой он изначально предназначен.

Кроме того, существует сопряженный транспорт, когда один и тот же белок-переносчик одновременно переносит через мембрану разные молекулы — одну по градиенту концентрации, а другую — против. Тут есть как минимум два разных варианта.

Сопряженный транспорт, при котором две молекулы (или ионы) переносятся белком-переносчиком в одну и ту же сторону, называется симпортом. Какая от него может быть польза? Вот, например, представим себе животную клетку, которой нужна глюкоза (то есть в общем-то любую животную клетку). Глюкоза — важнейший промежуточный продукт обмена веществ, ее концентрация в любой клетке заведомо гораздо выше, чем во внеклеточной среде. Тем не менее переправить ее из этой среды внутрь клетки как-то нужно. Конечно, эту задачу можно было бы решить, просто потратив АТФ. Но есть и обходной путь, причем очень удобный. Мы уже говорили, что в любой живой клетке, в том числе и животной, обычно очень мало натрия. Снаружи от клетки — в крови, в тканевой жидкости, где угодно — его намного больше. Сам по себе натрий клетке не нужен. Но если все-таки дать ему в нее войти, это будет диффузия, приводящая к снижению свободной энергии, попросту говоря, энергетически выгодный процесс. Так вот, существует белок-переносчик, который одновременно пропускает внутрь клетки ионы натрия и молекулы глюкозы (рис. 11.4, В). В результате перенос глюкозы энергетически «оплачивается» ценой переноса натрия — без всякой траты АТФ! Именно с помощью такого глюкозного транспортера происходит, например, всасывание глюкозы клетками нашего кишечника.

Сопряженный транспорт, при котором молекулы или ионы переносятся одним и тем же белком-переносчиком в разные стороны, называется антипортом. Тут возможно точно такое же энергетическое сопряжение, как и в симпорте: одна молекула переносится по градиенту, вторая — против градиента, и перенос первой «оплачивает» перенос второй. Например, допустим, что из животной клетки нужно вывести накопившиеся там лишние ионы H⁺, при том что в жидкости снаружи от клетки их еще больше. Белок, способный решить эту задачу, называется натрий-протонным антипортером (рис. 11.4, Г). Он впустит в клетку некоторое количество ионов натрия (которых снаружи всегда больше, поэтому их вход энергетически выгоден) и в обмен на них выведет из клетки протоны. Этот механизм действует, например, в наших почках: именно с помощью натрий-протонного антипортера ненужные протоны выбрасываются в мочу, чтобы быть окончательно удаленными из организма.

Очень широко используют натрий-протонный антипорт бактерии. Обменивая протоны на ионы натрия, они фактически конвертируют натриевый мембранный потенциал в протонный (или, с тем же успехом, наоборот):

??Na ? ??H.

Это позволяет одной и той же бактерии использовать в качестве запасов энергии и протонный, и натриевый потенциалы, переходя от одного к другому в зависимости от условий внешней среды. Раз уж такая возможность есть, почему бы ею не пользоваться? Вот бактерии и пользуются, для них это полезный инструмент адаптации.

Как видим, транспорт через клеточную мембрану занимает в энергетическом обмене важнейшее место. Настолько важное, что впору задать вопрос: не началась ли жизнь как таковая именно с мембранной энергетики? И в самом деле, такую мысль иногда высказывают. Мы еще вернемся к ней.