Vielu transportēšana caur šūnu membrānām. Transporterolbaltumvielas ir nepieciešamas, lai transportētu monosaharīdus cauri membrānām.Hemoglobīns transportē glikozi šūnās.

Glikozes patēriņš šūnās no asinsrites notiek arī atvieglotas difūzijas dēļ.. Tāpēc glikozes transmembrānas plūsmas ātrums ir atkarīgs tikai no tās koncentrācijas gradienta. Izņēmums ir muskuļu un taukaudu šūnas, kur atvieglotu difūziju regulē insulīns . Ja insulīna nav, šo šūnu plazmas membrāna ir necaurlaidīga pret glikozi, jo tā nesatur glikozes nesējproteīnus (transportētājus). .

Glikozes transportētājus sauc arī par glikozes receptoriem. Transportētājam ir glikozes saistīšanās vieta membrānas ārpusē. Pēc glikozes pievienošanas mainās proteīna konformācija, kā rezultātā glikoze tiek saistīta ar proteīnu reģionā, kas ir vērsts uz šūnas iekšpusi. Pēc tam glikoze tiek atdalīta no transportētāja, kas nonāk šūnā.

Atvieglota difūzija, salīdzinot ar aktīvo transportēšanu, novērš jonu transportēšanu kopā ar glikozi, ja tā tiek transportēta pa koncentrācijas gradientu.

Ogļhidrātu uzsūkšanās zarnās.

Monosaharīdu uzsūkšanās no zarnām notiek ar atvieglota difūzija ar īpašu nesējproteīnu (transportētāju) palīdzību. Turklāt glikozi un galaktozi uz enterocītiem transportē ar sekundārais aktīvais transports atkarīgs no nātrija jonu koncentrācijas gradienta. Transporta proteīni, kas ir atkarīgi no Na + gradienta, nodrošina glikozes uzsūkšanos no zarnu lūmena enterocītos pret koncentrācijas gradientu. Šim transportam nepieciešamo Na + koncentrāciju nodrošina Na + ,K + -ATPāze, kas darbojas kā sūknis, izsūknējot Na + no šūnas apmaiņā pret K + .

Atšķirībā no glikozes, fruktozi transportē sistēma, kas nav atkarīga no nātrija gradienta.

Glikozes transportētāji(GLUT) atrodami visos audos. Ir vairākas GLUT šķirnes, tās ir numurētas atbilstoši to atklāšanas secībai.

GLUT saimes proteīnu struktūra atšķiras no proteīniem, kas transportē glikozi cauri membrānai zarnās un nierēs pret koncentrācijas gradientu.

Aprakstītajiem 5 GLUT veidiem ir līdzīga primārā struktūra un domēna organizācija.

GLUT-1 nodrošina vienmērīgu glikozes plūsmu smadzenēs;

GLUT-2 ir atrodams orgānu šūnās, kas izdala glikozi asinīs. Tieši ar GLUT-2 piedalīšanos glikoze no enterocītiem un aknām nonāk asinīs. GLUT-2 ir iesaistīts glikozes transportēšanā aizkuņģa dziedzera β-šūnās;

GLUT-3 ir lielāka afinitāte pret glikozi nekā GLUT-1. Tas arī nodrošina pastāvīgu glikozes piegādi nervu un citu audu šūnām;

GLUT-4 ir galvenais glikozes nesējs muskuļu šūnās un taukaudos;

GLUT-5 galvenokārt atrodams tievās zarnas šūnās. Tās funkcijas nav labi zināmas.

Visu veidu GLUT var atrast gan plazmas membrānā, gan citozola pūslīšos. GLUT-4 (un mazākā mērā GLUT-1) gandrīz pilnībā atrodas šūnu citoplazmā. Insulīna ietekme uz šādām šūnām izraisa GLUT saturošu pūslīšu pārvietošanos uz plazmas membrānu, saplūšanu ar to un transportētāju iekļaušanu membrānā. Pēc tam ir iespējama atvieglota glikozes transportēšana šajās šūnās. Pēc insulīna koncentrācijas samazināšanās asinīs glikozes transportētāji atkal pārvietojas citoplazmā, un glikozes plūsma šūnā apstājas.

Glikozes kustība no primārā urīna uz nieru kanāliņu šūnām notiek ar sekundāro aktīvā transporta palīdzību, līdzīgi kā glikozes uzsūkšanās no zarnu lūmena enterocītos. Sakarā ar to glikoze var iekļūt šūnās pat tad, ja tās koncentrācija primārajā urīnā ir mazāka nekā šūnās. Šajā gadījumā glikoze gandrīz pilnībā (99%) tiek reabsorbēta no primārā urīna.

Ir zināmi dažādi traucējumi glikozes transportētāju darbā. Iedzimts šo proteīnu defekts var būt insulīnneatkarīgā cukura diabēta pamatā. Tajā pašā laikā glikozes transportētāja darbības traucējumu cēlonis var būt ne tikai paša proteīna defekts. GLUT-4 funkcijas pārkāpumi ir iespējami šādos posmos:

insulīna signāla pārraide par šī transportiera kustību uz membrānu;

transportētāja kustība citoplazmā;

iekļaušana membrānā;

membrānas šņorēšana utt.

galīgais ogļhidrātu hidrolīzes produkti V kuņģa-zarnu trakta ir tikai trīs vielas: glikoze, fruktoze un galaktoze. Tajā pašā laikā glikoze veido gandrīz 80% no kopējā šo monosaharīdu daudzuma. Pēc uzsūkšanās zarnās lielākā daļa fruktozes un gandrīz visa galaktozes aknās tiek pārveidota par glikozi. Tā rezultātā asinīs ir tikai neliels daudzums fruktozes un galaktozes. Transformācijas procesu rezultātā glikoze kļūst par vienīgo ogļhidrātu pārstāvi, kas tiek transportēta uz visām ķermeņa šūnām.

Attiecīgie enzīmi, kas nepieciešami aknu šūnām, lai nodrošinātu monosaharīdu - glikozes, fruktozes un galaktozes - savstarpējās konversijas procesus, ir parādīti attēlā. Šo reakciju rezultātā, kad aknas atbrīvo monosaharīdus atpakaļ asinīs, galaprodukts, kas nonāk asinīs, ir glikoze. Šīs parādības iemesls ir tas, ka aknu šūnas satur liels skaits glikozes fosfatāze, tāpēc glikozes-6-fosfātu var sadalīt glikozē un fosfātā. Pēc tam glikoze tiek transportēta cauri šūnu membrānām atpakaļ asinīs.

Es gribētu vairāk reizes, lai pasvītrotu ka parasti vairāk nekā 95% no visiem monosaharīdiem, kas cirkulē asinīs, pārstāv transformācijas galaprodukts – glikoze.
Glikozes transportēšana caur šūnu membrānu. Lai audu šūnas varētu izmantot glikozi, tā jātransportē cauri šūnu membrānām citoplazmā. Tomēr glikoze nevar brīvi izkliedēties caur porām šūnu membrānās, jo daļiņu maksimālajai molekulmasai jābūt vidēji 100, savukārt glikozes molekulmasai ir 180. Tomēr glikoze var salīdzinoši viegli iekļūt šūnās, pateicoties atvieglotam difūzijas mehānismam. Šī mehānisma pamati tika apspriesti 4. nodaļā, atcerēsimies tā galvenos punktus.

cauri un cauri šūnu lipīdu membrāna, nesējproteīni, kuru skaits membrānā ir pietiekami liels, var mijiedarboties ar glikozi. Šajā saistītajā formā glikozi var transportēt ar nesējproteīnu no vienas membrānas puses uz otru un tur atdalīt; ja glikozes koncentrācija vienā membrānas pusē ir augstāka nekā otrā, tad glikoze tiks transportēta tur, kur tās koncentrācija ir zemāka, nevis pretējā virzienā. Glikozes transportēšana caur šūnu membrānām lielākajā daļā audu krasi atšķiras no kuņģa-zarnu traktā vai nieru kanāliņu epitēlija šūnās novērotā.

Abās minētajās glikozes transportēšanas gadījumi ko veicina aktīvā nātrija transportēšanas mehānisms. Aktīvā nātrija transportēšana nodrošina enerģiju glikozes uzņemšanai pret koncentrācijas gradientu. Šis ar nātriju saistītais aktīvais glikozes transportēšanas mehānisms notiek tikai specializētās epitēlija šūnās, kas pielāgotas aktīvajam glikozes absorbcijas procesam. Citās šūnu membrānās glikoze tiek transportēta tikai no augstas koncentrācijas apgabaliem uz zemas koncentrācijas zonām, izmantojot atvieglotu difūzijas mehānismu, ko nodrošina membrānā esošā glikozes transportproteīna īpašās īpašības.

Šūnas apmaiņa ar ārējo vidi ar dažādām vielām un enerģiju ir vitāli svarīga nepieciešamais nosacījums viņas eksistenci.

Lai saglabātu konsekvenci ķīmiskais sastāvs un citoplazmas īpašības apstākļos, kad ir būtiskas atšķirības ārējās vides un šūnas citoplazmas ķīmiskajā sastāvā un īpašībās, ir jābūt īpaši transporta mehānismi, selektīvi pārvietojot vielas cauri .

Jo īpaši šūnām jābūt mehānismiem skābekļa piegādei un barības vielas no eksistences vides un metabolītu izvadīšanas tajā. Dažādu vielu koncentrācijas gradienti pastāv ne tikai starp šūnu un ārējo vidi, bet arī starp šūnas organellām un citoplazmu, un tiek novērotas vielu transportēšanas plūsmas starp dažādiem šūnas nodalījumiem.

Īpaša nozīme informācijas signālu uztverē un pārraidē ir minerāljonu koncentrāciju transmembrānas atšķirības uzturēšanai. Na+, K+, Ca 2+. Šūna tērē ievērojamu daļu savas vielmaiņas enerģijas, lai uzturētu šo jonu koncentrācijas gradientus. Jonu gradientos uzkrātā elektroķīmisko potenciālu enerģija nodrošina šūnas plazmas membrānas pastāvīgu gatavību reaģēt uz stimuliem. Kalcija iekļūšana citoplazmā no starpšūnu vides vai no šūnu organellām nodrošina daudzu šūnu reakciju uz hormonālajiem signāliem, kontrolē neirotransmiteru izdalīšanos iekšā un palaišanu.

Rīsi. Transporta veidu klasifikācija

Lai izprastu mehānismus, kā vielas iziet cauri šūnu membrānām, ir jāņem vērā gan šo vielu īpašības, gan membrānu īpašības. Transportētās vielas atšķiras pēc molekulmasas, pārnestā lādiņa, šķīdības ūdenī, lipīdiem un vairākām citām īpašībām. Plazmu un citas membrānas attēlo plaši lipīdu apgabali, caur kuriem taukos šķīstošās nepolārās vielas viegli izkliedējas un ūdenī un ūdenī šķīstošas ​​polāras vielas neiziet. Šo vielu transmembrānai kustībai ir nepieciešama īpašu kanālu klātbūtne šūnu membrānās. Polāro vielu molekulu transportēšana kļūst grūtāka, palielinoties to izmēram un lādiņam (šajā gadījumā ir nepieciešami papildu pārneses mehānismi). Vielu pārnesei pret koncentrāciju un citiem gradientiem nepieciešama arī īpašu nesēju līdzdalība un enerģijas patēriņš (1. att.).

Rīsi. 1. Vielu vienkārša, atvieglota difūzija un aktīva transportēšana caur šūnu membrānām

Makromolekulāro savienojumu, supramolekulāro daļiņu un šūnu komponentu transmembrānai kustībai, kas nespēj iekļūt caur membrānas kanāliem, tiek izmantoti īpaši mehānismi - fagocitoze, pinocitoze, eksocitoze un pārnešana caur starpšūnu telpām. Tādējādi dažādu vielu transmembrānu pārvietošanu var veikt, izmantojot dažādas metodes, kuras parasti tiek iedalītas pēc īpašu nesēju līdzdalības pazīmēm un enerģijas patēriņa. Caur šūnu membrānām notiek pasīva un aktīva transportēšana.

Pasīvais transports- vielu pārnešana caur biomembrānu pa gradientu (koncentrāciju, osmotisku, hidrodinamisku utt.) un bez enerģijas patēriņa.

aktīvais transports- vielu pārnešana caur biomembrānu pret gradientu un ar enerģijas patēriņu. Cilvēkiem 30-40% no visas enerģijas, kas rodas vielmaiņas reakciju laikā, tiek tērēta šāda veida transportam. Nierēs 70-80% no patērētā skābekļa tiek izmantoti aktīvai transportēšanai.

Vielu pasīvā transportēšana

Zem pasīvais transports izprast vielas pārnešanu caur membrānām pa dažāda veida gradientiem (elektroķīmiskais potenciāls, vielas koncentrācija, elektriskais lauks, osmotiskais spiediens u.c.), kuras īstenošanai nav nepieciešami tieši enerģijas izdevumi. Vielu pasīvā transportēšana var notikt ar vienkāršu un atvieglotu difūziju. Ir zināms, ka saskaņā difūzija izprast matērijas daļiņu haotisko kustību dažādās vidēs tās termisko vibrāciju enerģijas dēļ.

Ja vielas molekula ir elektriski neitrāla, tad šīs vielas difūzijas virzienu noteiks tikai vielas koncentrāciju starpība (gradients) ar membrānu atdalītā vidē, piemēram, šūnas ārpusē un iekšpusē. vai starp tā nodalījumiem. Ja vielas molekula, joni nes elektrisko lādiņu, tad difūziju ietekmēs gan koncentrāciju atšķirība, gan šīs vielas lādiņa lielums, gan lādiņu klātbūtne un pazīmes abās membrānas pusēs. Koncentrācijas spēku un elektrisko gradientu spēku algebriskā summa uz membrānu nosaka elektroķīmiskā gradienta lielumu.

vienkārša difūzija ko veic noteiktas vielas koncentrācijas gradientu, elektriskā lādiņa vai osmotiskā spiediena dēļ starp šūnas membrānas malām. Piemēram, vidējais Na+ jonu saturs asins plazmā ir 140 mM/l, un eritrocītos tas ir aptuveni 12 reizes mazāks. Šī koncentrācijas atšķirība (gradients) rada dzinējspēku, kas nodrošina nātrija pāreju no plazmas uz sarkanajām asins šūnām. Tomēr šādas pārejas ātrums ir zems, jo membrānai ir ļoti zema Na + jonu caurlaidība. Šīs membrānas kālija caurlaidība ir daudz lielāka. Šūnu metabolisma enerģija netiek tērēta vienkāršas difūzijas procesiem.

Vienkāršās difūzijas ātrumu apraksta Fika vienādojums:

dm/dt = -kSΔC/x,

Kur dm/ dt- vielas daudzums, kas izkliedējas laika vienībā; uz - difūzijas koeficients, kas raksturo membrānas caurlaidību difūzajai vielai; S- difūzijas virsmas laukums; ∆С ir vielas koncentrāciju atšķirība abās membrānas pusēs; X ir attālums starp difūzijas punktiem.

No difūzijas vienādojuma analīzes ir skaidrs, ka vienkāršās difūzijas ātrums ir tieši proporcionāls vielas koncentrācijas gradientam starp membrānas malām, membrānas caurlaidībai konkrētai vielai un difūzijas virsmas laukumam.

Skaidrs, ka visvieglāk cauri membrānai difūzijas ceļā būs tās vielas, kuru difūzija tiek veikta gan pa koncentrācijas gradientu, gan pa elektriskā lauka gradientu. Tomēr svarīgs nosacījums vielu difūzijai caur membrānām ir fizikālās īpašības membrāna un jo īpaši tās vielas caurlaidība. Piemēram, Na+ joniem, kuru koncentrācija ārpus šūnas ir augstāka nekā tās iekšienē, un plazmas membrānas iekšējā virsma ir negatīvi lādēta, šūnā viegli izkliedējas. Tomēr Na+ jonu difūzijas ātrums caur šūnas plazmas membrānu miera stāvoklī ir mazāks nekā K+ jonu difūzijas ātrums, kas izkliedējas pa koncentrācijas gradientu no šūnas, jo miera stāvoklī esošās membrānas caurlaidība K+ joniem ir lielāka par Na+ joniem.

Tā kā fosfolipīdu ogļūdeņražu radikāļiem, kas veido membrānas divslāni, ir hidrofobas īpašības, hidrofobas vielas, īpaši viegli šķīst lipīdos (steroīdos, vairogdziedzera hormonos, dažos gadījumos). narkotiskās vielas un utt.). Hidrofila rakstura mazmolekulāras vielas, minerālu joni, izkliedējas pa membrānu pasīvajiem jonu kanāliem, ko veido kanālu veidojošās proteīna molekulas, un, iespējams, caur fosfolioīdu molekulu membrānas blīvēšanas defektiem, kas rodas un izzūd membrānā kā rezultātā. termiskās svārstības.

Vielu difūziju audos var veikt ne tikai caur šūnu membrānām, bet arī caur citām morfoloģiskām struktūrām, piemēram, no siekalām caur tā emalju zoba dentīna audos. Šajā gadījumā nosacījumi difūzijas īstenošanai paliek tādi paši kā caur šūnu membrānām. Piemēram, skābekļa, glikozes, minerālu jonu difūzijai no siekalām zoba audos, to koncentrācijai siekalās ir jāpārsniedz koncentrācija zoba audos.

Normālos apstākļos nepolāras un mazas elektriski neitrālas polāras molekulas ievērojamā daudzumā var iziet cauri fosfolipīdu divslānim vienkāršas difūzijas ceļā. Ievērojama daudzuma citu polāro molekulu transportēšanu veic nesējproteīni. Ja vielas transmembrānai pārejai ir nepieciešama nesēja līdzdalība, tad termina vietā bieži lieto terminu "difūzija". vielas transportēšana caur membrānu.

Viegla difūzija, kā arī vienkārša vielas “difūzija”, tiek veikta pa tās koncentrācijas gradientu, taču atšķirībā no vienkāršas difūzijas vielas pārnesē caur membrānu ir iesaistīta specifiska proteīna molekula, nesējs (2. att.).

Atvieglota difūzija- Šis ir pasīvās jonu pārnešanas veids caur bioloģiskajām membrānām, ko veic pa koncentrācijas gradientu ar nesēja palīdzību.

Vielas pārnešana ar nesējproteīna (transportera) palīdzību balstās uz šīs proteīna molekulas spēju integrēties membrānā, iekļūstot tajā un veidojot ar ūdeni piepildītus kanālus. Nesējs var atgriezeniski saistīties ar pārnesto vielu un tajā pašā laikā atgriezeniski mainīt tās uzbūvi.

Tiek pieņemts, ka nesējproteīns spēj atrasties divos konformācijas stāvokļos. Piemēram, štatā Ašim proteīnam ir afinitāte pret transportējamo vielu, tā saistīšanās vietas ir pagrieztas uz iekšu un tas veido poras, kas ir atvērtas vienā membrānas pusē.

Rīsi. 2. Atvieglota difūzija. Apraksts tekstā

Saskaroties ar vielu, nesējproteīns maina savu konformāciju un pāriet stāvoklī 6 . Šīs konformācijas transformācijas laikā nesējs zaudē savu afinitāti pret pārnesto vielu, tas tiek atbrīvots no saites ar nesēju un tiek pārnests uz poru membrānas otrā pusē. Pēc tam proteīns atkal atgriežas stāvoklī a. Šo vielas transportēšanu cauri membrānai sauc par transportiera proteīnu uniports.

Pateicoties atvieglotai difūzijai, zemas molekulmasas vielas, piemēram, glikozi, var transportēt no intersticiālām telpām uz šūnām, no asinīm uz smadzenēm, dažas aminoskābes un glikozi no primārā urīna var reabsorbēt asinīs nieru kanāliņos, bet aminoskābes un monosaharīdi. var uzsūkties no zarnām. Vielu transportēšanas ātrums ar atvieglotu difūziju caur kanālu var sasniegt līdz 10 8 daļiņām sekundē.

Atšķirībā no vielas pārneses ātruma ar vienkāršu difūziju, kas ir tieši proporcionāls tās koncentrāciju starpībai abās membrānas pusēs, vielas pārneses ātrums atvieglotās difūzijas laikā palielinās proporcionāli starpības pieaugumam. vielas koncentrācijas līdz noteiktai maksimālajai vērtībai, virs kuras tā nepalielinās, neskatoties uz to, ka palielinās vielas koncentrācijas atšķirības abās membrānas pusēs. Maksimālā pārneses ātruma (piesātinājuma) sasniegšana atvieglotās difūzijas procesā ir izskaidrojama ar to, ka ar maksimālo ātrumu pārnesē ir iesaistītas visas nesējproteīna molekulas.

apmaiņas difūzija- ar šāda veida vielu transportēšanu var notikt vienas un tās pašas vielas molekulu apmaiņa, kas atrodas dažādās membrānas pusēs. Vielas koncentrācija katrā membrānas pusē paliek nemainīga.

Apmaiņas difūzijas variācija ir vienas vielas molekulas apmaiņa pret vienu vai vairākām citas vielas molekulām. Piemēram, asinsvadu un bronhu gludās muskulatūras šūnās sirds saraujošajos miocītos viens no veidiem, kā izvadīt no šūnām Ca2+ jonus, ir to apmaiņa pret ārpusšūnu Na+ joniem. Uz katriem trim ienākošā Na+ joniem no šūnas tiek izņemts viens Ca2+ jons. Tiek radīta Na + un Ca 2+ savstarpēji atkarīga (savienota) kustība caur membrānu pretējos virzienos (šādu transporta veidu sauc antiosta). Tādējādi šūna tiek atbrīvota no liekā Ca 2+ jonu daudzuma, kas ir nepieciešams nosacījums gludo miocītu jeb kardiomiocītu relaksācijai.

Aktīvā vielu transportēšana

aktīvais transports vielas cauri - tā ir vielu pārnešana pret to gradientiem, kas tiek veikta, iztērējot vielmaiņas enerģiju. Šis transporta veids atšķiras no pasīvā ar to, ka pārvietošana notiek nevis pa gradientu, bet gan pret vielas koncentrācijas gradientiem, un tajā tiek izmantota ATP enerģija vai cita veida enerģija, kuras radīšanai tika iztērēts ATP. agrāk. Ja šīs enerģijas tiešais avots ir ATP, tad šādu pārnesi sauc par primāro aktīvo. Ja pārnešanai tiek izmantota enerģija (koncentrācija, ķīmiskie, elektroķīmiskie gradienti), kas iepriekš tika uzkrāta jonu sūkņu darbības dēļ, kas patērēja ATP, tad šādu transportu sauc par sekundāri aktīvo, kā arī par konjugētu. Saistītā, sekundāri aktīvā transporta piemērs ir glikozes uzsūkšanās zarnās un tās reabsorbcija nierēs, piedaloties Na joniem un GLUT1 transportētājiem.

Pateicoties aktīvajam transportam, var pārvarēt ne tikai koncentrācijas, bet arī elektrisko, elektroķīmisko un citu vielu gradientu spēkus. Par piemēru primārā aktīvā transporta darbībai varam uzskatīt Na + -, K + - sūkņa darbību.

Tiek nodrošināta aktīva Na + un K + jonu pārnešana proteīns-enzīms- Na + -, K + -ATPāze, kas spēj sadalīt ATP.

Proteīns Na K -ATPāze atrodas gandrīz visu ķermeņa šūnu citoplazmas membrānā, veidojot 10% vai vairāk no kopējā olbaltumvielu satura šūnā. Šī sūkņa darbībai tiek tērēti vairāk nekā 30% no visas šūnas vielmaiņas enerģijas. Na + -, K + -ATPāze var būt divos konformācijas stāvokļos - S1 un S2. S1 stāvoklī proteīnam ir afinitāte pret Na jonu, un 3 Na joni pievienojas trim augstas afinitātes saistīšanās vietām, kas ir pagrieztas šūnas iekšpusē. Na jona pievienošana stimulē ATPāzes aktivitāti, un ATP hidrolīzes rezultātā Na+ -, K+ -ATPāze tiek fosforilēta fosfātu grupas pārneses dēļ un veic konformācijas pāreju no S1 stāvokļa uz S2 stāvokli. (3. att.).

Olbaltumvielas telpiskās struktūras izmaiņu rezultātā Na jonu saistīšanās vietas vēršas pret membrānas ārējo virsmu. Saistīšanās vietu afinitāte pret Na+ joniem strauji samazinās, un, atbrīvojusies no saites ar proteīnu, tā tiek pārnesta uz ekstracelulāro telpu. S2 konformācijas stāvoklī Na + -, K-ATPāzes centru afinitāte pret K joniem palielinās un tie piesaista divus K jonus no ārpusšūnu vides. K jonu pievienošana izraisa proteīna defosforilāciju un tā apgriezto konformācijas pāreju no S2 stāvokļa uz S1 stāvokli. Kopā ar saistīšanas centru rotāciju uz membrānas iekšējo virsmu no saites ar nesēju tiek atbrīvoti divi K joni, kas tiek pārnesti iekšpusē. Šādi pārnešanas cikli atkārtojas ar ātrumu, kas ir pietiekams, lai uzturētu nevienmērīgu Na+ un K+ jonu sadalījumu šūnā un starpšūnu barotni miera stāvoklī un līdz ar to saglabātu relatīvi nemainīgu potenciālu starpību uzbudināmo šūnu membrānā.

Rīsi. 3. Na + -, K + -sūkņa darbības shematisks attēlojums

Vielai strofantīns (ouabaīns), kas izolēts no lapsu sārta auga, piemīt specifiska spēja bloķēt Na + -, K + - sūkņa darbu. Pēc tā ievadīšanas organismā Na + jonu izsūknēšanas no šūnas blokādes rezultātā Na + -, Ca 2 -apmaiņas mehānisma efektivitātes samazināšanās un Ca 2+ jonu uzkrāšanās kontraktilās. tiek novēroti kardiomiocīti. Tas izraisa miokarda kontrakcijas palielināšanos. Zāles lieto, lai ārstētu sirds sūknēšanas funkcijas nepietiekamību.

Papildus Na "-, K + -ATPāzei ir vēl vairāki transporta ATPāzes jeb jonu sūkņi. Starp tiem ir sūknis, kas transportē ūdeņradi (šūnu mitohondriji, nieru kanāliņu epitēlijs, kuņģa parietālās šūnas); kalcijs. sūkņi (sirds elektrokardiostimulators un kontraktilās šūnas, šķērssvītroto un gludo muskuļu muskuļu šūnas).

Dažās šūnās transmembrānu elektrisko potenciālu starpības un nātrija koncentrācijas gradienta spēki, kas rodas Na + -, Ca 2+ sūkņa darbības rezultātā, tiek izmantoti, lai īstenotu sekundāri aktīvo vielu pārneses veidus caur šūnas membrānu.

sekundārais aktīvais transports ir raksturīgs ar to, ka vielas pārnešana caur membrānu notiek citas vielas koncentrācijas gradienta dēļ, ko radīja aktīvā transporta mehānisms ar ATP enerģijas patēriņu. Ir divu veidu sekundāri aktīvā transporta veidi: symport un antiport.

Symport sauc par vielas pārnešanu, kas saistīta ar citas vielas vienlaicīgu pārvietošanu tajā pašā virzienā. Simporta mehānisms transportē jodu no ārpusšūnu telpas uz vairogdziedzera vairogdziedzera vairogdziedzera tirocītiem, glikozi un aminoskābes to uzsūkšanās laikā no tievā zarnā enterocītos.

Antiport sauc par vielas pārnešanu, kas saistīta ar citas vielas vienlaicīgu pārnešanu, bet pretējā virzienā. Antiportu pārneses mehānisma piemērs ir iepriekš minētā Na + -, Ca 2+ - apmaiņas mehānisma darbs kardiomiocītos, K + -, H + - apmaiņas mehānisms nieru kanāliņu epitēlijā.

No iepriekš minētajiem piemēriem redzams, ka sekundāri aktīvais transports tiek veikts, izmantojot Na+ jonu vai K+ jonu gradienta spēkus. Na + jons jeb K jons virzās cauri membrānai tās zemākās koncentrācijas virzienā un velk sev līdzi citu vielu. Šajā gadījumā parasti tiek izmantots specifisks nesējproteīns, kas iebūvēts membrānā. Piemēram, aminoskābju un glikozes transportēšana uzsūkšanās laikā no tievās zarnas asinīs notiek tāpēc, ka zarnu sienas epitēlija membrānas proteīna nesējs saistās ar aminoskābi (glikozi) un Na + jonu un tikai pēc tam maina savu stāvokli membrānā tā, ka tas pārnes aminoskābi (glikozi) un Na+ jonu citoplazmā. Šāda transporta īstenošanai ir nepieciešams, lai Na + jona koncentrācija ārpus šūnas būtu daudz augstāka nekā iekšpusē, ko nodrošina pastāvīgs Na +, K + -ATP-āzes darbs un vielmaiņas enerģijas patēriņš. .

Lietojot ogļhidrātus, kā arī citas vielas, ķermenis saskaras ar diviem uzdevumiem - sūkšana no zarnām uz asinīm transports no asinīm uz audu šūnām. Jebkurā gadījumā ir jāpārvar membrāna.

Monocukuru transportēšana caur membrānām

Uzsūkšanās zarnās

Pēc cietes un glikogēna sagremošanas, pēc disaharīdu sadalīšanās zarnu dobumā, glikoze un citi monosaharīdi, kuriem jāiekļūst asinsritē. Lai to izdarītu, viņiem jāpārvar vismaz enterocīta apikālā membrāna un tā bazālā membrāna.

sekundārais aktīvais transports

Autors sekundārā aktīvā transporta mehānisms glikozes un galaktozes uzsūkšanās notiek no zarnu lūmena. Šāds mehānisms nozīmē, ka cukuru pārneses laikā tiek iztērēta enerģija, taču tā netiek tērēta tieši molekulas transportēšanai, bet gan citas vielas koncentrācijas gradienta veidošanai. Monosaharīdu gadījumā šī viela ir nātrija jons.

Līdzīgs glikozes transportēšanas mehānisms ir arī cauruļveida epitēlijā. nieres, kas to reabsorbē no primārā urīna.
Tikai klātbūtne aktīvs transportēšana ļauj gandrīz visu glikozi no ārējās vides pārnest šūnās.

Enzīms Na+,K+-ATPāze pastāvīgi apmaiņā pret kāliju no šūnas izsūknē nātrija jonus, tieši šim transportam ir nepieciešama enerģija. Zarnu lūmenā nātrija saturs ir salīdzinoši augsts, un tas saistās ar specifisku membrānas proteīnu, kuram ir divas saistīšanās vietas: viena nātrijam, otra monosaharīdam. Jāatzīmē, ka monosaharīds saistās ar proteīnu tikai pēc tam, kad ar to saistās nātrijs. Transportera proteīns brīvi migrē membrānas biezumā. Proteīnam saskaroties ar citoplazmu, pa koncentrācijas gradientu no tā ātri tiek atdalīts nātrijs un nekavējoties tiek atdalīts monosaharīds. Rezultāts ir monosaharīda uzkrāšanās šūnā, un nātrija jonus izsūknē Na +, K + -ATPāze.

Glikozes izdalīšanās no šūnas starpšūnu telpā un tālāk asinīs notiek atvieglotas difūzijas dēļ.

Sekundārā aktīva glikozes un galaktozes transportēšana caur enterocītu membrānām

Pasīvais transports

Atšķirībā no glikozes un galaktozes, fruktoze un citi monosaharīdi vienmēr tiek transportēti ar transporterproteīniem neatkarīgi no nātrija gradienta, t.i. atvieglota difūzija. Jā, ieslēgts apikāls enterocītu membrāna satur transporta proteīnu Glut-5 caur kuru fruktoze difundē šūnā.

Glikozei tiek izmantots sekundārais aktīvs transports, kad tas zems koncentrācija zarnās. Ja glikozes koncentrācija zarnu lūmenā lieliski, tad to var transportēt arī šūnā ar atvieglota difūzija ar proteīna palīdzību Glut-5.

Monosaharīdu uzsūkšanās ātrums no zarnu lūmena epitēliocītā nav vienāds. Tātad, ja glikozes absorbcijas ātrumu ņem par 100%, galaktozes relatīvais pārneses ātrums būs 110%, fruktozes - 43%, mannozes - 19%.

Transports no asinīm caur šūnu membrānām

Pēc iekļūšanas asinīs, kas plūst no zarnām, monosaharīdi pārvietojas pa portāla sistēmas traukiem uz aknām, daļēji uzkavējas tajās un daļēji nonāk sistēmiskajā cirkulācijā. Viņu nākamais uzdevums ir iekļūt orgānu šūnās.

Glikoze no asinīm šūnās tiek transportēta ar atvieglota difūzija pa koncentrācijas gradientu, kas ietver nesējproteīni(glikozes transportētāji - "GluT"). Kopumā tiek izdalīti 12 glikozes transportētāju veidi, kas atšķiras pēc lokalizācijas, afinitātes pret glikozi un regulēšanas spēju.

Glikozes transportētāji Glut-1 atrodas uz visu šūnu membrānām un ir atbildīgas par pamata glikozes transportēšanu šūnās, kas nepieciešamas dzīvotspējas uzturēšanai.

Iespējas Glut-2 ir spēja izvadīt glikozi divos virzienos Un zema afinitāte uz glikozi. Pārvadātājs tiek prezentēts, pirmkārt, iekšā hepatocīti, kas pēc ēšanas uzņem glikozi, un pēcabsorbcijas periodā un badošanās laikā piegādā to asinīm. Šis transportētājs atrodas arī iekšā zarnu epitēlijs Un nieru kanāliņi. Klāt uz membrānām β šūnas Langerhans saliņās GluT-2 transportē glikozi uz iekšu koncentrācijās virs 5,5 mmol/l un tādējādi rada signālu insulīna ražošanas palielināšanai.

Glut-3 ir augsta afinitāte uz glikozi un tiek prezentēts nervu audi. Tāpēc neironi spēj absorbēt glikozi pat zemā koncentrācijā asinīs.

Glut-4 ir atrodams muskuļos un taukaudos, tikai šie transportētāji ir jutīgi pret ietekmi insulīnu. Kad insulīns iedarbojas uz šūnu, tie nonāk uz membrānas virsmas un pārnes glikozi iekšā. Šos audumus sauc atkarīgs no insulīna.

Daži audi ir pilnīgi nejutīgi pret insulīna darbību, tos sauc insulīnneatkarīgi. Tie ietver nervu audus stiklveida ķermenis, lēca, tīklene, nieru glomerulārās šūnas, endoteliocīti, sēklinieki un eritrocīti.

Glikoze šūnās nokļūst no asinsrites atvieglotas difūzijas ceļā ar nesējproteīnu – GLUT palīdzību. Glikozes transportētājiem GLUT ir domēna organizācija, un tie ir atrodami visos audos. Ir 5 GLUT veidi:
GLUT-1 - galvenokārt smadzenēs, placentā, nierēs, resnajā zarnā;
GLUT-2 - galvenokārt aknās, nierēs, aizkuņģa dziedzera β-šūnās, enterocītos, atrodas eritrocītos. Ir augsts km;
GLUT-3 - daudzos audos, tostarp smadzenēs, placentā, nierēs. Tam ir lielāka afinitāte pret glikozi nekā GLUT-1;
GLUT-4 - no insulīna atkarīgs, muskuļos (skeleta, sirds), taukaudos;
GLUT-5 – daudz tievās zarnas šūnās, ir fruktozes nesējs.

GLUT atkarībā no veida var atrasties galvenokārt gan plazmas membrānā, gan citozola pūslīšos. Glikozes transmembrānas transportēšana notiek tikai tad, ja GLUT atrodas plazmas membrānā. GLUT iekļaušana citozola pūslīšu membrānā notiek insulīna iedarbībā. Samazinoties insulīna koncentrācijai asinīs, šie GLUT atkal pārvietojas citoplazmā. Audi, kuros GLUT bez insulīna atrodas gandrīz pilnībā šūnu citoplazmā (GLUT-4 un mazākā mērā GLUT-1), izrādās, ir no insulīna atkarīgi (muskuļi, taukaudi), un audi, kuros pārsvarā atrodas GLUT. kas atrodas plazmas membrānā (GLUT-3) - neatkarīgs no insulīna.

Ir zināmi dažādi pārkāpumi GLUT darbā. Iedzimts šo proteīnu defekts var būt insulīnneatkarīgā cukura diabēta pamatā.

Monosaharīdu metabolisms šūnā.
Pēc uzsūkšanās zarnās glikoze un citi monosaharīdi nonāk portāla vēnā un pēc tam aknās. Monosaharīdi aknās tiek pārvērsti glikozē vai tās metabolisma produktos. Daļa no aknās esošās glikozes tiek nogulsnēta glikogēna veidā, daļa tiek izmantota jaunu vielu sintēzei, bet daļa ar asinsriti tiek nosūtīta uz citiem orgāniem un audiem. Tajā pašā laikā aknas uztur glikozes koncentrāciju asinīs 3,3-5,5 mmol / l līmenī.

Monosaharīdu fosforilēšana un defosforilēšana.
Šūnās glikoze un citi monosaharīdi tiek fosforilēti, izmantojot ATP, pārvēršot fosfātu esterus: glikoze + ATP → glikoze-6p + ADP. Heksozes gadījumā šo neatgriezenisko reakciju katalizē ferments heksokināze , kam ir izoformas: muskuļos - heksokināze II, aknās, nierēs un aizkuņģa dziedzera β-šūnās - heksokināze IV (glikokināze), audzēja audu šūnās - heksokināze III. Monosaharīdu fosforilēšanās izraisa reaktīvu savienojumu veidošanos (aktivācijas reakcija), kas nespēj iziet no šūnas, jo nav atbilstošu nesējproteīnu. Fosforilēšana samazina brīvās glikozes daudzumu citoplazmā, kas atvieglo tās difūziju no asinīm šūnās.

Heksokināze II fosforilē D-glikozi un lēnāk citas heksozes. Ar augstu afinitāti pret glikozi (Km<0,1 ммоль/л), гексокиназа II обеспечивает поступление глюкозы в ткани даже при низкой концентрации глюкозы в крови. Так как гексокиназа II ингибируется глюкозо-6-ф (и АТФ/АДФ), глюкоза поступает в клетку только по мере необходимости.

Glikokināze (heksokināze IV) ir zema afinitāte pret glikozi, tā ir aktīva aknās (un nierēs), palielinoties glikozes koncentrācijai (gremošanas laikā). Glikokināzi neinhibē glikozes-6-fosfāts, kas ļauj aknām bez ierobežojumiem izvadīt no asinīm lieko glikozi.

Glikozes-6-fosfatāze katalizē neatgriezenisku fosfātu grupas šķelšanos ar hidrolītiskiem līdzekļiem EPR: Glikoze-6-f + H 2 O → Glikoze + H 3 RO 4, atrodas tikai aknās, nierēs un zarnu epitēlija šūnās. Iegūtā glikoze spēj izkliedēties no šiem orgāniem asinīs. Tādējādi aknu un nieru glikozes-6-fosfatāze ļauj paaugstināt zemu glikozes līmeni asinīs.

Glikozes-6-fosfāta metabolisms
Glikoze-6-ph šūna var izmantot dažādās transformācijās, no kurām galvenās ir: katabolisms ar ATP veidošanos, glikogēna, lipīdu, pentožu, polisaharīdu un aminoskābju sintēze.

GLIKOGĒNA METABOLISMS.
Daudzi audi sintezē glikogēnu kā glikozes rezerves formu. Glikogēna sintēze un sadalīšanās aknās uztur glikozes homeostāzi asinīs.

Glikogēns - sazarots glikozes homopolisaharīds ar masu >10 7 Da (50 000 glikozes atlikumu), kurā glikozes atlikumi ir savienoti lineārās sekcijās ar α-1,4-glikozīdu saiti. Atzarojuma punktos, aptuveni ik pēc 10 glikozes atlikumiem, monomēri ir savienoti ar α-1,6-glikozīdu saitēm. Ūdenī nešķīstošais glikogēns tiek uzglabāts šūnas citozolā granulu veidā ar diametru 10-40 nm. Glikogēns tiek nogulsnēts galvenokārt aknās (līdz 5%) un skeleta muskuļos (līdz 1%). Organismā var būt no 0 līdz 450 g glikogēna.

Glikogēna sazarotā struktūra veicina fermentu darbību, kas atdala vai pievieno monomērus.

Glikogēna sintēze (glikogenoģenēze)
Glikogēns tiek sintezēts, patērējot enerģiju gremošanas laikā (1-2 stundas pēc ogļhidrātu saturošas pārtikas uzņemšanas).

Glikogēna sintēzi veic, pagarinot jau esošu polisaharīda molekulu, ko sauc par " sēklas ", vai" gruntējums ". Primer var saturēt proteīnu glikogenīnu, kurā oligosaharīds (no aptuveni 8 glikozes atlikumiem) ir pievienots Tyr. Glikozes atliekas ar glikogēna sintāzi pārnes uz oligosaharīda nereducējošo galu un saista ar α-1,4-glikozīdu saitēm.

Kad lineārais apgabals tiek paplašināts līdz aptuveni 11 glikozes atlikumiem, zarojošais enzīms pārnes savu gala bloku, kas satur 6-7 atlikumus, uz šīs vai citas ķēdes iekšējo glikozes atlikumu, veidojot α-1,6-glikozīdu saiti. Jauns atzarojuma punkts tiek veidots vismaz 4 atlikumu attālumā no jebkura esošā atzarojuma punkta.

Glikogēna sadalīšanās (glikogenolīze)
Glikogēna sadalīšanās notiek, secīgi sadalot glikozi-1-p, reaģējot uz organisma nepieciešamības pēc glikozes palielināšanos. Reakciju katalizē glikogēna fosforilāze:

Glikogēna fosforilāze sastāv no 2 identiskām apakšvienībām (94500 Da). Neaktīvo formu norāda ar b, aktīvo formu ar a. Aktivizēts fosforilāzes b kināze fosforilējot katru apakšvienību serīna 14. pozīcijā.

Glikogēna fosforilāze šķeļ α-1,4-glikozīdu saites ar fosforolīzi, līdz pirms atzarojuma vietas paliek 4 glikozes atlikumi.

Glikogēna fosforilāzes inaktivācija notiek defosforilācijas laikā, piedaloties specifiskai fosforilāzes fosfatāzei (fosfoproteīna fosfatāzes FPP).

Zaru noņemšana atzarošanas enzīms . Tam ir transferāzes un glikozidāzes aktivitātes. Nodošanas daļa ( oligosaharīdu transferāze ) pārnes trīs atlikušos glikozes atlikumus līdz atzarojuma punktam uz blakus esošās ķēdes nereducējošo galu, pagarinot to fosforilāzei.

glikozidāzes daļa ( α-1,6-glikozidāze ) hidrolizē α-1,6-glikozīdu saiti, atdalot glikozi.
Glikoze-1-p izomerizējas par glikozi-6-p ar fosfoglukomutāzes palīdzību.

Glikogēna metabolismu kontrolē hormoni (aknās - insulīns, glikagons, adrenalīns; muskuļos - insulīns un adrenalīns), kas regulē 2 galveno enzīmu - glikogēna sintāzes un glikogēna fosforilāzes - fosforilēšanos un defosforilāciju.

Ja glikozes līmenis asinīs ir nepietiekams, izdalās hormons glikagons, ārkārtējos gadījumos - adrenalīns. Tie stimulē glikogēna sintāzes (tā ir inaktivēta) un glikogēna fosforilāzes (tā tiek aktivizēta) fosforilēšanos. Palielinoties glikozes līmenim asinīs, izdalās insulīns, tas stimulē glikogēna sintāzes (tā tiek aktivizēta) un glikogēna fosforilāzes (tā tiek inaktivēta) defosforilāciju. Turklāt insulīns inducē glikokināzes sintēzi, tādējādi paātrinot glikozes fosforilēšanos šūnā. Tas viss noved pie tā, ka insulīns stimulē glikogēna sintēzi, bet adrenalīns un glikagons - tā sabrukšanu.