Благодаря содержанию растворов солей, сахаров и других осмотически активных веществ клетки характеризуются наличием в них определенного осмотического давления. Например, давление в клет-
ках животных, обитающих на суше, доходит до 8 атм., а у некоторых водных животных (морских и океанических форм) оно достигает 30 атм. и более. В клетках растений осмотическое давление является еще большим. Разность концентрации веществ внутри и снаружи клетки называют градиентом концентрации.
Поступление веществ в клетку, равно как и удаление их из клетки, связано с проницаемостью клеточной мембраны для молекул или ионов, а также со свойствами веществ. Клеточная мембрана регулирует обмен различными веществами между клеткой и средой. Поддержание мембраны и ее проницаемость обеспечиваются клеточной энергией.
Известно несколько путей поступления веществ в клетки. В частности, различают пассивный, катализируемый и активный транс- порт веществ в клетки и из клеток, а также проникновение веществ в клетки путем фагоцитоза и пиноцитоза.
Пассивный транспорт веществ в клетки обеспечивается диффузией через мембрану по градиенту концентрации. Молекулы обычно переходят из области высокой концентрации в область более низкой.
Количество работы, затрачиваемой на транспорт молекул в клетку против градиента концентрации, можно определить исходя из допущения простой реакции, в которой А0 есть концентрация молекул за пределами клетки, а А1 — концентрация молекул внутри клетки. Эту реакцию можно описать константой равновесия в виде уравне- ния:
Между тем константа равновесия Кр связана со свободной энергией реакции отношением в виде G = RTlnK, где R есть около 2 кал/моль, а Т есть 300 ?К (температура, при которой протекают многие биологические реакции). Допуская, что совместная энергия гидролиза АТФ и АДФ обеспечивает эту реакцию с 50\%-ной эффективностью, можно далее допустить, что транспортная система будет располагать примерно 3500 калориями (из общего количества энергии в 7000 калорий) на 1 моль АТФ, гидролизуемого при определенных физиологических условиях. Следовательно, константа равновесия будет равна
Kp = ln-= ln
3500
=5,83.
600
Важнейший вывод из этих заключений состоит в том, что работа, необходимая для транспорта молекул, не зависит от отношений между концентрациями внутри и вне клетки.
Можно сказать, пассивный транспорт веществ в клетки осуществляется обычной диффузией через клеточную мембрану, причем скорость диффузии вещества зависит от его растворимости в мембране, коэффициента диффузии в мембране и от разности концентрации веществ в клетке и за ее пределами (в среде). Этим путем в клетку проникают вода, двуокись углерода и молекулы органических веществ, способные хорошо растворяться в жирах. Вещества в клетку проникают через поры, имеющиеся в клеточной мембране. Пассивный транспорт не зависит от энергии, обеспечиваемой АТФ.
Известна катализируемая, или так называемая облегченная, диффузия, при которой скорость диффузии разных веществ, например сахаров, аминокислот и нуклеозидов, через мембрану повышается с помощью белков (ферментов). Как и обычная диффузия, «облегченная» диффузия тоже зависит от градиента концентрации, однако здесь имеются подвижные «переносчики», роль которых выполняют ферменты. Находясь в составе мембраны, ферменты действуют в качестве «переносчиков» молекул вещества, проникая (диффундируя) на противоположную сторону мембраны, где они освобождаются от переносимых веществ. Поскольку «облегченная» диффузия вещества является переносом по градиенту концентрации, она тоже непосредственно не зависит от энергии.
Активный транспорт веществ в клетку отличается от пассивного (диффузии) тем, что вещество переносится против градиента концентрации, т. е. из области низкой концентрации в область более высокой концентрации. Активный транспорт связан со способностью мембраны поддерживать разность электрических потенциалов (помимо поддержания разности в концентрации веществ внутри и снаружи клетки), под которыми понимают различия между электрическими потенциалами внутри и вне клетки, а также с затратами энергии на работу в виде перемещения веществ против электрохимического градиента, т. е. вверх.
Энергия для транспорта обеспечивается фосфоэнолпируватом, фосфатная группа и часть химической энергии которого передаются белками, часть последних используется всеми сахарами, транс- портируемыми фосфотрансферазной системой, а часть специфична
для отдельных сахаров. Конечный белок содержится в мембране и ответствен за транспорт и фосфорилирование сахаров.
Активный транспорт особенно эффективен в случае переноса ионов. Реакции, обеспечивающие активный транспорт, происходят в мембране и сопряжены с реакциями, дающими свободную энергию. Ферменты, катализирующие эти реакции, также локализованы в мембране. Примером активного транспорта веществ является транспорт ионов натрия и калия, который определяет клеточный мембранный потенциал. Концентрация ионов натрия (Na+) внутри большинства клеток меньше, чем в среде, тогда как концентрация ионов калия (K+) внутри клеток больше, чем в среде. В результате этого ионы Na+ стремятся проникнуть внутрь из среды в клетку, а ионы К4, наоборот, выйти из клетки в среду. Поддержание концентрации этих ионов в клетке и в окружающей среде обеспечивается благодаря наличию в клеточной мембране системы, которая является ионным «насосом» и откачивает ионы Na+ из клетки в среду и накачивает ионы К+ в клетку из среды. Работа этой системы, т. е. движение ионов против электрохимического градиента, обеспечивается энергией, которая генерируется гидролизом АТФ, причем фермент АТФ-аза, катализирующий эту реакцию, содержится в самой мембране и, как считают, выполняет роль натриево-калиевого «насоса», генерирующего мембранный потенциал. Энергия, освобождаемая при гидролизе одной молекулы АТФ, обеспечивает транспорт за пре- делы клетки трех ионов Na+ и внутрь клетки двух ионов K+.
Система Na+ +K+ + АТФ-аза помогает поддерживать асимметрическое распределение ионов калия при высокой концентрации последнего в клетках. Ионы калия участвуют в регуляции многих клеточных функций, включая поток солей и воды из почечных клеток, освобождение инсулина из панкреатических клеток, частоту сердцебиения.
Установлено, что энергетически выгодный транспорт ионов Na+ внутрь клеток оказывает также влияние на транспорт сахаров и аминокислот в клетки. В частности, с транспортом ионов Na+ сопряжен транспорт глюкозы. Чтобы создать градиент концентрации ионов Na+, благоприятный для транспорта ионов K+ и глюкозы внутрь клеток, ионная «насосная» система, благодаря энергии, активно откачивает ионы Na+ из клетки за ее пределы.
Определенная роль в транспорте веществ принадлежит белоксвязывающим системам, представляющим четвертый способ транс-
порта. Речь идет о белках, локализованных в периплазмати-ческом пространстве. Эти белки специфически связывают сахара, аминокислоты и ионы, перенося их затем к специфическим молекуламносителям, локализованным в клеточной мембране. Источником энергии для этих систем является АТФ.
Перенос в клетки крупных частиц и молекул обеспечивает эндоцитоз, в рамках которого различают фагоцитоз и пиноцитоз.
Фагоцитоз (от греч. phagos — пожирающий и cytos — клетка) представляет собой процесс, при котором клетки захватывают (обволакивают) твердые частицы за счет выпячиваний клеточной мембраны. Вошедшие в толщу цитоплазмы частицы перевариваются с помощью ферментов и усваиваются затем клетками. Фагоцитоз широко распространен среди одноклеточных организмов и некоторых специализированных клеток многоклеточных организмов. Он имеет также значение в иммунной защите организма.
Пиноцитоз (от греч. pino — пить и cytos — клетка) представляет собой процесс, при котором клетки поглощают жидкости и высокомолекулярные вещества за счет впячиваний плазматической мембраны и образования канальцев, куда поступает жидкость. Канальцы после заполнения жидкостью отшнуровываются и поступают в цитоплазму, где их стенки перевариваются, в результате чего содержимое (жидкость) освобождается. Путем аналогичного механизма происходит и удаление молекул из клеток (экзоцитоз). Пиноцитоз часто встречается у одноклеточных животных. У многоклеточных он наблюдается в клетках кровеносной и лимфатической систем, в клетках злокачественных опухолей, а также клетках тканей, для которых характерен повышенный уровень обмена веществ.