Простая диффузия

На рис. 2 представлены основные разновидности диффузии веществ через мембрану.

Диффузия – самопроизвольное перемещение вещества из мест с большей их концентрацией в места с меньшей концентрацией вещества вследствие хаотического теплового движения частиц. Диффузия вещества через липидный бислой вызывается градиентом концентрации в мембране. Плотность потока вещества по закону Фика:

(2)

где С^М₁ – концентрация вещества в мембране около одной ее поверхности и С^М₂ – около другой, l – толщина мембраны.

Так как измерить концентрации С^М₁ и С^М₂ труд­но, на практике пользуются формулой, связывающей плотность потока вещества через мембрану с концентрациями этого вещества не внутри мембраны, а снаружи в растворах около поверхностей мембраны – С₁ и С₂:

(3)

где Р – коэффициент проницаемости.

Если считать концентрации вещества у поверхности в мембране прямо пропорциональными кон­центрациям у поверхности вне мембраны С^М ~ С, то

, (4)

К – коэффициент распределения – показывает, ка­кую часть концентрации у поверхности вне мембраны составляет концентрация у поверхности мемб­раны, но внутри ее.

Подставив (4) в (2), получим:

(5)

Из уравнений (3) и (5) видно, что коэффициент проницаемости:

.

Этот коэффициент удобен, поскольку имеет размерность линейной скорости (в м/с) и может быть определен по результатам измерения мембранных потенциалов.

Коэффициент проницаемости, как видно из формулы, тем больше, чем больше коэффициент диффузии D, чем тоньше мембрана и чем лучше вещество растворяется в липидной фазе мембраны (чем больше К).

Хорошо растворимы в липидной фазе мембраны неполярные вещества, например: органические и жирные кислоты, эфиры. В то же время плохо проходят через липидный бислой мембраны полярные вещества: вода, неорганические соли, сахара, аминокислоты. Электролиты, слабо растворимые в липидах, не образуют с водой водородных связей, но они обладают водной оболочкой, образующейся в результате электростатических взаимодействий. Размер оболочки прямо пропорционален плотности заряда электролита. Электролиты с большей плотностью заряда обладают большей гидратной оболочкой и, таким образом, меньшей скоростью диффузии. Ионы Na⁺, например, характеризуются большей плотностью заряда, чем ионы К⁺. Следовательно, гидратированный Na⁺ имеет больший размер, чем К⁺, и его скорость пассивной диффузии ниже. Перенос воды происходит через наполненные водой белковые и липидные поры. Однако в последнее время помимо гидрофильных пор проникновение через мембрану мелких полярных молекул связывают с образованием между жирнокислотными хвостами фосфолипидных молекул при их тепловом движении небольших свободных полостей – кинков (от англ. kink – петля). Вследствие теплового движения хвостов молекул фосфолипидов кинки могут переме­щаться поперек мембраны и переносить попавшие в них мелкие молекулы, в первую очередь молекулы воды.

Долгое время считалось, что для диффузии воды через клеточные мембраны достаточно ее естественной проницаемости через липидную часть мембран за счет движения кинков. В 1988 г. В лаборатории П. Агре (лауреата Нобелевской премии по химии за 2003 год) были описаны аквапорины – новый класс белков, которые высокоэффективно пропускают молекулы воды, будучи абсолютно непроницаемы не для каких ионов, включая протоны.

В отличие от ионных каналов, аквапорины осуществляют избирательное пропускание воды через мембраны клеток. Аквапорины имеют молекулярную массу ~ 30 кДа и находятся в мембране в виде тетрамеров (рис. 3). Они встречаются в клетках всех живых организмов и играют особенно важную роль в физиологии почек (у человека через них проходит до 170 л воды в сутки). Нарушения работы аквапоринов (например, в случае генетических дефектов этих белков) приводят к тяжелым патологиям.

Рентгеноструктурный анализ аквапорина показал, что его структура сильно отличается от структуры калиевого канала. В мембране формируется очень узкое отверстие, в центре которого имеются два положительных заряда, расположенных на двух симметричных петлях с характерной последовательностью -N-P-A. Прохождение большинства катионов и анионов через данный канал невозможно из-за его малого размера, а протоны не проходят через него из-за наличия положительного заряда.

Через гидрофильные липидные и белковые поры сквозь мембрану проникают молекулы нерастворимых в липидах веществ и водорастворимые гидратированные ионы, окруженные молекулами воды. Для жиронерастворимых веществ и ионов мембрана выступает как молекулярное сито: чем больше размер частицы, тем меньше проницае­мость мембраны для этого вещества. Избирательность переноса обеспечивается набором в мембране пор определенного радиуса, соответствующих размеру проникающей частицы.

Некоторые микроорганизмы синтезируют малые органические молекулы – ионофоры, которые осуществляют челночные перемещения ионов через мембраны. Эти ионофоры содержат гидрофильные центры, которые связывают определенные ионы. По периферии центры окружены гидрофобными областями, что позволяет молекуле легко растворяться в мембране и диффундировать через нее. Существуют и другие ионофоры, подобные хорошо изученному полипептиду грамицидину, которые образуют каналы. Некоторые микробные токсины (например, дифтерийный токсин) и компоненты активированного сывороточного комплемента способны образовывать крупные поры в клеточных мембранах, через которые могут проходить макромолекулы.

Суммируя сказанное, можно сказать, что диффузия веществ определяется следующими факторами:

1) трансмембранным концентрационным градиентом веществ. Растворенные вещества перемещаются в сторону понижения концентрации;

2) трансмембранной разностью электрических потенциалов. Растворенные вещества движутся в сторону раствора с противоположным зарядом;

3) коэффициентом проницаемости мембраны для данного вещества;

4) градиентом гидростатического давления на мембране. При повышении давления будет увеличиваться скорость столкновений молекул и мембраны;

5) температурой. Чем выше температура, тем больше скорость частиц и, следовательно, частота столкновений между частицами и мембраной.