Пассивный перенос веществ через мембрану.

Живые системы на всех уровнях организации - открытые термодинамические системы. Поэтому транспорт веществ через биологические мембраны - необходимое условие жизни. С переносом веществ через мембраны связаны процессы метаболизма клетки, биоэнергетические процессы, образование биопотенциалов, генерация нервного импульса и др. Нарушение транспорта веществ через биомембраны приводит к различным патологиям. Лечение часто связано с проникновением лекарств через клеточные мембраны. Эффективность лекарственного препарата в значительной степени зависит от проницаемости для него мембраны.

Различают два вида транспорта – пассивный и активный. Пассивным транспортом называют перенос вещества из области с высокой его концентрацией в область с низкой концентрацией. На совершение работы по переносу в этом случае тратится свободная энергия Гиббса, связанная с неравновесным распределением вещества в системе. Если переносимое вещество имеет электрический заряд, нужно учитывать и потенциальную энергию в электрическом поле.

Движущей силой переноса ионов является обобщенный градиент, являющийся суммой концентрационного и электрического. Для переноса воды через мембраны клеток существенными являются также градиенты осмотического и гидростатического давлений. Напомним, что градиентом какой-либо величины называют ее производную по координате: grad C =.

Если бы в живых системах имел место только пассивный перенос, то в результате всех процессов клетки перешли бы в равновесное состояние, несовместимое с жизнью. Однако этого не происходит, так как наряду с пассивным переносом имеет место активный транспорт веществ, идущий против градиента концентрации, что позволяет удерживать организм в стационарном состоянии, далеком от равновесного. О нем мы поговорим чуть позже.

Поскольку нас интересует перенос вещества через мембрану, следует различать в пассивном транспорте гидрофильные и гидрофобные молекулы. Хорошо растворимы в фосфолипидной фазе мембраны неполярные вещества, например органические жирные кислоты, эфиры. Эти вещества хорошо проникают через липидную фазу мембраны.

Плохо проходят через липидный бислой полярные, водорастворимые вещества: соли, основания, сахара аминокислоты, спирты.

На первый взгляд, представляется необъяснимым сравнительно высокая проницаемость липидной мембраны для воды. В последнее время проникновение через липидные бислойные мембраны мелких полярных молекул связывают с образованием между жирнокислотными хвостами фосфолипидных молекул при их тепловом движении небольших свободных полостей - кинков, образованных гош-транс-гош конфигурацией липидных молекул. Вследствие теплового движения хвостов кинки могут перемещаться поперек мембраны и переносить попавшие в них мелкие молекулы, в первую очередь молекулы воды.

Через липидные и белковые поры (ионные каналы) 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 молекулы, тем меньше проницаемость мембраны для этого вещества.

Пассивный транспорт характеризуется плотностью потока вещества j, который равен массе, переносимой за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению переноса: j=. В случае, когда молекула не несет заряда, плотность потока прямо пропорциональна градиенту концентрации, или в одномерном случае:

J = - D (1).

Знак минус указывает на то, что вещество перемещается оттуда, где его концентрация выше, туда, где его концентрация ниже. Здесь D – коэффициент диффузии. Выражение (1) называется уравнением Фика.

Диффузия вещества через липидный бислой вызывается градиентом концентрации в мембране. Плотность потока вещества по закону Фика:

J = - DD (2),

где - концентрация вещества в мембране около одной ее поверхности и - около другой, - толщина мембраны (). Градиент концентрации мы заменили на . Это так называемое приближение линейного поля.

Так как измерить концентрации и 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.

Если считать концентрации вещества у поверхности в мембране прямо пропорциональными концентрациям у поверхности вне мембраны, то

; (3).

Величина к называется коэффициентом распределения. Она равна отношению растворимости в жирах к растворимости в воде. Подставив (3) в (2), получим: j = (4).

Величину Р называют коэффициентом проницаемости. Он зависит от свойств мембраны и переносимых веществ. Коэффициент проницаемости тем больше, чем больше коэффициент диффузии (чем меньше вязкость мембраны), чем тоньше мембрана и чем лучше вещество растворяется в мембране (чем больше к).

Мембраны клеток в процессе жизнедеятельности значительно меняют свои свойства, поэтому проницаемость мембраны даже в одной и той же клетке может за короткое время значительно измениться, что в свою очередь существенно влияет на метаболические процессы.

При транспорте ионов нужно учитывать не только градиент концентрации переносимого вещества, но и градиент электрического потенциала. В этом случае плотность потока вещества описывается уравнением Нернста-Планка:

J = - D- uCzF (5),

где u – подвижность частиц, z-валентность иона, F-постоянная Фарадея, j-электрический потенциал.

Движущей силой пассивного транспорта в этом случае является градиент электрохимического потенциала: m_эх = m₀ + RTlnC +zFj, где m₀ –стандартный химический потенциал, R –универсальная газовая постоянная, T – абсолютная температура.

Гидрофильные вещества плохо проходят через липидный бислой, поскольку они почти не растворяются в жирах. Такие вещества проходят через мембрану либо через мембранные каналы, либо с помощью переносчиков. Переносчики – это белковые молекулы, которые соединяясь с переносимым веществом образуют жирорастворимый комплекс. Этот комплекс может проходить через мембрану по механизму диффузии. Поэтому скорость транспорта гидрофильных веществ с переносчиком сильно возрастает по сравнению с прямым переносом этих веществ через мембрану. Из-за этого транспорт с участием переносчика называют облегченной диффузией.

Одним из характерных свойств переносчиков является их специфичность. В некоторых случаях эта специфичность абсолютная, то есть данный переносчик транспортирует через мембрану только одно определенное вещество. Например, для каждой аминокислоты существует, по-видимому, свой специфический переносчик. В других случаях специфичность не столь строгая; так, все моносахариды транспортируются одним и тем же переносчиком, хотя и с разной вероятностью.

Работа переносчиков имеет много общего с работой ферментов. В частности, и в одном и в другом случае в основе процесса лежит образование комплекса субстрата с белком. Другим элементом сходства является то, что переносчики, как и ферменты, могут находиться как в активном, так и в неактивном состояниях. Легко понять, что проницаемость мембраны для субстрата прямо пропорциональна числу активных молекул переносчика. Активация переносчика может вызываться различными факторами: химическим составом и рН цитоплазмы, разностью потенциалов на мембране, концентрацией субстрата и т.д. Во многих случаях активация переносчика вызывается ионами натрия (например при транспорте сахаров через стенку кишечника). Многообразием способов активации объясняется большая гибкость системы транспорта, ее способность чутко подстраиваться к состоянию клетки и ее потребностям в данный момент.

Один из наиболее изученных переносчиков – валиномицин - переносчик ионов калия. Молекула валиномицина имеет форму манжетки, устланной внутри полярными группами, а снаружи – неполярными.

В силу особенности своего химического строения валиномицин, во-первых, способен образовывать комплекс с ионами калия, попадающими внутрь молекулы-манжетки, и, во-вторых, валиномицин растворим в липидной фазе мембраны, так как снаружи его молекула неполярна. Молекулы валиномицина, оказавшиеся у поверхности мембраны, могут захватывать из окружающего раствора ионы калия. Диффундируя в мембране, молекулы переносят калий через мембрану, и некоторые из них отдают ионы в раствор по другую сторону мембраны.

Перенос калия валиномицином может происходить через мембрану и в одну и в другую сторону. Поэтому, если концентрации калия по обе стороны мембраны одинаковы, переноса калия через мембрану не будет. Облегченная диффузия , таким образом, также как и обычная диффузия происходит от мест с большей концентрацией переносимого вещества к местам с меньшей концентрацией. Еще раз укажем, что облегченной диффузией, по-видимому, объясняется перенос через биологические мембраны аминокислот, сахаров и других биологически важных веществ.

К особенностям облегченной диффузии можно отнести следующее:

1) перенос вещества с участием переносчика происходит значительно быстрее;

2) облегченная диффузия обладает свойством насыщения: при увеличении концентрации с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;

3) при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда переносчиком переносятся разные вещества; при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других; так, из сахаров глюкоза переносится лучше, чем фруктоза, фруктоза лучше, чем ксилоза, а ксилоза лучше, чем арабиноза и т.д.;

4) есть вещества, блокирующие облегченную диффузию – они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика, например, флоридзин подавляет транспорт сахаров через биологическую мембрану.

Если транспорт какого либо вещества через биологическую мембрану обладает этими особенностями, можно сделать предположение, что имеет место облегченная диффузия.

Разновидностью облегченной диффузии является транспорт с помощью неподвижных молекул-переносчиков, фиксированных определенным образом поперек мембраны. При этом молекула переносимого вещества передается от одной молекулы переносчика к другой, как по эстафете.

В случае транспорта с переносчиком формула Фика не применима. Особенности этого вида транспорта лучше отображает формула Михаэлиса-Ментен: I = I_max (6),

где I = скорость переноса вещества, I_max – максимальная скорость переноса при насыщении, к – константа, отражающая сродство переносчика к субстрату: чем меньше к, тем быстрее достигается насыщение, DС- разность концентраций переносимого вещества по разные стороны мембраны. При малых разностях концентраций скорость переноса прямо пропорциональна этой разности, а при больших – перестает зависеть от нее, поскольку все молекулы переносчика оказываются занятыми. Так, если желая ускорить действие лекарственного препарата, повышают его дозу, то желаемый эффект не всегда будет достигнут. Из-за насыщения скорость поступления лекарства в клетки может почти не измениться несмотря на значительное повышение концентрации препарата в крови и в межклеточной жидкости.

Облегченная диффузия в клетках осуществляется обычно в условиях «благоприятного градиента». Под этим определением понимают то, что вещества, поступающие в клетку, включаются во внутриклеточные метаболические процессы и их концентрация по обе стороны мембраны в стационарных состояниях поддерживается постоянной в том числе и за счет зависимости скорости переноса от DС.

Транспорт некоторых веществ, в частности ионов, через мембраны клеток осуществляется через ионные каналы. Ионный канал – это интегральный белок или белковый комплекс, встроенный в клеточную мембрану. При прохождении канала, ион испытывает на себе действие электрических полей, создаваемых зарядами, находящимися на внутренней стороне канала. Кроме того канал - молекулярная структура, а значит анализ его работы невозможен без учета его квантово-механической природы. Но на некоторые особенности поведения каналов можно указать, исходя из опытных данных.

Так каналы обладают высокой селективностью (избирательностью). Хорошо известны натриевые, калиевые, кальциевые каналы. Скорее всего это свойство обусловлено структурными особенностями каналов и наличия в них так называемого «селективного фильтра».

Каналы также обладают векторными свойствами, т.е. каналы обеспечивают одностороннюю проводимость ионов.

Каналы могут находиться либо в закрытом (непроводящем), либо в открытом состоянии. Переход из одного состояния в другое определяется, как было указано ранее, вероятностями различных состояний, на которые в свою очередь влияют различные факторы. Этими факторами могут быть механические, химические, температурные, световые и др. Особо важное значение для жизнедеятельности имеют каналы, управляемые изменением электрического потенциала на мембране. Такие каналы называются потенциалзависимыми. При изменении трансмембранного потенциала вероятность нахождения их в открытом состоянии резко изменяется, что влечет за собой изменение проницаемости мембраны.

Существуют вещества, блокирующие каналы. Молекула такого вещества частично входит в канал, но «застревает» в нем и транспорт ионов становится невозможен. Все подобные вещества являются сильными ядами. Например, тетродотоксин, содержащийся в рыбе фугу, в ничтожных дозах подавляет перенос ионов натрия, что несовместимо с жизнью. Блокаторы каналов используются при исследовании систем транспорта: выключая те или иные каналы можно разобраться в их работе.