проста дифузія
Життєдіяльність клітини залежить від безперервного проникнення всередину клітини і виходу з неї різноманітних речовин. Надходять в клітку для задоволення потреб, пов'язаних з ростом і виробництвом енергії цукру, амінокислоти та інші поживні речовини, а видаляються продукти обміну. Крім того, іонний склад цитоплазми дуже відрізняється від іонного складу позаклітинного середовища і для підтримки такого відмінності необхідний постійний трансмембранний перенос іонів. Розрізняють пасивний (тобто не енергозалежний) і активний транспорт. Пасивний транспорт речовини або іонів відбувається тільки в сторону їх меншою концентрації (дифузія) і здійснюється шляхом простої дифузії через ліпідний бішар, дифузії через мембранні канали і полегшеної дифузії.
Проста дифузія через ліпідний бішар або канали в мембрані і полегшена дифузія - це пасивні процеси, в яких використовується тільки потенційна енергія, запасені в формі різниці концентрацій речовини на протилежних сторонах мембрани. В ході дифузії концентрація речовини в двох компартментах прагне до рівноважного значення, і після досягнення рівноваги сумарний дифузійний потік стає рівним нулю, хоча рівні за величиною і протилежні по напрямку потоки як і раніше існують.
У разі простої дифузії через ліпідний бішар молекула розчиненої речовини, може зануритися в ліпідну фазу в силу теплового руху і перетнути мембрану, опинившись за її іншу сторону. При цьому, відповідно до законів дифузії, рухливість нейтральних молекул (неелектролітів) всередині мембрани знижується при збільшенні розміру їх молекул і збільшенні в'язкості мембрани. Щоб перейти з водної фази в ліпідну, розчинена у воді молекула повинна спочатку розірвати всі водневі зв'язку з водою. На це потрібно затратити енергії близько 5 ккал на моль водневих зв'язків. Далі молекула повинна розчинитися в ліпідному Біслі. Кількісним параметром, що визначає швидкість дифузії неелектроліту через ліпідний бішар (отже і транспорт в клітину), є коефіцієнт розподілу між ліпідної і водної фазами (К), що дорівнює відношенню концентрації даної речовини в ліпідної фазі (наприклад, оливковій олії) до його концентрації в воді. Величина До визначається експериментально для кожного конкретного речовини. Спектр коефіцієнтів розподілу для неелектролітів досить широкий і розрізняється на кілька порядків. Наприклад, для трехатомного спирту гліцерину цей коефіцієнт в 1000 разів менше, ніж для уретану. Погана жиророзчинні гліцерину, обумовлена наявністю в його молекулі трьох гідроксильних груп, що утворюють водневі зв'язки з водою, а освіту однієї водневої зв'язку призводить до зменшення величини коефіцієнта розподілу приблизно в 40 разів.
Проста дифузія через ліпідний бішар характеризується кінетикою без насичення тобто швидкість перенесення речовини монотонно збільшується при збільшенні його концентрації в позаклітинній рідині. Ця пропорційність між концентрацією і швидкістю проникнення речовини в клітину, що зберігається у всьому діапазоні практично можливих концентрацій відрізняє просту дифузію від полегшеної дифузії.
Полегшена дифузія. При транспорті деяких речовин в клітку спостерігається динаміка з насиченням. тобто крутизна графіка залежності швидкості надходження речовини в клітину від його позаклітинної концентрації весь час знижується, а при досягненні певної концентрації виходить на плато, і подальше збільшення концентрації не приводить до зростання надходження речовини в клітину. Цей ефект обумовлений тим, що транспорт такого речовини (як правило гідрофільного, або іона) за градієнтом концентрації через мембрану утруднений і здійснюється тільки після з'єднання з молекулою спеціального переносника. Швидкість такої полегшеної дифузії досягає максимуму, коли всі молекули переносника зайняті стерпним речовиною. Концентрація переноситься речовини, при якій швидкість його транспорту через мембрану становить половину максимальної, характеризує специфічність молекули переносника по відношенню до переносимого речовини і називається константою зв'язування (Кс). Чим менше значення Кс. тим вище спорідненість молекули переносника і молекули переноситься речовини. Наприклад, Кс глюкози з переносником на мембрані еритроцитів дорівнює 6,2 мМ. У той же час, константа зв'язування цього переносника з фруктозою, іншим моносахаридом, близьким за структурою до глюкози, характеризується константою зв'язування 2 М. Тому, при концентрації в крові 5,5 мМ, глюкоза ефективно транспортується в еритроцити, тоді як фруктоза в клітини за допомогою даного переносника практично не проникає.
Транспорт речовини в клітину за допомогою молекул-переносників включає наступні етапи:
· Розпізнавання - специфічне зв'язування переносника з молекулою стерпного в клітку речовини і утворення комплексу переносника і транспортується молекули;
· Транслокация - переміщення утворився комплексу від зовнішнього боку мембрани до внутрішньої;
· Вивільнення молекули переноситься речовини з комплексу з молекулою переносником в цитозоль;
· Відновлення - переносник повертається на зовнішню сторону мембрани.
Переносники це білкові молекули, які на відміну від інших білків - ферментів не здатні каталізувати протікання біохімічних реакцій. Тим не менше переносники і ферменти мають ряд загальних властивостей:
· Здатність специфічно зв'язувати певні речовини і ця здатність кількісно характеризується константою зв'язування;
· Їх функції можуть інгібувати специфічними інгібіторами.
Транспорт, при якому переносник в результаті одного транспортного циклу переносить через мембрану одну молекулу речовини отримав назву уніпорт. Прикладом такого транспорту є перенесення глюкози в еритроцити. Якщо переносник переносить через мембрану одночасно дві молекули має місце симпорт. При симпорта через мембрану одночасно можуть переміщатися як дві однакові молекули, так і молекули двох різних речовин. Транспорт глюкози і амінокислот в клітини епітелію кишечника залежить від іонів натрію. При цьому константа зв'язування глюкози знижується до 3 мМ. Нарешті транспорт називається антіпорт якщо при русі переносника від зовнішньої сторони мембрани до внутрішньої переноситься молекула одного речовини, а при русі в протилежному напрямку переноситься молекула іншої речовини.
Дифузія через мембранні канали. Ещеодін механізм, що забезпечує можливість гідрофільних молекул і неорганічним іонів Na +, K +, Cl- проходити через ліпідний бішар, полягає в їх трансмембранної дифузії за спеціальними заповненим водою каналах. Мембранні канали перебувають всередині так званих каналоутворюючих білків, які пронизують наскрізь клітинну мембрану. Про існування таких каналів свідчать результати дослідження штучних ліпідних біслойних мембран. Ці мембрани мають дуже низьку проникність для неорганічних іонів і води, однак, при додаванні до них невеликої кількості каналоутворюючих білків, екстрагованих з клітинних мембран, спостерігається істотне збільшення іонної проникності. Вона стає близькою до проникності природних клітинних мембран. Діаметр таких каналів становить не більше 0,7-1,0 нм. Для забезпечення необхідної кількості іонів в клітину, досить, щоб на частку водних каналів доводилося лише дуже мала частина площі мембрани.
Деякі речовини (іонофори) самі здатні створювати канали в ліпідному Біслі. До іонофори відноситься антибіотик ністатин, його молекули утворюють канали в мембранах. Через ці канали можуть проходити нейтральні молекули і аніони, чий діаметр не перевищує 0,4 нм: вода, сечовина, іони хлору. Катіони проходити через ці канали не можуть - перш за все, тому, що вздовж стінок каналу знаходяться фіксовані позитивні заряди. Показано, що включення нистатина в штучні мембрани, що приводить до збільшення їх площі всього на 0,001 - 0,01%, призводить до 100000-кратного збільшення мембранної проникності для іонів хлору. Ионофорного антибіотики граміцидин і валиномицин стимулюють надходження в через мембрани іонів К +. Ці антибіотики мають форму «бублика». Транспортується іон розташовується в дірці бублика, від розмірів якої залежить здатність зв'язувати іони певних лужних металів. Наприклад, для валиномицина характерна дуже висока вибірковість для К + в порівнянні з Na + (в 10000 раз).
Довгий час вважали, що проникність мембран для води обумовлена простий дифузією її молекул через ліпідний бішар. Однак, було виявлено, що сполуки ртуті інгібують цей транспорт, інактівіруя якісь білки. Деяка проникність для води можлива і через бішар, але вона в 10-100 разів менше і вимагає високої енергії активації. В даний час встановлено, що швидкий транспорт води через біологічні мембрани забезпечують мембранні канали - спеціальні білки аквапоріни. Ці білки виявлені у всіх живих організмів, хоча відкриті були всього 10 років тому. Аквапоріни надзвичайно селективні для води, не пропускають навіть іон гідроксонію Н3 Про + (вони абсолютно непроникні для заряджених частинок). Виявлено особливі класи аквапорінов, що переносять в клітку гліцерин (аквагліцеропоріни) і сечовину. Фізіологічна роль аквапорінов особливо наочна в нирках, де, завдяки їм, в збірних трубках нефронів щодня реабсорбируется близько 200 л води. Аквапоріни знижують енергію активації трансмембранного переходу Н2 О з 14 до 4 ккал / М.
Активний транспорт. У живих клітинах одні з розчинених речовин і іонів знаходяться в концентрації значно більшою, ніж у навколишньому середовищі, тоді як внутрішньоклітинна концентрація інших речовини і іони, навпаки, менше позаклітинної. Ця нерівновага трансмембранная різниця концентрацій підтримується завдяки активним процесам, які постійно споживають хімічну енергію, накопичену в молекулах органічних фосфагенов, головним чином АТФ. Системи, за допомогою яких здійснюється активний транспорт речовин проти їх концентраційного градієнта, узагальнено називають мембранними насосами. Відомі протонна помпа, кальцієвий і натрієвий насоси, які підтримують неравновесное розподіл іонів Н +. Na +. K +. Ca 2+ на клітинних мембранах. Якщо за допомогою певних речовин (інгібіторів) вимкнути такий насос, то активний транспорт припиниться, розподіл речовини, для якого мембрана проникна, почне визначатися пасивної дифузією і концентрація речовини по обидва боки плазматичноїмембрани поступово зміститься до рівноважного стану.
Активний транспорт має такі основні особливості.
1. Транспорт здійснюється проти концентраційного градієнта. Наприклад, натрієвий насос, що перекачує іон Na + з клітини в позаклітинне середовище, забезпечує співвідношення концентрацій Na + в клітині і в позаклітинній рідині 1 до 15.
2. Для активного транспорту необхідна АТФ або інші джерела хімічної енергії, гідроліз які здійснюється АТФаза присутніми в мембрані. Метаболічні отрути, що пригнічують синтез АТФ, уповільнюють і активний транспорт.
3. Більшість мембранних насосів надзвичайно специфічні. Натрієвий насос, наприклад, не здатний переносити іон літію, хоча за своїми властивостями останній дуже близький до натрію.
4. Деякі мембранні насоси відкачують з клітки одну різновид молекул або іонів і закачують в протилежному напрямку іншу. Це властивість можна проілюструвати на прикладі натрієвого насоса. Його робочий цикл включає в себе обов'язковий обмін двох іонів калію, що надходять в клітину з позаклітинного середовища на три іона натрію переносяться в зворотному напрямку. Якщо видалити з позаклітинного простору іони калію, то і іони натрію НЕ будуть виводитися з клітини. Протонний насос забезпечує секрецію соляної кислоти в шлунку, виконує Н +. До + -АТФаза
5. Активний транспорт може вибірково придушуватися блокуючими агентами. Серцевий глікозид уабаин, введений в позаклітинне середовище, блокує калій-натрієвий насос, перешкоджаючи зв'язування іонів калію з відповідною ділянкою іонного насоса.
6. Деякі мембранні насоси виконують електричну роботу, здійснюючи сумарний перенесення заряду. Наприклад, натрієвий насос, що виробляє обмін трьох іонів натрію на два іона калію, здійснює сумарне виведення одного позитивного заряду.
Ендоцитоз. Транспорт в клітини білків, полісахаридів та інших макромолекул здійснюється шляхом ендоцитозу. який буде розглянуто в лекції 6.
Два явища осмос і мембранний потенціал. що виникають внаслідок поділу розчинів вибірково (селективно) проникними мембранами, грають важливу фізіологічну роль в рослинних і тваринних організмах.