ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ.

 

1. Пассивный перенос молекул (атомов) через биологические мембраны. Разновидности пассивного переноса.

Важным элементом функционирования биологических мембран является их способность пропускать или не пропускать молекулы (атомы) и ионы. Перенос веществ в клетку и обратно в окружающую среду является сложным процессом и может осуществляться многими способами. В зависимости от того, чем представлен источник энергии для переноса веществ, что является движущей силой перемещения, все виды переноса можно разделить на пассивный и активный перенос (транспорт). Пассивный транспорт веществ осуществляется за счет энергии, сконцентрированной в каком-либо градиенте и не связан с затратой химической энергии, т.е. энергии гидролиза АТФ. Он происходит всегда по направлению градиента, т.е. от более высокого энергетического уровня к более низкому (например, от мест с большей концентрацией С₁ к местам с меньшей - С₂), т.е. может быть обусловлен различными градиентами, существующими в биологических системах.

Наиболее существенными явлениями пассивного переноса для биологических мембран являются: простая диффузия, облегченная диффузия и фильтрация:

а) рассмотрим в качестве примера простой диффузии поток незаряженных частиц через биологическую мембрану толщиной l. Преобразуем уравнение Фика применительно к биологической мембране.

Если концентрация частиц слева от мембраны (наружная) С_Н выше, чем справа (внутренняя) С_В (см.рис.1), то внутри мембраны создаётся градиент концентрации. В уравнении Фика градиент концентрации можно считать постоянной величиной, тогда:

,

где С_МН и С_МВ - концентрация вещества в мембранах у ее границ, определяемые концентрациями С_В и С_Н в водной фазе и коэффициентом распределения K вещества между мембраной и окружающей водной фазой; l - толщина мембраны, . Окончательно получим: ,

где - величина, называемая коэффициентом проницаемости. Это уравнение известно под названием закона Фика для пассивного переноса веществ (диффузия) через мембрану (уравнение для плотности потока при диффузии через мембрану). В живой клетке такая диффузия обеспечивает прохождение кислорода и углекислого газа, а также ряда лекарственных веществ и ядов.

Диффузия может проходить через липидные и белковые поры или каналы, которые образуют в мембране проход (рис.2). Этот вид переноса допускает проникновение через мембрану не только малых молекул, например, молекул воды, но и более крупных ионов. Проницаемость при этом определяется размерами молекул.

Диффузия через поры также описывается диффузным уравнением, однако, наличие пор увеличивает коэффициент проницаемости Р. Каналы могут проявлять селективность или избирательность по отношению к разным ионам, это проявляется в различных проницаемостях для них.

б) Облегченная диффузия происходит при участии молекул-переносчиков. Было обнаружено, что скорость проникновения в клетку глюкозы, глицерина, аминокислот не имеет линейной зависимости от разности концентраций. При определенных концентрациях веществ скорость их проникновения намного больше, чем следует ожидать для простой диффузии. При увеличении разности концентраций скорость возрастает в меньшей степени, чем это следует из уравнения простой диффузии.

В данном случае наблюдается облегченная диффузия. Механизм ее состоит в том, что данное вещество A самостоятельно плохо проникает через мембрану, но скорость диффузии значительно возрастает, если молекулы A образуют комплекс с молекулой X вспомогательного вещества (рис.3), которое, как полагают, растворяется в липидах мембран. На поверхности мембраны молекула A образует с молекулой X комплекс AX, который диффундирует в клетку. У внутренней поверхности молекула A освобождается, а молекула X диффундирует наружу и связывается с новыми молекулами А. Если концентрацию вещества в среде повысить до такой степени, чтобы все молекулы вещества X будут использованы, то скорость диффузии при повышении концентрации вещества А возрастать не будет.

Наиболее известна способность молекулы валиномицина (антибиотик) переносить через модельные бислойные мембраны ионы калия. Молекула антибиотика захватывает ион K⁺, образуя растворимый в липидах комплекс, и проходит через мембрану. За способность переносить ионы через мембрану валиномицин и другие родственные ему соединения получили название ионофоров.

Облегченная диффузия может осуществляется и с помощью фиксированных переносчиков. Переносчики X могут образовывать временную цепочку поперек мембраны (рис.4) или выстилать изнутри пору, а молекула переносимого вещества А способна перемещаться от одного ее звена к другому (в варианте эстафетной передачи). При этом предполагается, что пространство в поре недостаточно велико для прохождения через нее частиц, если только они не способны к специфическому взаимодействию с переносчиками.

Механизм участия вспомогательных веществ в диффузии подтверждается также наличием конкуренции между веществами при их проникновении в клетку, т.е. добавление дополнительного вещества В в среду, способного образовывать комплекс с веществом X, уменьшает поступление в клетку вещества А. В настоящее время природа соединений, облегчающих диффузию, еще не установлена. Полагают, что это подвижные комплексы, растворимые в клеточных мембранах. Этим объясняется проникновение в клетку веществ, не растворимых в липидах и имеющих молекулы большие по размеру, чем диаметр клеточных пор.

в) Фильтрацией называется движение жидкости через поры в мембране под действием градиента гидростатического давления. Скорость переноса воды подчиняется закону Пуазейля, описывающего истечение жидкости из капилляра под давлением:

,

где - объемная скорость переноса воды; r - радиус поры; (Р₁-Р₂) - разность давлений на концах поры. Это явление наблюдается при переносе воды через стенки кровеносных сосудов (капилляров). Явление фильтрации играет важную роль во многих физиологических процессах. Так, например, образование первичной мочи в почечных нефронах происходит в результате фильтрации плазмы крови под действием давления крови. При некоторых патологиях фильтрация усиливается, что приводит к отёкам.

 

2. Перенос ионов через мембрану. Уравнение Нернста-Планка.

На биологической мембране существует разность потенциалов, следовательно, в мембране имеется электрическое поле, которое оказывает влияние на диффузию заряженных частиц - ионов и электронов. Между напряженностью поля и потенциалом существует известное соотношение: . Если заряд q иона равен Z·е, то на него будет действовать сила , а сила, действующая на один моль ионов, будет равна: , где N_A - число Авогадро, F=eN_A - число Фарадея. Скорость направленного движения ионов пропорциональна движущей силе: , где U_m - подвижность ионов, выраженная для моля. Поток ионов, прошедших через площадку S за 1 секунду будет равен объему параллелепипеда () на молярную концентрацию ионов C (Kмоль/м³), а плотность потока: .

В общем случае перенос ионов определяется двумя факторами: градиентом концентрации и действием электрического поля

.

А.Энштейн доказал, что коэффициент диффузии пропорционален температуре D=U_mRT, тогда: . (1)

(1) - уравнение Нернста-Планка.

Учитывая, что потенциал внутри мембраны изменяется линейно в зависимости от координаты x, т.е. - постоянная величина, поэтому вместо в уравнении Нернста-Планка можно записать , где - мембранный потенциал, а l - толщина мембраны.

Отсюда: .

В эту формулу вместо RTU_m подставим коэффициент диффузии ионов в мембране: D=RTU_m и учтем, что выражение - называют безразмерным потенциалом, получим уравнение Нернста-Планка в виде: .

Путем ряда преобразований окончательно выражение для плотности потока ионов можно представить: . (2)

Это уравнение устанавливает количественную связь между разностью концентраций ионов С_В и С_Н, мембранным потенциалом , проницаемостью мембраны для ионов (Р) и плотностью потока (Ф).

Было установлено, что направление потока через мембрану в большой степени зависит от уровня обмена веществ. При нарушении соотношений между процессами ассимиляции и диссимиляции высокомолекулярных соединений, входящих в состав цитоплазмы, направление потока веществ может изменяться на обратное. Так в молодых клетках происходит накопление ионов К⁺ и фосфатов за счет включения последних в нуклиотиды. По мере же старения клеток, например, эритроцитов при хранении консервированной крови, в них происходит распад нуклиотидов. Фосфаты отщепляются и вместе с ионами калия переносятся во внеклеточную жидкость. Подобный выход ионов К⁺ наблюдается при действии ядов на эритроциты, влияющих на обмен веществ. Выход фосфатов характерен для распада раковых клеток. При некоторых функциональных сдвигов, например, при мышечной работе, резко повышается проницаемость, создаются новые концентрационные градиенты таких веществ, как молочная, уксусная, фосфорсодержащая кислоты, что обуславливает их перенос из клеток в окружающую тканевую жидкость. При отмирании клеток возникает необратимое увеличение проницаемости и утрата ее избирательного характера.

 

3. Активный транспорт веществ. Молекулярная организация систем активного транспорта.

Перенос веществ из клетки в окружающую среду и из среды в клетку может осуществляться не только с помощью различных видов пассивного транспорта, вследствие которого градиенты клетки имеют тенденцию к уменьшению. Пассивный перенос всегда стремится выровнять неравномерность в распределении веществ между клеткой и средой.

Экспериментально установлено, что клеточное содержание значительно отличается по своему составу и концентрации от окружающей клетку среды. Неравномерно распределены ионы К⁺ и Na⁺ в клетке и окружающей среде (в эритроцитах, в мышечных, нервных волокнах К⁺ в 30-50 раз больше, чем в плазме крови и лимфе). Ионов N⁺ в цитоплазме клетки в 8-10 раз меньше, а ионов Cl^- в 50 раз меньше, чем во внеклеточной жидкости. Такие различия обусловлены не только диффузией под влиянием различных градиентов, но и другими факторами.

Наряду с пассивным транспортом в мембранах клетки происходит перенос молекул и ионов в сторону большего электрохимического потенциала (молекулы переносятся в область большей их концентрации, а ионы - против силы, действующей на них со стороны электрического поля).

При противограндиентном переносе клетка должна совершать определенную работу и затрачивать на это свободную энергию. Такой перенос веществ называется активным переносом, он совершается с затратой энергии метаболических процессов, поэтому может приводить к аномальным величинам распределения. Подсчитано, что примерно 10% всей энергии, вырабатываемой эритроцитами, идет на поддержание неравномерного распределения катионов. Явление активного переноса к настоящему времени обнаружено у большинства клеток и тканей.

Большинство ученых придерживаются мнения, что в клетках имеются насосы, работающие за счет свободной энергии гидролиза АТФ, осуществляемого особыми ферментами-переносчиками - транспортными АТФ-азами (аденозинтрифосфотаза). Известны три основные системы активного транспорта ионов в живой клетке, обеспечивающие перенос ионов Na⁺ и К⁺; Са⁺ и Н⁺ через биологические мембраны.

Большое количество работ посвящено исследованию активного переноса ионов калия и натрия через клеточные мембраны. Это объясняется их большой ролью в таких важных явлениях, как генерирование биоэлектрических потенциалов и проведение возбуждения. По мнению ряда ученых в мембране существует механизм, названный сопряженным «натрий-калиевым насосом», который обеспечивает наличие двух встречных потоков этих ионов во время физиологического покоя клетки, т.е. в мембранах имеется один общий переносчик ионов калия и натрия. Три иона Na⁺, перенесенные из клетки, отщепляются у ее наружной поверхности и к переносчику присоединяются ионы калия, которые переносятся на внутреннюю поверхность мембраны.

Из всех АТФ-аз, имеющихся в клетке, решающее значение для транспорта ионов К⁺ и Na⁺ имеет АТФ-аза, активизируемая этими же ионами (Na⁺-К⁺-АТФ-аза) и еще ионами магния.

Рассмотрим основные этапы (по Владимирову Ю.А.) сопряженного с гидролизом АТФ переноса ионов К⁺ и Na⁺ через биологические мембраны. Процесс переноса ионов К⁺ и Na⁺ протекает в несколько стадий:

1. Первый этап работы К⁺-Na⁺-АТФ-азы – связывание на внутренней поверхности мембраны субстратов: трех ионов 3Na⁺ и АТФ в комплексе с Mg²⁺. На этом этапе, активизируемом ионами Na⁺, происходит фосфорилирование фермента внутри клетки, а от комплекса [Mg²⁺-АТФ] остается комплекс [Mg²⁺-АДФ]:

Ионы натрия присоединяются к определенному центру связывания на поверхности фермента.

2. Перенос центра связывания на внешнюю поверхность мембраны (транслокация №1). Такой перенос сопровождается изменением пространственной структуры ион-транспортного комплекса:

.

3. Отсоединение у внешней поверхности 3N⁺ и замена их 2К⁺ из внешней среды (ионообмен):

.

4. Дальше происходит отщепление остатка фосфорной кислоты:

.

5. Перенос ионов центра связывания с ионами калия на внутреннюю поверхность мембраны (транслокация №2):

.

6. Отщепление 2К⁺ и присоединение 3Na⁺ и фосфорилирование фермента:

Калий-натриевый насос работает за счет энергии гидролиза АТФ с образованием молекул АДФ и неорганического фосфата:

АТФ=АДФ+Ф_Н.

Работа насоса обратима. Градиент концентраций ионов способствует синтезу молекул АТФ из молекул АДФ и фосфата Ф_Н:

АДФ+Ф_Н=АТФ.

Экспериментально было доказано, что для ряда тканей при израсходавании одного моля АТФ переносится 3-4 грамм-эквивалента ионов натрия.

До настоящего времени не удалось выяснить один из важнейших вопросов при работе калий-натриевого насоса: чем объяснить, что на внутренней поверхности мембраны переносчик обладает сродством к натрию, а на внешней – к калию.

Перенос 2К⁺ внутрь клетки и выброс 3Na⁺ наружу приводит, в итоге, к переносу одного положительного заряда из цитоплазмы в окружающую среду.

Это способствует появлению мембранного потенциала (со знаком «минус» внутри клетки). Таким образом, Na⁺-K⁺ - насос является электрогенным.

Величина работы, которую необходимо совершить для переноса ионов при функционировании переносчика зависит как от градиентов концентрации К⁺ и Na⁺, так и от мембранного потенциала :

,

где Z=1, так как в цикле работы Na⁺-К⁺-АТФ-азы переносится один положительный заряд в область более высокой концентрации; [K⁺]_В и [Na⁺]_В – концентрация ионов во внутренней среде; [K⁺]_Н и [Na⁺]_Н – концентрация ионов снаружи; F – число Фарадея; Т – абсолютная температура клетки; R – универсальная газовая постоянная.

Как показывают расчеты, в нервном волокне кальмаре эта энергия составляет 41,2 кДж/моль. Примерно такую же работу совершает в каждом цикле Na⁺-K⁺-АТФ-азы в сарколемме (цитомембране) мышечных клеток и в эритроцитах.

До настоящего времени не было обнаружено явлений активного переноса анионов, в связи с чем считают, что их распределение между клеткой и средой происходит пассивно.

Следует отметить, что кроме активного переноса ионов существует активный перенос органических веществ в частности сахаров, аминокислот, нуклиотидов, изученный еще не достаточно. Установлено, что перенос аминокислот и сахаров в тонком кишечнике, в проксимальном канальце нефронов почки сопряжен с транспортом ионов Na⁺ и это сопряжение осуществляется непосредственно на переносчике. Как и при активном транспорте ионов, при активном транспорте органических веществ перенос осуществляется против градиентов концентрации и требует затраты энергии метаболических процессов клетки. В результате активного транспорта органических веществ наблюдается их неравномерное распределение между цитоплазмой и внешней средой.

Ряд ученых предполагают, что в переносе ионов калия и натрия участвуют и липиды. Это заключение сделано на основании того, что при переносе ионов Na⁺ и К⁺ происходит их химическое изменение. Превращение фосфолипидов в мембранах играет роль пускового механизма в процессе переноса Na⁺ через мембрану.

ЛЕКЦИЯ №19