Физикохимия проницаемости биологических мембран
порта растворимых в воде веществ через
мембрану. Перенос малых водорастворимых молекул осуществляется при
помощи специальных транспортных белков. Это особые трансмембранные белки,
каждый из которых отвечает за транспорт определенных молекул или групп
родственных молекул.
В клетках существуют также механизмы переноса через мембрану
макромолекул (белков) и даже крупных частиц. Процесс поглощения
макромолекул клеткой называется эндоцитозом. В общих чертах механизм его
протекания таков: локальные участки плазматической мембраны впячиваются и
замыкаются, образуя эндоцитозный пузырек, затем поглощенная частица обычно
попадает в лизосомы и подвергается деградации.
|Пассивный транспорт |
|Простая диффузия | |Облегченная диффузия | |Фильтрация |
|Осмос | |Через липидный бислой | |С подвижным переносчиком |
|Через | |Через поры в | |С фиксированным |
|белковую | |липидном бислое | |переносчиком |
|пору | | | | |
Пассивный транспорт – это перенос веществ из мест с большим значением
электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением.
При опытах с искусственными липидными бислоями было установлено, что
чем меньше молекула и чем меньше она образует водородных связей, тем
быстрее она дифундирует через мембрану. Итак, чем меньше молекула и чем
более она жирорастворима (гидрофобна или неполярна), тем быстрее она будет
проникать через мембрану. Диффузия веществ через липидный бислой вызывается
градиентом концентрации в мембране. Через липидные и белковые поры сквозь
мембрану проникают молекулы нерастворимых в липидах веществ и
водорастворимые гидратированные ионы (окруженные молекулами воды). Малые
неполярные молекулы легко растворимы и быстро диффундируют. Незаряженные
полярные молекулы при небольших размерах также растворимы и диффундируют.
Важно, что вода очень быстро проникает через липидный бислой несмотря
на то, что она относительно нерастворима в жирах. Это происходит из-за
того, что ее молекула мала и электрически нейтральна.
Осмос – преимущественное движение молекул воды через полупроницаемые
мембраны (непроницаемые для растворенного вещества и проницаемые для воды)
из мест с меньшей концентрацией растворенного вещества в места с большей
концентрацией. Осмос – по сути дела, простая диффузия воды из мест с ее
большей концентрацией, в места с меньшей концентрацией воды. Осмос играет
большую роль во многих биологических явлениях. Явление осмоса обусловливает
гемолиз эритроцитов в гипотонических растворах.
Итак, мембраны могут пропускать воду и неполярные молекулы за счет
простой диффузии.
2.2. Но клетке необходимо обеспечить транспортировку таких веществ
как сахара, аминокислоты, нуклеотиды, а также многих других полярных
молекул. Как уже говорилось, за перенос подобных веществ ответственны
специальные мембранные транспортные белки. Такой вид пассивного транспорта
называется облегченной диффузией. Каждый из них предназначен для
определенного класса молекул а иногда и для определенной разновидности
молекул. Первые доказательства спецефичности транспортных белков были
получены, когда обнаружилось, что мутации в одном гене у бактерий
приводят к потере способности транспортировать определенные сахара через
плазматическую мембрану. У человека есть болезнь цистинурия, при которой
отсутствует способность транспортировать некоторые аминокислоты, в
частности цистин, из мочи или кишечника в кровь, - в результате в почках
образуются цистиновые камни. Все изученные транспортные белки являются
трансмембранными белками, полипептидная цепь которых пересекает липидный
бислой несколько раз. Все они обеспечивают перенос молекул через мембрану,
формируя в ней сквозные проходы. Если молекула не заряжена, то направление
ее диффузии определяется разностью концентраций по обеим сторонам
мембраны или градиентом концентрации. В то же время на направление
движения заряженной молекулы будет влиять еще и разность потенциалов на
сторонах мемраны или мембранный потенциал (обычно внутренняя сторона
мембраны заряжена отрицательно относительно наружной). Учитывая
концентрационный и электрический градиенты, многие белки-переносчики
позволяют растворенным веществам проходить через мембраны только пассивно,
то есть, в направлении электрохимического градиента.
2.3. Рассмотрим подробнее работу белка переносчика, обеспечивающего
пассивный транспорт веществ через клеточную мембрану. Процесс, с помощью
которого белки-переносчики связывают и транспортируют растворенные
молекулы, напоминает ферментативную реакцию. В белках-переносчиках всех
типов имеются участки связывания для транспортируемой молекулы. Когда
белок насыщен, скорость транспортировки максимальна. Связывание может
быть блокируемо как конкурентными ингибиторами, (конкурирующими за тот
же участок связывания), так и не конкурентными ингибиторами,
связывающимися в другом месте и влияющими на структуру переносчика.
Молекулярный механизм работы белков переносчиков пока не известен.
Предполагается, что они переносят молекулы, претерпевая обратимые
конформационные изменения, которые позволяют их участкам связывания
располагаться попеременно то на одной, то на другой стороне мембраны. На
данной схеме представлена модель, показывающая, как конформационные
изменения в белке могли бы обеспечить облегченную диффузию растворенного
вещества. Белок переносчик может состоять в двух конформационных
состояниях "пинг" и "понг". Переход между ними осуществляется случайным
образом и полностью обратим. Однако, вероятность связывания молекулы
транспортируемого вещества с белком гораздо выше в состоянии "пинг".
Поэтому молекул, перемещенных в клетку, будет гораздо больше чем тех,
которые ее покинут. Происходит транспорт вещества по электрохимическому
градиенту.
Некоторые транспортные белки просто переносят какое-либо растворенное
вещество с одной стороны мембраны на другую. Такой перенос называется
унипортом. Другие белки являются контранспортными системами. В них
устанавливаются следующие закономерности:
а) перенос одного вещества зависит от одновременного
(последовательного) переноса другого вещества в том же направлении
(симпорт).
б) перенос одного вещества зависит от одновременного
(последовательного) переноса другого вещества в противоположном
направлении (антипорт).
Например, большинство животных клеток поглощает глюкозу из
внеклеточной жидкости, где ее концентрация высока путем пассивного
транспорта осуществляемого белком, который работает как унипорт. В то же
время, клетки кишечника и почек поглощают ее из люменального пространства
кишечника и из почечных канальцев, где ее концентрация очень мала, с
помощью симпорта глюкозы и ионов Na.
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.
Примером белков-переносчиков может служить валиномицин – переносчик
ионов калия. Молекула валиномицина имеет форму манжетки, устланной внутри
полярными группами, а снаружи – неполярными.
В силу особенности своего химического строения валиномицин способен
образовывать комплекс с ионами калия, попадающими внутрь молекулы –
манжетки, и с другой стороны, 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. Таким образом и происходит перенос иона калия через мембрану
валиномицином.
Отличия облегченной диффузии от простой:
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.
2.4. Фильтрацией называется движение раствора через поры в мембране под
действием градиента давления. Она играет важную роль в процессах переноса
воды через стенки кровеносных сосудов.
Итак, мы рассмотрели основные виды пассивного транспорта молекул через
биологические мембраны.
2.5. Ча
| |  скачать работу |
Физикохимия проницаемости биологических мембран |
