Пасивний транспорт - транспорт речовин за градієнтом концентрації, що не вимагає витрат енергії. Пасивно відбувається транспорт гідрофобних речовин крізь ліпідний бішар. Пасивно пропускають через себе речовини всі білки-канали та деякі переносники. Пасивний транспорт за участю мембранних білків називають полегшеною дифузією.
Інші білки-переносники (їх іноді називають білки-насоси) переносять через мембрану речовини із витратами енергії, яка зазвичай постачається при гідролізі АТФ. Цей вид транспорту здійснюється проти градієнта концентрації речовини, що переноситься, і називається активним транспортом.
Сімпорт, антипорт та уніпорт
Мембранний транспорт речовин відрізняється також за напрямом їх переміщення і кількістю переносимих речовин, що переносяться даним переносником речовин:
1) Уніпорт – транспорт однієї речовини в одному напрямку залежно від градієнта
2) Сімпорт – транспорт двох речовин в одному напрямку через один переносник.
3) Антипорт – переміщення двох речовин у різних напрямках через один переносник.
Уніпортздійснює, наприклад, потенціал-залежний натрієвий канал, через який клітину під час генерації потенціалу дії переміщуються іони натрію.
Сімпортздійснює переносник глюкози, розташований на зовнішній (наверненій у просвіт кишечника) боці клітин кишкового епітелію. Цей білок захоплює одночасно молекулу глюкози та іон натрію і, змінюючи конформацію, переносить обидві речовини всередину клітини. При цьому використовується енергія електрохімічного градієнта, який, у свою чергу, створюється за рахунок гідролізу АТФ натрій-калієвої АТФ-азою.
Антипортздійснює, наприклад, натрій-калієва АТФаза (або натрій-залежна АТФаза). Вона переносить у клітину іони калію. а з клітини – іони натрію.
Робота натрій-калієвої атФази як приклад антипорту та активного транспорту
Спочатку цей переносник приєднує з внутрішньої сторони мембрани три іони. Na+. Ці іони змінюють конформацію активного центру АТФази. Після такої активації АТФаза здатна гідролізувати одну молекулу АТФ, причому фосфат-іон фіксується на поверхні переносника з внутрішньої сторони мембрани.
Енергія, що виділилася, витрачається на зміну конформації АТФази, після чого три іони Na+ та іон (фосфат) виявляються на зовнішній стороні мембрани. Тут іони Na+ відщеплюються, а заміщається на два іони K+. Потім конформація переносника змінюється на початкову, та іони K+ виявляються на внутрішній стороні мембрани. Тут іони K+ відщеплюються, і переносник знову готовий до роботи.
Коротше дії АТФази можна описати так:
1) Вона зсередини клітини "забирає" три іони Na+ потім розщеплює молекулу АТФ і приєднує до себе фосфат
2) "Викидає" іони Na+ і приєднує два іони K+ З зовнішнього середовища.
3) Від'єднує фосфат, два іони K+ викидає всередину клітини
У результаті позаклітинному середовищі створюється висока концентрація іонів Na+ , а всередині клітини – висока концентрація K+. Робота Na + , K+ - АТФаза створює як різниця концентрацій, а й різниця зарядів (вона працює як электрогенный насос). На зовнішній стороні мембрани створюється позитивний заряд, на внутрішній – негативний.
Вступ
Мембранний транспорт - транспорт речовин крізь клітинну мембрану в клітину або з клітини, що здійснюється за допомогою різних механізмів - простої дифузії, полегшеної дифузії та активного транспорту.
Найважливіша властивість біологічної мембрани полягає в її здатності пропускати в клітину та з неї різні речовини. Це має велике значення для саморегуляції та підтримки постійного складу клітини. Така функція клітинної мембрани виконується завдяки вибірковій проникності, тобто здатністю пропускати одні речовини та не пропускати інші.
Пасивний транспорт
Розрізняють пасивний та активний транспорт. Пасивний транспорт відбувається без витрат енергії за електрохімічним градієнтом. До пасивного відносяться дифузія (проста та полегшена), осмос, фільтрація. Активний транспорт вимагає енергії і відбувається всупереч концентраційному або електричному градієнту.
Види пасивного транспорту
Види пасивного транспорту речовин:
- · Проста дифузія
- · Осмос
- · Дифузія іонів
- · Полегшена дифузія
Проста дифузія
Дифузія є процесом, за допомогою якого газ або розчинені речовини поширюються і заповнюють весь доступний обсяг.
Молекули та іони, розчинені в рідині, знаходяться в хаотичному русі, стикаючись один з одним, молекулами розчинника та клітинною мембраною. Зіткнення молекули або іона з мембраною може мати подвійний результат: молекула або відскочить від мембрани, або пройде через неї. Коли ймовірність останньої події висока, то кажуть, що мембрана є проникною для даної речовини.
Якщо концентрація речовини по обидві сторони мембрани різна, виникає потік частинок, спрямований більш концентрованого розчину в розведений. Дифузія відбувається до того часу, поки концентрація речовини з обох боків мембрани не вирівнюється. Через клітинну мембрану проходять як добре розчинні у воді (гідрофільні) речовини, так і гідрофобні, погано або зовсім у ній нерозчинні.
Гідрофобні, добре розчинні у жирах речовини, дифундують завдяки розчиненню в ліпідах мембрани. Вода і речовини добре розчинні в ній проникають через тимчасові дефекти вуглеводневої області мембрани, т.зв. кінки, а також черезпори, постійно існуючі гідрофільні ділянки мембрани.
У разі коли клітинна мембрана непроникна або погано проникна для розчиненої речовини, але проникна для води, вона піддається дії осмотичних сил. При нижчій концентрації речовини у клітині, ніж у навколишньому середовищі, клітина стискається; якщо концентрація розчиненої речовини у клітині вище, вода спрямовується всередину клітини.
Осмос - рух молекул води (розчинника) через мембрану з меншої області в область більшої концентрації розчиненої речовини. Осмотичним тиском називається той найменший тиск, який необхідно прикласти до розчину для того, щоб запобігти перетіканню розчинника через мембрану в розчин з більшою концентрацією речовини.
Молекули розчинника, як і молекули будь-якої іншої речовини, рухаються силою, що виникає внаслідок різниці хімічних потенціалів. Коли якась речовина розчиняється, хімічний потенціал розчинника зменшується. Тому в області, де концентрація розчиненої речовини вища, хімічний потенціал розчинника є нижчим. Таким чином, молекули розчинника, переміщаючись з розчину з меншою до розчину з більшою концентрацією, рухаються в термодинамічному сенсі «вниз», «за градієнтом».
Об'єм клітин значною мірою регулюється кількістю води, що міститься в них. Клітина ніколи не перебуває в стані повної рівноваги з навколишнім середовищем. Безперервний рух молекул та іонів через плазматичну мембрану змінює концентрацію речовин у клітині та, відповідно, осмотичний тиск її вмісту. Якщо клітина секретує будь-яку речовину, то підтримки незмінної величини осмотичного тиску вона повинна або виділяти відповідну кількість води, або поглинати еквівалентну кількість іншої речовини. Оскільки середовище, що оточує більшість клітин гіпотонічна, для клітин важливо запобігти надходженню в них великих кількостей води. Підтримка ж сталості обсягу навіть в ізотонічному середовищі вимагає витрати енергії, тому в клітині концентрація речовин нездатних до дифузії (білків, нуклеїнових кислот тощо) вище, ніж у навколоклітинному середовищі. Крім того, у клітині постійно накопичуються метаболіти, що порушує осмотичну рівновагу. Необхідність витрати енергії для підтримки сталості об'єму легко доводиться в експериментах із охолодженням або інгібіторами метаболізму. У таких умовах клітини швидко набухають.
Для вирішення «осмотичної проблеми» клітини використовують два способи: вони відкачують в інтерстиції компоненти свого вмісту або воду, що надходить в них. Найчастіше клітини використовують першу можливість - відкачування речовин, чаші іонів, використовуючи при цьому натрієвий насос (див.нижче).
У цілому нині обсяг клітин, які мають жорстких стінок, визначається трьома чинниками:
- а) кількістю містяться в них та нездатних до проникнення через мембрану речовин;
- б) концентрацією в інтерстиції сполук, здатних проходити через мембрану;
- в) співвідношенням швидкостей проникнення та відкачування речовин із клітини.
Велику роль у регуляції водного балансу між клітиною та навколишнім середовищем відіграє еластичність плазматичної мембрани, що створює гідростатичний тиск, що перешкоджає надходженню води в клітину. За наявності різниці гідростатичних тисків у двох областях середовища вода може фільтруватися через пори бар'єру, що розділяє ці ділянки.
Явлення фільтрації лежать в основі багатьох фізіологічних процесів, таких, наприклад, як утворення первинної сечі в нефроні, обмін води між кров'ю та тканинною рідиною у капілярах.
Дифузія іонів
Дифузія іонів відбувається в основному через спеціалізовані білкові структури мембрани - іонні канали, коли вони знаходяться у відкритому стані. Залежно від виду тканини клітини може мати різний набір іонних каналів. Розрізняють натрієві, калієві, кальцієві, натрій-кальцієві та хлорні канали. Перенесення іонів по каналах має ряд особливостей, що відрізняють його від простої дифузії. Найбільшою мірою це стосується кальцієвих каналів.
Іонні канали можуть перебувати у відкритому, закритому та інактивованому станах. Перехід каналу з одного стану до іншого керується або зміною електричної різниці потенціалів на мембрані, або взаємодією фізіологічно активних речовин з рецепторами. Відповідно, іонні канали поділяють на потенціал-залежні та рецептор-керовані. Виборча проникність іонного каналу для конкретного іона визначається наявністю спеціальних селективних фільтрів у гирлі.
Полегшена дифузія
Через біологічні мембрани крім води та іонів шляхом простої дифузії проникають багато речовин (від етанолу до складних лікарських препаратів). У той же час навіть погано невеликі полярні молекули, наприклад, гліколі, моносахариди та амінокислоти практично не проникають через мембрану більшості клітин за рахунок простої дифузії. Їх перенесення здійснюється шляхом полегшеної дифузії. Полегшеною називається дифузія речовини за градієнтом його концентрації, що здійснюється за участю особливих білкових молекул-переносників.
Транспорт Na+, K+, Сl-, Li+, Ca2+, НСО3- та Н+ можуть також здійснювати специфічні переносники. Характерними рисами цього виду мембранного транспорту є висока порівняно з простою дифузією швидкість перенесення речовини, залежність від будови його молекул, насичуваність, конкуренція та чутливість до специфічних інгібіторів - сполук, що пригнічують полегшену дифузію.
Усі перелічені риси полегшеної дифузії є результатом специфічності білків-переносників та обмеженою їх кількістю у мембрані. При досягненні певної концентрації речовини, що переноситься, коли всі переносники зайняті транспортованими молекулами або іонами, подальше її збільшення не призведе до зростання числа частинок, що переносяться - явище насичення. Речовини, подібні за будовою молекул і транспортовані тим самим переносником, конкуруватимуть за переносник - явище конкуренції.
Розрізняють кілька видів транспорту речовин за допомогою полегшеної дифузії
Уніпорт, коли молекули чи іони переносяться через мебрану незалежно від наявності чи перенесення інших сполук (транспорт глюкози, амінокислот через базальну мембрану епітеліоцитів);
Симпорт, при якому їх перенесення здійснюється одночасно та односпрямовано з іншими сполуками (натрій-залежний транспорт Сахарів та амінокислот Na+ K+, 2Cl- та котран-спорт);
Антипорт - (транспорт речовини обумовлений одночасним і протилежно спрямованим транспортом іншої сполуки або іону (Na+/Ca2+, Na+/H+ Сl-/НСО3- - обміни).
Симпорт і антипорт - це види котранспорту, у яких швидкість переносу контролюється усіма учасниками транспортного процесу.
Природа білків-переносників невідома. За принципом дії вони поділяються на два типи. Переносники першого типу здійснюють човникові рухи через мембрану, а другого - вбудовуються в мембрану, утворюючи канал. Промоделювати їхню дію можна за допомогою антибіотиків-іонофорів, переносником лужних металів. Так, один з них (валіноміцин) діє як істинний переносник, що переправляє калій через мембрану. Молекули ж граміцидину А, іншого іонофору, встоюються в мембрану один за одним, формуючи канал для іонів натрію.
Більшість клітин мають систему полегшеної дифузії. Однак перелік метаболітів, які переносяться за допомогою такого механізму, досить обмежений. В основному це цукру, амінокислоти та деякі іони. Сполуки, що є проміжними продуктами обміну (фосфорильовані цукри, продукти метаболізму амінокислот, макроерги), не транспортуються за допомогою цієї системи. Таким чином, полегшена дифузія служить для перенесення молекул, які клітина отримує з навколишнього середовища. Винятком є транспорт органічних молекул через епітелій, який буде розглянуто окремо.
Мембранний транспортокремий випадок явища перенесення речовин через біологічну мембрану.
До явищ перенесення відносять:
ü перенесення маси речовини (дифузія);
ü перенесення імпульсу (в'язкість);
ü перенесення енергії (теплопровідність);
ü перенесення заряду (електропровідність).
Види мембранного транспорту:
Пасивний -перенесення молекул та іонів за градієнтом хімічного (або електрохімічного потенціалу або перенесення молекул з місць з більшою концентрацією речовини в місця з меншою концентрацією речовини. Це мимовільний процес (ΔG<0 - энергия Гиббса уменьшается).
Щільність потоку речовини через мембрану визначається рівнянням Теорелла:
ü J - моль/(м 2 ·с)
ü - градієнт хімічного або електрохімічного потенціалу (означає зміну хімічного або електрохімічного потенціалу при перенесенні речовини через мембрану завтовшки x)
ü U – коефіцієнт рухливості молекул.
ü С – концентрація речовини.
Пасивний транспорт неелектролітів (наприклад глюкози) при звичайній дифузії визначається рівнянням Фіка,яке виводиться на підставі підстановки та диференціювання виразу для хімічного потенціалу речовин - у рівняння Теорелла
ü - градієнт концентрації речовини (є рушійною силою перенесення речовини)
ü RTU = D – коефіцієнт дифузії – м 2 /с.
ü R - Універсальна газова постійна.
знак "-" показує, що сумарна щільність потоку речовини спрямована у бік зменшення концентрації речовини.
Пасивний транспорт електролітів (іонів К + , Na + , Са 2+ , Мg 2+ і т.д) при звичайній дифузії визначається рівнянням Нернста-Планка,яке виводиться на підставі підстановки та диференціювання виразу для електрохімічного потенціалу речовин - у рівняння Теорелла:
ü Z – заряд іона;
ü F =96500 Кл/моль - число Фарадея.
ü φ - електричний потенціал - (вольт);
ü – градієнт електричного потенціалу;
і є рушійними силами транспорту електролітів при пасивному транспорті.
Види дифузії:
ü звичайна (перенесення молекул газів Про 2 , СО 2, молекул Н 2 Про і т.д)
ü полегшена - здійснюється за градієнтом хімічного (електрохімічного) потенціалу за участю білка-переносника.
Властивості полегшеної дифузії:
ü Наявність ефекту насичення (кількість білків-переносників у мембрані фіксована);
ü Вибірковість (для кожної речовини свій білок-переносник);
ü Чутливість до інгібіторів;
Наявність переносників змінює кінетику (швидкість) транспорту, і вона стає подібною до рівнянь ферментативного каталізу, тільки в ролі ферменту виступає переносник, а в ролі субстрату – переносима речовина (S):
- рівняння полегшеної дифузії
Кт - константа транспорту відповідає константі Міхаеліса і дорівнює концентрації S при Js = Jmax/2.
Активний транспорт -перенесення речовин проти градієнта хімічного ((електрохімічного потенціалу або перенесення молекул з місць з меншою концентрацією речовини в місця з більшою концентрацією речовини. Це не мимовільний процес (ΔG>0 - енергія Гіббса збільшується), є сполученим).
Первинно-активний транспорт -транспорт речовин, сполучений з реакцією гідролізу АТФ, у ході якої виділяється енергія, використовувана для транспортування речовин через мембрану проти градієнта хімічного потенціалу.
Приклади ПАТ:
ü транспорт К+ та Na+ у зовнішніх цитоплазматичних мембранах;
ü транспорт Н + у мітохондріях;
ü транспорт Са 2+ у зовнішніх цитоплазматичних мембранах.
Вторинно-активний транспорт -транспорт речовин, пов'язаний з процесом перенесення іонів Na + через мембрану по градієнту електрохімічного потенціалу речовин.
Приклади ВАТ:
ü транспорт цукрів (амінокислот) рахунок енергії градієнта електрохімічного потенціалу іонів Na + (симпорт);
ü Na + - Са 2+ - обмін це транспорт іонів Са 2+ рахунок енергії градієнта електрохімічного потенціалу іонів Na + (антипорт).
Транспортні АТФ-ази прокаріотичних та еукаритичних клітин діляться на 3 типи: P-тип, V-тип, F-тип.
До АТФ-зам цитоплазматичної мембрани цього типу відносяться:
ü Na,+K+– АТФ-аза
ü Ca 2+– АТФ-аза плазматична мембрана еукаріотів
ü H+– АТФ-аза
Внутрішньоклітинні АТФ - ази P-типу:
Ca 2+ - АТФ-аза ендо-(сарко) плазматичного ретикулуму еукаріотів.
К+ - АТФ-аза зовнішніх мембран прокаріотів. Влаштовані досить легко, діють як насос.
АТФ-ази V-типузнаходяться у мембранах у вакуолях дріжджів, у лізосомах, ендосомах, секреторних гранулах тваринних клітин (Н+–АТФ-ази).
АТФ-ази F-типузнаходяться у мембранах бактерій, у хлоропластах, мітохондріях.
Іонні канали (уніпорт) класифікують:
А) за типом іонів: натрієві, калієві, кальцієві та хлорні канали;
Б) за способом регуляції:
1) потенціал-чутливі
2) хемочутливі (рецептор-керовані)
3) внутрішньоклітинними речовинами (іонами).
У процесі перенесення катіонів повинні виконуватись дві основні умови (фактори):
1. Стеричний– збіг розмірів катіону та гідратної оболонки з розмірами каналу.
2. Енергетичний– взаємодія катіону з карбоксильними (негативно зарядженими угрупованнями самого каналу).
Ліпідні бислои значною мірою непроникні переважної більшості речовин, і тому перенесення через ліпідну фазу вимагає значних енергетичних витрат.
Розрізняють активний транспорті пасивний транспорт(Дифузію).
Пасивний транспорт
Пасивний транспорт - це перенесення молекул за концентраційним або електрохімічним градієнтом, тобто він визначається лише різницею концентрації переносимої речовини на протилежних сторонах мембрани або напрямом електричного поля і здійснюється без витрати енергії АТФ. Можливі два типи дифузії: проста та полегшена.
Проста дифузіявідбувається без участі мембранного білка. Швидкість простої дифузії добре описується звичайними законами дифузії речовин, розчинних у ліпідному бислое; вона прямо пропорційна ступеню гідрофобності молекули, тобто її жиророзчинності, а також градієнту концентрації. Механізм дифузії водорозчинних речовин менш вивчений. Перенесення речовини через ліпідний бішар, наприклад, таких сполук, як етанол, можливий через тимчасові пори в мембрані, утворені розривами в ліпідному шарі при русі мембранних ліпідів. За механізмом простої дифузії здійснюється трансмембранне перенесення газів (наприклад,
Мал. 22.5.
0 2 і C0 2), воли, деяких простих органічних іонів та ряду низькомолекулярних жиророзчинних сполук. Слід пам'ятати, що проста дифузія здійснюється невибірково та відрізняється низькою швидкістю.
Полегшена дифузія,на відміну від простої дифузії, полегшена участю у цьому процесі специфічних мембранних білків. Отже, полегшена дифузія - це дифузійний процес, пов'язаний з хімічною реакцією взаємодії речовини, що транспортується з бслком-псрс- носієм. Цей процес специфічний і протікаєте вищою швидкістю, ніж проста дифузія.
Відомі два типи мембранних транспортних білків: білки-переносники, звані транслоказамиабо пермеазами,і білки каналоутворюючі.Транспортні білки зв'язують специфічні речовини і переносять їх через бислой за градієнтом їх концентрації або електрохімічного потенціалу, і, отже, для цього процесу, як і за простої дифузії, не потрібно витрати енергії АТФ.
Конкретний механізм функціонування транслоказу при полегшеній дифузії вивчений недостатньо. Вважають, що після зв'язування речовини, що переноситься, з білком-переносником відбувається ряд конформаніонних змін останнього, що дозволяють зв'язану речовину з одного боку мембрани транспортувати на іншу за схемою (рис. 22.5).
Інший можливий варіант механізму перенесення - за так званим естафетного типу,коли транспортний білок взагалі неспроможний переходити через бислой. У цьому випадку речовина, що транспортується, можливо, сама переходить від одного білка до іншого до тих пір, поки не виявиться на протилежній стороні мембрани.
Каналоутворюючі білки (або білки-канали) формують трансмембранні гідрофільні канали, через які молекули розчинених речовин відповідних розмірів та заряду можуть проходити шляхом полегшеної дифузії. На відміну від транспорту, що здійснюється транслоказами, перенесення за допомогою каналів не має високої специфічності, але може здійснюватися з набагато більшою швидкістю, що нс досягає насичення в широкому діапазоні концентрації речовини, що транспортується (рис. 22.6). Деякі дивана постійно відкриті, тоді як інші відкриваються лише у відповідь на зв'язування речовини, що транспортується. Це призводить до зміни конформації транспортного білка, внаслідок чого у мембрані відкривається гідрофільний канал і речовина звільняється з іншого боку мембрани (див. рис. 22.6).
Мал. 22.6.
До теперішнього часу структура та механізм функціонування транспортних білків вивчені недостатньо, що значною мірою пов'язано з труднощами їх виділення у солюбілізованій формі. Очевидно, найбільш поширеним шляхом трансмембранного перенесення речовин механізмом полегшеної дифузії є транспорт з допомогою каналообразующих речовин.
Мал. 22.7.
Білки - переносники всіх типів, нагадують пов'язані з мембранами ферменти, а процес полегшеної дифузії - ферментативну реакцію за низкою властивостей: 1) транспортні білки мають високу специфічність і мають ділянки (сайти) зв'язування для молекули, що транспортується (за аналогією - субстрату); 2) коли всі ділянки зв'язування зайняті (тобто білок насичений), швидкість транспорту досягає максимального значення, що позначається У тлх(Рис. 22.7); 3) білок-переносник має характерну для нього константу зв'язування До м,рівну концентрації речовини, що транспортується, при якій швидкість транспорту становить половину її максимальної величини (аналогічно До мдля системи фермент-субстрат) транспортні білки чутливі до зміни значення pH середовища; 4) вони інгібуються конкурентними чи неконкурентними інгібіторами. Однак на відміну від ферментної реакції молекула речовини, що транспортується, не зазнає ковалентного перетворення при взаємодії з транспортним білком (рис. 22.7).
Полегшена дифузія характерна для водорозчинних речовин: вуглеводів, амінокислот, метаболічно важливих органічних кислот, деяких іонів. Шляхом полегшеної дифузії здійснюється також транспорт стероїдних гормонів, низки жиророзчинних вітамінів та інших молекул цього класу. Практично спрямовані потоки речовин у клітині шляхом простої та полегшеної дифузії ніколи не припиняються, оскільки речовини, що надійшли в клітину, залучаються до метаболічних перетворень, а їх спад постійно заповнюється шляхом трансмембранного перенесення по градієнту концентрації.
Розрізняють активне та пасивне перенесення (транспорт) нейтральних молекул та іонів через біомембрани. Активний транспорт - відбувається при витраті енергії за рахунок гідролізу АТФ або перенесення протона дихальним ланцюгом мітохондрій. Пасивний транспорт не пов'язаний із витратою клітиною хімічної енергії: він здійснюється в результаті дифузії речовин у бік меншого електрохімічного потенціалу.
Прикладом активного транспорту може бути перенесення іонів калію і натрію через цитоплазматичні мембрани К - всередину клітини, а Na - з неї, перенесення кальцію через саркоплазматичного ретикулуму скелетних і серцевих м'язів всередину везикул ретикулуму, перенесення іонів водню через мембрани мітохондрій з матриксу процеси відбуваються з допомогою енергії гідролізу АТФ і здійснюються спеціальними ферментами - транспортними АТФ-фазами. Найбільш відомий приклад пасивного транспорту – це рух іонів та калію через цитоплазматичну мембрану нервових волокон при поширенні потенціалу дії.
Пасивне перенесення речовин через біомембрани.Дифузія незаряджених молекул.
Прийнято розрізняти такі типи пасивного перенесення речовин (включаючи іони) через мембрани:
2. Перенесення через пори (канали)
3. Транспорт за допомогою переносників за рахунок:
а) дифузії переносника разом із речовиною в мембрані (рухомий переносник);
б) естафетної передачі речовини від однієї молекули переносника до іншої, молекули переносника утворюють тимчасовий ланцюжок упоперек мембрани.
Перенесення механізму 2 і 3 називають іноді полегшеною дифузією.
Транспорт неелектролітів шляхом простий таполегшеної дифузії
Різні речовини переносяться через мембрани за двома основними механізмами: шляхом дифузії (пасивного транспорту) та шляхом активного транспорту. Проникність мембран для різних розчинених речовин залежить від розмірів та заряду цих молекул. Оскільки внутрішня область мембран складається з вуглеводневих ланцюгів, багато малих нейтральних і неполярних молекул можуть проходити через бимолекулярную мембрану шляхом звичайної дифузії. Інакше можна сказати, що ці молекули розчиняються в мембрані.
Найбільш важлива з цих речовин - глюкоза, яка переноситься через мембрани тільки в комплексі з молекулою-переносником. У цій ролі зазвичай виступає білок. Комплекс глюкози з переносником легко розчиняється в мембрані і тому може дифундувати через мембрану. Такий процес називається полегшеною дифузією . Сумарна швидкість транспорту глюкози різко підвищується у присутності гормону інсуліну. Поки що не зовсім ясно, чи діє дія інсуліну у підвищенні концентрації переносника, чи цей гормон стимулює утворення комплексу між глюкозою та переносником.
Основним механізмом пасивного транспорту речовин, зумовленим наявністю концентраційного градієнта, є дифузія.
Дифузія - це мимовільний процес проникнення речовини з області більшої в область меншої концентрації в результаті теплового хаотичного руху молекул.
Математичне опис процесу дифузії дар Рик. Відповідно до закону Ріка, швидкість дифузії прямо пропорційна градієнту концентрації та площі Sчерез яку здійснюється дифузія:
Знак мінус у правій частині рівняння показує, що дифузія походить з області більшої концентрації в область меншої концентрації речовини.
"D" називається коефіцієнтом дифузії . Коефіцієнт дифузії чисельно дорівнює кількості речовини, що дифузує в одиницю часу через одиницю площі при градієнті концентрації, що дорівнює одиниці. «D» залежить від природи речовини та від температури. Він характеризує здатність речовини до дифузії.
Так як концентраційний градієнт клітинної мембрани визначити важко, то для опису дифузії речовин через клітинні мембрани користуються більш простим рівнянням, запропонованим Коллеїдером та Берлундом:
де З 1і З 2- концентрації речовини з різних боків мембрани, Р- Коефіцієнт проникності, аналогічний коефіцієнту дифузії. На відміну від коефіцієнта дифузії, який залежить лише від природи речовини та температури, "Р"залежить ще й від властивостей мембрани та її функціонального стану.
Проникнення розчинених частинок, що мають електричний заряд, через клітинну мембрану залежить не тільки від концентраційного градієнта мембрани. У зв'язку з цим перенесення іонів може здійснюватися в протилежному напрямку концентраційному градієнту, за наявності протилежно спрямованого електричного градієнта. Сукупність концентраційного та електричного градієнтів називається електрохімічним градієнтом. Пасивний транспорт іонів через мембрани завжди відбувається електрохімічним градієнтом.
Основними градієнтами, властивими живим організмам, є концентраційні, осмотичні, електричні та градієнти гідростатичного тиску рідини.
Відповідно до цього градієнта є такі види пасивного транспорту речовин у клітинах і тканинах: дифузія, осмос, електроосмос і аномальний осмос, фільтрація.
Велике значення для життєдіяльності клітин має явище сполученого транспорту речовин та іонів, яке полягає в тому, що перенесення однієї речовини (іона) проти електрохімічного потенціалу («в гору») зумовлене одночасним перенесенням іншого іона через мембрану у напрямку зниження електрохімічного потенціалу («під гору») »). Схематично це представлено малюнку. Роботу транспортних АТФ-аз та перенесення протонів при роботі дихального ланцюга мітохондрій часто називають первинним активним транспортом, а пов'язане з ним перенесення речовин - вторинним активним транспортом.
Явище перенесення. Загальне рівняння перенесення.
Група явищ, обумовлених хаотичним рухом молекул і що приводять до передачі маси, кінетичної енергії та імпульсу, називається явищем перенесення .
До них відносять дифузію – перенесення речовини, теплопровідність – перенесення кінетичної енергії та внутрішнє тертя – перенесення імпульсу.
Загальне рівняння перенесення, що описує ці явища, можна одержати з урахуванням молекулярно-кинетичної теорії.
Нехай через майданчик площею «S» (малюнок) переноситься певна фізична величина внаслідок хаотичного руху молекул.
На відстанях, рівних середній довжині вільного пробігу, праворуч і ліворуч від майданчика побудуємо прямокутні паралелепіпеди невеликої товщини. l» ( l<< ). Объем каждого параллелепипеда равен
V = Sl.
Якщо концентрація молекул дорівнює « п», то всередині виділеного паралелепіпеда є « S l п»Молекул.
Всі молекули через їх хаотичний рух можна умовно уявити шістьма групами, кожна з яких переміщається вздовж або проти напрямку однієї з осей координат. Тобто в напрямку, перпендикулярному майданчику. S», Переміщається молекул. Оскільки обсяг «1» знаходиться на відстані від майданчика « S», то ці молекули досягнуть її без зіткнення. Така ж кількість молекул досягне майданчика. S" зліва.
Кожна молекула здатна перенести деяку величину "Z" (маса, імпульс, кінетична енергія), а всі молекули - або , де H = n Z- фізична величина, яку переносять молекули, укладені в одиничному обсязі. В результаті крізь майданчик « S» з обсягів 1 та 2 за проміжок часу «Dt» переноситься величина
Щоб визначити час Dt, припустимо, що всі молекули з виділених обсягів рухаються з однаковими середніми швидкостями . Тоді молекули в обсязі 1 або 2, що дійшли до майданчика. S», перетинають її протягом проміжку часу
Розділивши (1) на (2), отримаємо, що величина, що переноситься за інтервал часу «Dt», дорівнює
Зміна величини "Н" на одиниці довжини "dx" називають градієнтом величини "Н". Оскільки (Н 1 - Н 2) - зміна «Н» на відстані, що дорівнює 2 , то
Після підстановки (4) (3) і множення отриманого рівняння на час знайдемо потік нестерпної фізичної величини «Н» за проміжок часу «Dt» крізь площу «S»:
Це загальне рівняння перенесення, що використовується щодо дифузії, теплопровідності, в'язкості.
Дифузія. Пасивне перенесення неелектолітів через біомембрани,рівняння Ріка. Транспорт неелектролітів через мембрани шляхомпростий та полегшеної (у комплексі з переносником) дифузії.
Дифузія - це процес, що призводить до мимовільного зменшення градієнтів концентрацій у розчині, доки встановиться однорідне розподіл частинок. Процес дифузії відіграє у багатьох хімічних і біологічних системах. Саме дифузією, наприклад, визначається переважно доступ двоокису вуглецю до активних фотосинтетичних структур у хлоропластах. Для розуміння особливостей транспорту розчинених молекул через клітинні мембрани необхідні детальні відомості про дифузію. Розглянемо деякі основні принципи дифузії у розчинах.
Уявімо посудину, в лівій частині якого знаходиться чистий розчинник, а в правій - розчин, приготований з тим самим розчинником. Нехай спочатку дві частини посудини розділені плоскою вертикальною стінкою. Якщо тепер прибрати стінку, то внаслідок безладного руху молекул у всіх напрямках межа між розчином і розчинником зміщуватиметься вліво доти, доки вся система не стане однорідною. В 1855 Рік, вивчаючи дифузійні процеси, виявив, що швидкість дифузії, тобто число молекул розчиненої речовини «п», що перетинають вертикальну площину в одиницю часу, прямо пропорційно площі перерізу «S» і градієнту концентрації . Таким чином,
де D- Коефіцієнт дифузії (вимірюється в м 2 /с в «СІ»). Знак мінус вказує на те, що дифузія йде з області високої концентрації в область низької концентрації. Це означає, що градієнт концентрації у напрямку дифузії негативний. Рівняння (1) відоме під назвою першого закону дифузії Ріка. Фізичні закони є інтуїтивними висновками, які не можна вивести з більш простих тверджень і наслідки з яких не суперечать експерименту. До таких висновків належать закони механіки та термодинаміки; так само і закон Ріка.
Розглянемо тепер процес дифузії дещо докладніше. Виділимо в просторі елемент об'єму « S × dx", як показано на малюнку
Швидкість, з якою молекули розчиненої речовини входять в елемент об'єму через переріз «х», дорівнює Швидкість зміни градієнта концентрації у міру зміни «х» дорівнює
Тому швидкість, з якою молекули розчиненої речовини залишають елемент об'єму через переріз, віддалений від першого на «dx», дорівнює
Швидкість накопичення молекул розчиненої речовини в елементі об'єму є різницею цих двох величин:
Однак та сама швидкість накопичення частинок дорівнює , так що можна написати
Рівняння (6) під назвою рівняння дифузії або другого закону дифузії Ріка, з якого випливає, що зміна концентрації в часі на деякій відстані "х" від початкової площини пропорційно швидкості зміни градієнта концентрації в напрямку "х" у момент "t".
Для вирішення рівняння (6) потрібно використовувати спеціальні методи (розроблені Рур'є), опис яких опускаємо, результат має простий вигляд:
де 0 - вихідна концентрація речовини в точці початку відліку в нульовий момент часу.
За рівнянням (7) можна побудувати графік залежності градієнта концентрації від координати «х» за різних часів «t». Оптичними методами (наприклад, шляхом вимірювання показника заломлення) можна визначити градієнти концентрації різних відстанях від кордону, якою почалася дифузія.
Молекулярний механізм активного транспорту іонів
Відомі чотири основні системи активного транспорту іонів у живій клітині, три з яких забезпечують перенесення іонів натрію, калію, кальцію та протонів через біологічні мембрани за рахунок енергії гідролізу АТФ в результаті роботи спеціальних ферментів переносників, які називаються транспортними АТФ-азами. Четвертий механізм - перенесення протонів під час роботи дихального ланцюга мітохондрій - поки що вивчений недостатньо. Найбільш складно з транспортних АТФ-аз влаштована Н + - АТФ-аза, що складається з декількох субодиниць, найпростіша - Са 2+ АТФ-аза, що складається з одного поліпептидного ланцюга (субодиниці) з молекулярною масою близько 100000. Розглянемо механізм перенесення іонів кальцію цієї АТФ-азою.
Перший етап роботи Са 2+ АТФ-зи - зв'язування субстратів: Са 2+ та АТФ у комплексі з Мg 2+ (Мg АТФ). Ці два ліганди приєднуються до різних центрів на поверхні молекули ферменту, зверненої назовні бульбашки саркоплазматичного ретикулуму (СР).
Ліганд - мала молекула (іон, гормон, лікарський препарат та ін.).
Другий етап роботи ферменту – гідроліз АТФ. При цьому відбувається утворення ензим – фосфатного комплексу (Е-Р).
Третій етап роботи ферменту – перехід центру зв'язування Са 2+ на інший бік мембрани – транслокація.
Вивільнення енергії макроергічного зв'язку відбувається на четвертому етапі роботи Са 2+ АТФ-ази за гідролізу Е-Р. Ця енергія аж ніяк не витрачається вхолосту (тобто не переходить у тепло), а використовується на зміну константи зв'язування іонів кальцію з ферментом. Перенесення кальцію з одного боку мембрани на іншу пов'язане, таким чином, із витратою енергії, яка може становити 37,4 - 17,8 = 19,6 кДж/моль. Зрозуміло, що енергія гідролізу АТФ вистачає перенесення двох іонів кальцію.
Перенесення кальцію з меншої області (1-4 х 10 -3 М) в область великих концентрацій (1-10 х 10 -3 М) - це і є та робота, яку робить Са - транспортна АТФ-аза в м'язових клітинах.
Для повторення циклу потрібно повернення кальцій-зв'язувальних центрів зсередини назовні, тобто ще одна конформаційна зміна молекулі ферменту.
Молекулярний механізм роботи цих двох насосів багато в чому близький.
Основні етапи роботи Na+K+АТФаз такі:
1. Приєднання зовні двох іонів K+ та однієї молекули Mg 2+ АТФ:
2 K + + Mg АTФ + E ® (2 K +)(Mg АТФ)E
2. Гідроліз АТФ та утворення ензим-фосфату:
(2 K +)(Mg АТФ)E ® Mg АТФ + (2 K +)E - P
3. Перенесення центрів зв'язування K+ всередину (транслокація 1):
(2 K +)E - P ® E - P(2 K +)
4. Від'єднання обох іонів калію та заміна цих іонів трьома іонами Na, що знаходяться всередині клітини:
E - P (2 K +) + 3 Na i + ® E - P (3 Na +) + 2 K + i
5. Гідроліз E – P:
E - P(3 Na +) ® E(3 Na +) + P (фосфат)
6. Перенесення центрів зв'язування разом з іонами Na + назовні (транслокація 2):
E(3 Na +) ® (3 Na +)E
7. Відщеплення 3 Na + та приєднання 2 K + зовні:
2 K 0 + + 3 Na + (E) ® 3 Na + (2 K +)E
Перенесення 2 K + всередину клітини і викид 3 Na + назовні призводить до перенесення одного позитивного іона з цитоплазми в навколишнє середовище, а це сприяє появі мембранного потенціалу (зі знаком "мінус" всередині клітини).
Таким чином, Na+K+ насос є електрогенним.
Проникність
Проникність - це здатність клітин та тканин поглинати, виділяти та транспортувати хімічні речовини, пропускаючи їх через мембрани клітин, стінки судин та клітини епітелію. Живі клітини та тканини перебувають у стані безперервного обміну хімічними речовинами з навколишнім середовищем, одержуючи з неї продукти харчування та виводячи у ній продукти метаболізму. Основним дифузійним бар'єром по дорозі руху речовин є клітинна мембрана. В 1899 Овертон виявив, що дегкость проходження речовин через клітинну мембрану залежала від здатності цих речовин розчинятися в жирах. У той же час ряд полярних речовин проникав у клітини незалежно від розчинності у жирах, що можна було пояснити існуванням у мембранах водних пір.
В даний час розрізняють пасивну проникність, активний транспорт речовин та особливі випадки проникності, пов'язані з фагоцитозом та піноцитозом.
Основні види дифузії – це дифузія речовин шляхом розчинення у ліпідах мембрани, дифузія речовин через полярні пори, дифузія іонів через незаряджені пори. Особливими видами дифузії є полегшена та обмінна. Вона забезпечується особливими жиророзчинними речовинами-переносниками, які здатні зв'язати переносиму речовину з одного боку мембрани, дифундувати з нею через мембрану і звільняти з іншого боку мембрани. Роль специфічних переносників іону виконують деякі антибіотики, що отримали назву іонофорних (валіномін, нігеріцин, моненсин, поєнові антибіотики ністатин, аіфотерицин В та ряд інших).
Іонофори можуть бути розділені у свою чергу на три класи в залежності від заряду переносника та структури кільця: нейтральний переносник із замкнутим ковалентним зв'язком кільцем (валіноміцин, нактини, поліефіри), заряджений переносник з кільцем, замкнутим водневим зв'язком (нігерицин, монензин). Заряджені переносники важко проникають у зарядженій формі через модельні та біологічні мембрани, в той же час у нейтральній формі вони вільно дифундують у мембрані. Нейтральна форма утворюється шляхом формування комплексу аніонної форми переносника з катіоном. Таким чином, заряджені переносники здатні обмінювати катіони, що знаходяться переважно по один бік мембрани на катіони розвару, що омиває протилежну сторону мембрани.
Найбільш поширеним видом пасивної дифузії клітинних мембран є порна. На користь реального порного механізму проникності свідчать дані про осмотичні властивості клітин.
Класичне рівняння осмотичного тиску:
де p - осмотичний тиск, з - концентрація розчиненої речовини, R - газова константа, T - абсолютна температура, включає додатковий член s, що змінюється від нуля до 1. з проходженням молекули води.
Вид проникності, властивий тільки живим клітинам та тканинам, отримав назву активного транспорту. Активний транспорт - це перенесення речовини через клітинну мембрану з навколишнього розчину (гомоцелюлярний активний транспорт) або через активний клітинний транспорт, що протікає проти градієнта електрохімічної активності речовини з витратою вільної енергії організму. В даний час доведено, що молекулярна система, що відповідає за активний транспорт речовин, знаходиться у клітинній мембрані.
В даний час доведено, що основним елементом іонного насоса є Na+K+АТФ-аза. Вивчення властивостей цього мембранного ферменту показало, що фермент лише у присутності іонів калію та натрію, причому іони натрію активізують фермент із боку цитоплазми, а іони – з навколишнього розчину. Специфічним інгібітором ферменту є центральний глікозид-суабаїн. У мембранах мітохондрій відома інша молекулярна система, що забезпечує відкачування іонів водню фермент H+-АТФ-аза.
П. Мітчел, автор хеміосмотичної теорії окисного фосфолювання в мітохондріях, ввів поняття вторинного активного транспорту речовин. Відомі три способи трансмембранного перенесення іонів у сполучних мембранах. Однонаправлене перенесення іонів у напрямку електрохімічного градієнта шляхом вільної дифузії або за допомогою специфічного переносника - уніпорт. У разі уніпорт ідентичний полегшеної дифузії. Більш складна ситуація виникає в тому випадку, коли дві речовини взаємодіють з одним і тим самим переносником. Цей випадок симпорт має на увазі обов'язкове поєднання потоків двох речовин у процесі перенесення їх через мембрану в одному напрямку. Симпорт двох іонів електрично нейтральний, але осмотичний баланс у своїй порушується.
Слід підкреслити, що при симпорте електрохімічний градієнт, що визначає рух одного з іонів (наприклад, іона натрію або водню) може бути причиною руху іншої речовини (наприклад молекул сазара або амінокислот), яке переноситься загальним переносником. Третій вид іонного сполучення – актипорт – характеризує ситуацію, у якій два іони одного знака врівноважуються через мембрану таким чином, що перенесення одного з них вимагає перенесення іншого у протилежному напрямку. Перенесення в цілому електронейтральне і осмотично врівноважене. Цей вид перенесення ідентичний обмінної дифузії.
Менш вивчені два особливі види проникності – фагоцитозу – процесу захоплення та поглинання великих твердих частинок, та піноцитозу – процесу захоплення та поглинання частиною клітинної поверхні навколишньої рідини з розчиненими в ній речовинами.
Всі види проникності в тій чи іншій мірі характерні для багатоклітинних тканин мембран стінок кровоносних судин, епітелію нирок, слизової оболонки кишечника і шлунка.
Для вивчення пасивної та активної проникності використовуються різні кінетичні методи. Найбільшого поширення набув метод мічених атомів.
Широко використовуються при дослідженні проникності вітальні барвники. Сутність методу полягає у спостереженні за допомогою мікроскопа швидкості проникнення молекул барвника всередину клітини. Нині широко використовуються флоурасцентные мітки і у тому числі флуоресцин натрію, хлортетрациклин та інших. Велика заслуга у розвитку методу вітальних барвників належить Д.Н. Насонова, В.Я. Александрову та А.С. Трошину.
Осмотичні властивості клітин та субклітинних частинок дозволяє використовувати цю якість для вивчення проникності води та розчинних у ній речовин. Сутність осмотичного методу полягає в тому, що за допомогою мікроскопа або вимірювання світлорозсіювання суспензії частинок спостерігають зміну обсягу частинок залежно від тонічності розчину.
Все ширше вивчення клітинних мембран застосовують потенциометрические методи. Широкий набір іоноспецифічних електродів дозволяє досліджувати кінетику транспорту багатьох іонів - K + , Na + , Ca 2+ , H + , CI - та ін, а також органічних іонів - ацетату, саліцилатів та ін.
