Диффузия

Основным механизмом пассивного транспорта ве­ществ, обусловленным наличием концентрационного градиента, является диффузия. Диффузия — это само­произвольный процесс проникновения вещества из обла­сти большей в область меньшей его концентрации в ре­зультате теплового хаотического движения молекул.

М атематическое описание процесса диффузии дал

Ф ик. Согласно закону Фика, скорость диффузии прямо пропорциональна градиенту концентрации и

_{площади S, через которую осуществляется диффузия:}

₍₁₎

Под скоростью диффузии понимают количество вещест­ва (в молях или других единицах), диффундирующего в единицу времени через данную площадь. Градиент концентрации — это изменение концентрации С вещества, приходящееся на единицу длины, в направлении диффузии. Знак минус в правой части уравнения (1) показы-

140

мает, что диффузия происходит из области большей концентрации в область меньшей концентрации вещества. Коэффициент пропорциональности D в уравнении (1) называется коэффициентом диффузии. Его физический

смысл легко выяснять, если S и приравнять к единице. Коэффициент диффузии численно равен количеству вещества, диффундирующего в единицу времени через единицу площади при градиенте концентрации, равном единице. Коэффициент диффузии зависит от природы вещества и от температуры. Он характеризует способ­ность вещества к диффузии.

Так как концентрационный градиент клеточной мембраны определить трудно, то для описания диффузии веществ через клеточные мембраны пользуются более простым уравнением, предложенным Коллендером и Берлундом:

(2)

где С₁ и С₂ — концентрации вещества по разные сто­роны мембраны; Р — коэффициент проницаемости, аналогичный коэффициенту диффузии. В отличие от коэффициента диффузии, который зависит только от приро­ды вещества и температуры, Р зависит еще и от свойств мембраны и от ее функционального состояния.

Проникновение растворенных частиц, обладающих электрическим зарядом, через клеточную мембрану зависит не только от концентрационного градиента, но и от электрического градиента мембраны. В связи с этим перенос ионов может осуществляться в направлении, противоположном концентрационному градиенту, при нали­чии противоположно направленного электрического гра­диента. Совокупность концентрационного и электрического градиентов называется электрохимическим гра­диентом. Пассивный транспорт ионов через мембраны всегда происходит по электрохимическому градиенту.

Клетки как термодинамические системы могут находиться в стационарном и переходном состояниях. При стационарном состоянии скорости поступления и выведения веществ через клеточные мембраны неизменны во времени. Это обусловлено ролью метаболических процессов, обеспечивающих постоянство концентрационных градиентов клеток. Так, включение поступающего в

₁₄₁

клетку аниона фосфора в молекулы нуклеотидов, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов и фосфолипидов приводит к сниже­нию концентрации неор­ганического фосфата в клетке и тем самым поддерживает градиент это­го аниона между клеткой и средой. Указанное положение справедливо не только для диффузии веществ в клетку, но и для диффузии продуктов обмена из клетки в среду. Однако этим роль метаболических процессов клетки по отношению к транспорту веществ не исчерпывается. Все клетки имеют механизмы обеспечивающие перенос веществ против их электрохимических градиентов с затратой энергии метаболических процессов клетки. Такой перенос называют активным транспортом веществ. В резуль­тате активного переноса клетки способны накапливать вещества в более высоких по сравнению со средой кон­центрациях и тем самым совершать концентрационную (осмотическую) работу. Более подробно эти процессы будут описаны ниже. Здесь отметим, что многие гради­енты, присущие клетке и являющиеся условием для пас­сивного переноса, возникают именно в результате актив­ного транспорта веществ. Так, концентрационные гра­диенты калия и натрия возникают в результате актив­ного переноса этих ионов (в результате работы нат­рий-калиевого насоса); в последующем происходит диф­фузия этих ионов по градиентам и генерирование мем­бранных потенциалов.

Если молекулы диффундирующего вещества дви­жутся, без образования комплекса с другими молекулами,

то такая диффузия называется простой. Помимо этого, существует облегченная и обменная диффузия.

Было обнаружено, что скорость проникновения в клетку глюкозы, глицерина, аминокислот и некоторых

142

других веществ не имеет линейной зависимости от разности концентраций. При каких-то концентрациях веществ скорость их проникновения намного больше, чем следует ожидать для простой диффузии. При увеличении разности концентраций скорость проникновения возра­стает в меньшей степени, чем это следует из уравне­ния (2). Приведенные особенности проникновения ве­ществ объясняются тем, что в данном случае наблюдается не простая, а облегченная диффузия. Механизм ее со­стоит в том, что данное вещество самостоятельно слабо, диффундирует через мембрану, но скорость диффузии намного возрастает, если молекулы А этого вещества образуют комплекс с молекулами X вспомогательного вещества, которое, как полагают, растворяется в липидах. На поверхности мембраны молекулы А соединяются с молекулами X и в виде комплекса АХ диффундируют в клетку (рис. 24, I). В клетке молекулы А освобождают­ся, а молекулы вспомогательного вещества диффун­дируют наружу и связываются с новыми молекулами А. Понятно, что в приведенной схеме перенос вещества Л, как и при простой диффузии, будет идти до тех пор, пока его концентрации не выравниваются по обе стороны мембраны.

Если концентрацию вещества в среде повысить до такой степени, что все молекулы вещества X, облегчаю­щего диффузию, будут использованы, то скорость диф­фузии при дальнейшем повышении концентрации веще­ства А возрастать не будет. В общем случае кинетика облегченной диффузии подчиняется правилу Михаэлиcа — Ментен для ферментативных реакций (см. главу 4).

Облегченная диффузия может осуществляться не только с помощью подвижных, но и с помощью фикси­рованных в мембране переносчиков. Цепочка перенос­чиков может выстилать изнутри пору, а молекула про­никающего вещества способна передвигаться от одного се звена к другому, что несколько напоминает процессы и мультиферментных системах (рис. 24, II). 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 вспомогательного ве­щества в диффузии подтверждается также наличием конкуренции между веществами при их проникновении в клетку. Так, поступление глюкозы в мышечные волокна

₁₄₃

сердца крысы уменьшается при внесении в среду ксило­зы, арабинозы и манозы. Это уменьшение обусловлено тем, что добавленные в среду сахара используют часть молекул вспомогательного вещества X для своего про­никновения. Наконец, возможен и такой вариант, что какое-то вещество образует с X очень прочный комплекс, так что возможность соединения X с другими вещества­ми исключается. Предполагают, что подобный меха­низм блокирования молекул вспомогательного вещества лежит в основе действия известных ингибиторов транс­порта пентоз и гексоз — флоридзина и флоретина.

В настоящее время природа соединений, облегчаю­щих диффузию, еще не установлена, хотя большинство авторов предполагают, что это подвижные комплексы, растворимые в липидах клеточной мембраны. Этим объ­ясняется проникновение в клетку веществ, не раствори­мых в липидах и имеющих молекулы, большие по раз­мерам, чем диаметр клеточных пор.

Все особенности кинетики облегченной диффузии показывают, что она является каталитическим процессом, аналогичным ферментативной реакции. Поэтому облег­ченную диффузию часто называют каталитической диф­фузией, где роль катализатора играет вещество, облег­чающее проникновение. Феномен катализируемого про­никновения добавляет к классической картине мембранной структуры новую подробность — наличие особых каталитических единиц, которые, подобно фер­ментам, специфически взаимодействуют с проникающим веществом. Как и ферменты, они не могут вызвать про­цессов невозможных по термодинамическим условиям, т. е. катализ сам по себе не означает перенос вещества против градиента. Он лишь ускоряет проникновение ве­ществ через мембрану по сравнению с обычной диф­фузией.

Разновидностью облегченной диффузии является так называемая обменная диффузия, понятие о которой вве­дено Уссингом. При обменной диффузии вспомогатель­ное вещество образует соединение с диффундирующим веществом и перемещается к другой поверхности мем­браны. На другой поверхности мембраны молекула про­никающего вещества освобождается и на ее место при­соединяется другая молекула этого же вещества и пере­носится обратно. Таким образом, образуется замкнутый круг и концентрация диффундирующего вещества по

₁₄₄

обе стороны мембраны не изменяется. Наличие обмен­ной диффузии было доказано методом радиоактивных изотопов на эритроцитах. Было показано, что натрий эритроцитов благодаря обменной диффузии быстро обменивается на натрий плазмы. Имеются также дан­ные, что в результате обменной диффузии одно вещест­во может обмениваться в эквивалентных количествах на другое вещество, находящееся на противоположной сто­роне мембраны.

В последнее время получен ряд веществ, названных ионофорами, которые способны избирательно усиливать диффузию ионов через мембраны. Например, антибиотик валиномицин, образующий комплекс с ионами калия, повышает на несколько порядков проницаемость мембраны для калия. Открыты также соединения, способные избирательно блокировать диффузию ионов через мем­браны. К последним относится яд рыбы фугу тетродотоксин, который блокирует диффузию натрия. Клетки, обработанные тетродотоксином, утрачивают способность к возбуждению.

Исследование механизма действия на мембрану подобных веществ представляет большой интерес для медицины, поскольку это открывает перспективы создания новых эффективных анестетиков.

Как уже отмечалось, диффузия является основным видом пассивного транспорта веществ в клетках. Все остальные виды пассивного переноса относятся главным образом к транспорту воды. Вода играет важную роль в жизнедеятельности клеток, поэтому изучение проницаемости клеток и тканей для нее имеет большое значе­ние. Проницаемость клеток для воды весьма велика. Это связано с тем, что молекулы воды имеют неболь­шие размеры и легко проникают через поры мембран. Проникновение воды в клетки и ткани может осуществляться в результате осмоса, ультрафильтрации и электроосмоса.

ОСМОС

Клеточные мембраны обладают свойством полупроницаемости, т.е. способностью хорошо пропускать одни вещества, в частности воду, и плохо пропускать другие вещества. В связи с этим вода проходит через клеточ­ные мембраны в основном в результате осмоса. Осмос — это движение молекул воды через полупроницаемую