2. Способы переноса веществ через мембрану

Одна из основных функций цитоплазматической мембраны – четкое регулирование поступления в клетку растворимых веществ и выход из нее продуктов обмена.

То, что мембрана является полупроницаемой, осложняет протекание диффузионных и физических процессов при консервировании. Это должно обязательно приниматься во внимание при различных технологических процессах.

В настоящее время известны несколько видов транспорта, при помощи которых происходит проникновение растворенных веществ в клетку через мембрану: пассивная диффузия, облегченная диффузия, активный перенос. Поступающие в клетку вещества необходимы для поддержания жизнедеятельности клетки, а также для синтеза структурных компонентов клетки.

Пассивная диффузия. Это способ проникновения растворимых веществ в клетку, при котором движущей силой является разность концентраций растворенных веществ по обе стороны цитоплазматической мембраны. Если клетка разделяет два раствора (внутри и вне клетки) разной концентрации, то так как мембрана непроницаема для растворенного вещества и проницаема для воды, она подвергается воздействию осмотических сил внутри клетки и вне ее. В этом случае диффузия будет осуществляться для того вещества, для которого мембрана не является помехой. Так поступает в клетку вода. Скорость поступления воды зависит от концентрации веществ, растворенных в среде и осмотического давления внутри клетки.

Когда концентрация растворенного вещества в клетке выше, чем в окружающей среде, а значит и выше осмотическое давление, то клетка для выравнивания концентрации начинает поглощать воду, коллоиды мембраны набухают, и она плотно прилегает к клеточной оболочке. Оболочка является ограниченно растяжимой и когда наступает предел растяжения, то поступление воды в клетку прекращается и клетка находится в напряженном состоянии, которое называется тургором.

Если в окружающей среде концентрация растворенных веществ выше, чем в клетке, то будет происходить обезвоживание. Это происходит, если растительную клетку поместить в концентрированный раствор сахара (что наблюдается при варке варенья). Так как мембрана полупроницаема, то будет происходить диффузия в отношении того вещества, для которого мембрана не является помехой, т.е. воды. Поэтому вода из клетки будет перемещаться наружу, клеточный сок будет сгущаться, а наружный сироп разбавляться. Т.е. сахарный сироп как бы осмотически выкачивает воду из клетки. Такая диффузия называется осмосом.

П оскольку цитоплазменная мембрана не приклеена к наружной клеточной оболочке, то, по мере отсасывания влаги, она начинает отслаиваться сначала по углам, затем по всему объему и съеживаться (рисунок 5). Такой процесс называется плазмолизом. В таком состоянии клетка нежизнедеятельна. Она не погибает, но функции ее приостанавливаются. В этом состоянии она может находиться очень долго. Такой способ используется в практике консервирования.

Облегченная диффузия. При таком способе переноса вещество перемещается из среды с более высокой концентрацией растворимых веществ в среду с более низкой, но с большей скоростью, чем при пассивной диффузии. Облегченная диффузия очень сильно зависит от строения диффундирующих веществ. Это явление объясняется тем, что существуют специальные вещества – переносчики молекул и ионов. Соединяясь с транспортируемыми молекулами, которые сами в мембране не растворяются, они могут быстро «протаскивать» такие молекулы сквозь мембрану. Таким образом проникают в клетку низкомолекулярные углеводы (глюкоза), аминокислоты. Роль переносчиков здесь играют белки (рисунок 6).

По принципу действия мембранные переносчики могут быть разделены на два типа. Переносчики первого типа действуют подобно парому. Они как бы погружают перевозимые молекулы и переносят их через мембрану. Обратно они возвращаются либо пустыми, либо захватывают другие молекулы (пассажиров). Переносчики второго типа не совершают челночных движений, а встраиваются в мембрану, образуя канал, по которому происходит перемещение молекул. Например, роль переносчиков щелочных металлов могут выполнять антибиотики.

А ктивный перенос. Этот способ характеризует перенос вещества против градиента концентрации, т.е. из более разбавленного раствора в менее разбавленный. Этот механизм дает возможность проникать в клетку веществам, концентрация которых внутри клетки значитель-но выше, чем в окружаю-щей среде. При этом затрачивается определен-ное количество энергии. Источником энергии является АТФ, которую называют ионным насо-сом. Она образуется в результате энергетичес-кого обмена (рисунок 6).

Например, если концентрация белков, углеводов внутри клетки выше, чем в окружающей среде, то эти вещества не могут проходить через мембрану, поэтому вода по законам осмоса «врывается» в клетку и увеличивает тем самым внутреннее давление. Клетка начинает набухать. Чтобы не произошел разрыв клетки, клетка пускает в ход так называемый «биологический насос», который выкачивает наружу ионы натрия. При этом внутренняя область клетки заряжается отрицательно по отношению к окружающей среде. В то же время насос накачивает ионы калия из окружающей среды во внутреннюю среду клетки. И биологический насос поддерживает внутри клетки постоянный ионный состав.

Среди неорганических компонентов, участвующих в клеточном обмене, первое по важности место отводится ионам металлов. Они либо накапливаются внутри клетки, либо выбрасываются наружу и играют роль компонентов ферментных систем, регуляторами водного обмена и т.д. Так, например, ионы калия и натрия обеспечивают клетке осмотический и электрохимический потенциал (о чем говорилось выше); ионы магния, кальция, цинка являются активаторами различных ферментов; железо – является переносчиком электронов в биологических реакциях (в частности, реакциях биологического окисления-дыхания). Для активного транспорта существуют способы, благодаря которым клетка регулирует поступление и содержание тех или иных компонентов.

Молекулы транспортируемых веществ или ионы металлов могут переноситься через мембрану независимо от наличия и переноса других соединений. Такой способ переноса называется юнипорт (рисунок 7).

Если перенос транспортируемых веществ осуществляется одновременно и в одном направлении с другими соединениями, то такой способ называется симпорт (например, транспорт сахаров и аминокислот часто сопровождается переносом ионов натрия в том же направлении) (рисунок 7).

Если транспорт соединений обусловлен одновременным и противоположно направленным транспортом другого соединения, то такой способ называется антипорт (например, перенос в противоположных направлениях ионов натрия и калия через мембраны различных клеток).

1. Какова особенность строения мембран?

2. Какие существуют модели строения мембран?

3. Какие типы белков присутствуют в мембране?

4. Что такое пассивный транспорт?

5. Чем обусловлен тургор растительной клетки?

6. За счет чего может происходить обезвоживание клетки?

7. Что такое плазмолиз растительной клетки?

8. Чем характеризуется облегченная диффузия?

9. В чем суть и способы активного транспорта при поступлении веществ в клетку?