1.2.3. Мембрана арқылы бейэлектролиттердің тасымалдауының механизмдері

Қарапайым диффузия

Диффузия – заттардың концентрациясы жоғары аймақтардан концентрациясы төмен аймақтарына хаостық жылулық флуктуациялардың салдарынан өз бетімен көшуі. Көптеген зарядталмаған бөлшектердің мембрана арқылы өтуі диффузия заңдарына бағынады (сурет 12).

Сурет 12 – Мембрананың липидті биқабаты арқылы қарапайым диффузиясының схемасы

Диффузия процесін санды түрде Фиктің заңы сипаттайды: х өсіне қарай бағытталған заттың ағыны (J) қозғаушы күшке (dc/dx - концентрацияның градиентіне) пропорционалды.

[1.2.1]

Мұнда:

D – диффузия коэффициенті (см²×с^-1),

J – заттың ағыны (моль × см²× с^-1).

Диффузияның коэффициенті температура мен ортадағы заттың қозғалғыштығынан тәуелді:

D = Rtu [1.2.2]

Мұнда:

R – газды тұрақты шамасы,

T – абсолютті температура,

u – ортадағы заттың қозғалғыштығы.

Бұл тепе-теңдік Нернст-Планктің жалпы тепе-теңдігінің жеке оқиғасы болып табылады:

[1.2.3]

Мұнда:

c – иондардың х жазықтығындағы концентрациясы,

u – қозғалғыштық,

– х осі бойынша электрохимиялық потенциалдың өзгеруі (біздін жағдайда тасымалдалданатын бөлшіктер зарядталмаған).

Егер де жұқа мембраналар арқылы стационарлы диффузия жағдайында (dc/dx=const) қалындығы h мембрананың шектерінде заттын концентрациялары (с₁^м және c₂^м) тұрақты болса (сурет 12) және мембрананы шаятын ерітінділердегі заттың концентрацияларымен келесі қатынаста болса:

c₁^м=c₁,

c₂^м=c₂ [ 1.2.4]

мұнда γ – үлестіру коэффициенті.

Бұл жағдайда мембрана арқылы заттын ағыны төмендегідей есептеледі:

[1.2.5]

Мұнда

– берілген зат үшін мембрананың өтімділігі (см×с^-1),

γ – үлестіру коэффициенті, берілген заттың липофильдігін көрсетеді,

u – мембранадағы заттың қозғалғыштығы.

Мембрананын өтімділік коэффициентінің шамасы P диффузияның коэффициентінің шамасы жоғары болғанда (мембрананың тұтқырлығы төмендегенде) жоғары болады.

Мембрананың гидрофобты бөліміне ену үшін немесе тар мембраналық саңылау арқылы өту үшін бейэлектролиттер алдыменен дигидратацияға ұшырау керек, яғни олардың полярлы топтары (–COOH–, –OH–, – NH2–) су дипольдерімен әрекеттерге түспеу үшін энергия жұмсалу керек. Бұнымен байланысты бірқатар бейэлектролиттер үшін мембрананың өтімділік коэффициенті P температурадан тәуелді (сурет 13). Заттың мембраналық өтімділігінің температурадан тәуелдігің анықтау олардың биқабатты мембрана арқылы тасымалдауының белсендіру энергиясын анықтауға мүмкіндік туғыздырады. Бірқатар заттар үшін солай есептелген белсендіру энергиялардың шамалары (этиленгликоль үшін 60 кДж∙моль^-1, глицерин үшін 77 кДж∙моль^-1) олардың дегидратациясы үшін энергияларының шамаларына жақын орналасатындығы анықталды.

Сурет 13 – Биомембрананың өтімділігінің температурадан тәуелдігі

Диффузия арқылы мембрана арқылы түрлі қосылыстар өте алады, бірақ та бұған қарамастан АМҚ мен моносахаридтердің ең кішкентай молекулалары диффузия арқылы өте алмайды. Олардың тасымалдауын қозғалмалы тасымалдаушылар қамтамасыз етеді,

Жеңілдетілген диффузия.

1971 ж. американдық ғалымдардың тобы биологиялық мембраналарда циклдік құрылымына ие және селективті түрде иондарды тасымалдай алатын құрылымдарды тапқандығын әлемге жариялаған. Бұл факт дәлеледмесін тапқан жоқ, бірақ мембраналық тасымалдаушыларды іздеу саласындағы жұмыстар жалғастыруда.

Циклдік антибиотиктер тек қана жасанды мембраналарға емес, сонымен қатар жасушалардың мембраналарына еңіп, олардың өтімділігін өзгерту қабілетіне ие. Мысалы, эритроциттердің суспензиясына валиномицинді қосқан кезде К⁺ иондарының жасушалардан шығу құбылысын байқауға болады. Сонымен қатар валиномицин митохондриялардың ішіне К⁺ иондарының ағынын шақыртатындығы белгілі. Валиномициннің молекуласы формасы манжетка тәрізді, оның ішкі жағында полярлы, ал сыртқы жағында бейтарап топтар орналасады (сурет 14).

А В

Сурет 14 – Ионофордың (валиномициннің молекуласының) құрылымы. А – химиялық формуласы [L-лактат-L-валин-D-оксиизовалерианалық қышқыл; В – жалпы бейнесі: валиномицин және оның ішінде орналасқан ион.

Валиномицин манжетканын ішіне түсетін калий иондарымен комплекс құрайды да, мембрананың липидті фазасына ериді (өйткені оның сырты электір бейтарап). Мембрана арқылы жылжып, олар калий иондарын мембрананың теріс жағына көшіреді.

Гидрофильді заттардың тасымалдаушылардың көмегімен жасушаның мембранасының липидті биқабаты арқылы тасымалдауының қарапайым диффузиядан артықшылықтарын глюкозаның қанның плазмасынан эритроциттің ішіне тасымалдауы мысалында бейнелеуге болады. Глюкоза сутекті байланыстарды құрайтын бес гидроксильді топқа ие. Теория бойынша глюкозаның су ерітіндісінен биқабатты мембрананың гидрофобты аймағына тасымалдауының белсендіру энергиясының шамасы 80 кДж • моль^-1 тең болу керек, ал тәжірибеде оның шамасы едәуір төмен. Трансмембраналық тасымалдаудың жеңілдетілуін бұл тасымалдаудың қарапайым диффузия арқылы емес, тасымалдаушының көмегімен жүзеге асырылатындығымен түсіндіруге болады. Сондықтан глюкозаның эритроциттің мембранасы арқылы тасымалдауы мембраналық липидтердегі оның қарапайым диффузиясымен салыстырғанда 10 мың есе рет жылдам ағады. Тасымалдаушылар тасымалдаудың әртүрлі тәсілдерін қолдану мумкін (миграциялық, ротациялық, ығысу және т.б., сурет 15).

Сурет 15 - Әртүрлі тасымалдаушылардың қызметтерін атқаруының схемасы. а— миграция; б— ротация; в — ығысу. S — тасымалдауға дейінгі тасымалданатын зат; S'— тасымалдаудан кейінгі тасымалданатын зат; Т – тасымалдаушы; Л – мембрананың липидті компоненттері; I — тасымалдаудың алдындағы қалып; II — тасымалдау процессі; III — тасымалдаудан кейінгі қалып.

Қозғалмалы тасымалдаушылардың арасынан екі топты ажыратуға болады. Тасымалдаушылардың бір тобы тасымалданатын затпен тек қана мембрананың беттерінде әрекеттеседі. Бұл тәсіл кіші карусель деп аталады. Басқа тасымалдаушылар мембранадан шығып, тасымалданатын затты іздей алады. Ізденіске электростатикалық күштер мен химиялық әрекеттесулер бағыт береді. Бұл механизм ірі карусель деп аталып кеткен.

Миграциялық механизмді (сурет 15, а) өлшемі мембрананың қалындығынан төмендеу тасымалдаушылар қолданады. Кейбір тасымалдаушы ақуыздар немесе олардың комплекстері өлшемі үлкен болғандықтан мембрананы тігіп өтеді. Олар ротация немесе мембрананың қалындығына тең қашықтыққа ығысу арқылы заттарды тасымалдайды (сурет 15, б, в).

Жеңілдетілген диффузиянын қарапайым диффузиядан негізгі ерекшеліктері:

1. Процесстің спецификасы өте жоғары. Тасымалдаушылар бір-біріне өте ұқсас заттарды да айыра алады (мысалы, АМҚ мен қанттардың L- және D- изомерлерлерін).

2. Тасымалдау кезінде субстраттың концентрациясы өскенде, тасымалдаудың жылдамдығы шектік шамаға жеткенше (қанығу нүктесіне) дейін өседі.

3. Тасымалдаушылармен әрекеттесетін, төменгі концентрациялы ингибиторларға сезімділік байқалады.

Бұнын барлығы жеңілдетілген диффузияның ферменттік процестерге ұқсастығын көрсетеді. Сондықтан, бұл процессті сипаттау үшін биокинетиканың математикалық аппараты қолданылады.

Фильтрация.

Фильтрация деп мембранадағы саңылаулар арқылы қысым градиеті бойынша ерітіңділердің ағу процессі аталады.Фильтрация арқылы заттың тасымалдауының жылдамдығы Пуазейльдің заңына бағынады:

[1.2.6]

Мұнда:

- ерітіндінің көлемінің тасымалдауының жылдамдығы;

w- гидравликалық қарсыласу (саңылаудың ұзындығынан, радиусынан және ерітіндінің тұтқырлығынан тәуелді).

Осмос.

Осмос – жартылай өтімді мембраналар (еріген зат үшін өтімсіз, ал су үшін өтімді) арқылы еріген заттың концентрациясы төмен аймақтардан концентрациясы жоғары аймақтарға қарай су молекулаларының тасымалдауы. Басқаша айтқанда, осмос – судын қарапайым диффузиясы. Бұл құбылыс көптеген биологиялық құбылыстарда маңызды роль ойнайды. Әсіресе, осмос құбылысымен эритроциттердің гипотоникалық ерітінділердегі гемолизі байланысты.

Қарастырылған процесстерге қатысатын барлық жүйелердің қызмет атқаруының мақсаты – градиенттерді теңдестіру және жүйені орнықты қалыпқа келтіру. Бірақ, жасушаға кірген молекулалардың биохимиялық реакцияларға жұмсалуының есебінен де заттардың градиенттеры ұзақ уақыт бір қалыпта сақталуы мүмкін.