4.6. Проницаемость клеточной мембраны

Способность клеток пропускать через свою оболочку самые различные вещества называется проницаемостью. Проницаемость обусловлена тем, что клетка является открытой термодинамической системой и в ней постоянно осуществляется обмен веществ с окружающей средой. Изучение проницаемости клеток имеет огромное теоретическое и практическое значение, так как вся жизнедеятельность клеток связана с данным процессом, который участвует в распределении веществ, в генерировании биопотенциалов.

Особое значение имеет проницаемость для таких медицинских наук, как фармакология и токсикология. Для эффективного использования фармакологических средств при отравлениях необходимо знать особенности проникающей способности клеточных мембран.

Все виды переноса веществ через мембрану можно разделить на пассивный и активный транспорт.

4.6.1. Пассивный транспорт веществ

Пассивный транспорт осуществляется за счет энергии, сконцентрированной в каком-либо градиенте, и всегда происходит по направлению градиента от более высокого уровня к более низкому. таким образом, пассивный транспорт осуществляется в результате диффузии веществ в сторону меньшего электрического потенциала без затраты химической энергии.

Принято различать следующие типы пассивного переноса веществ (включая ионные) через мембраны (рис. 4.24):

1) простая диффузия;

2) перенос через поры (каналы);

3) транспорт с помощью переносчиков за счет:

а) диффузии переносчика вместе с веществом в мембране - подвижный переносчик;

б) эстафетной передачи вещества от одной молекулы переносчика к другой. Молекулы переносчика в данном случае образуют временную цепочку поперек мембраны.

Рис. 4.24. Виды пассивного транспорта

Перенос через поры и эстафетную передачу веществ называют облегченной диффузией (см. рис 4.24).

Диффузией называется проникновение веществ без воздействия внешней силы. В данном случае процесс происходит без затраты энергии при перемещении вещества из места с большей концентрацией в место с меньшей концентрацией вследствие хаотического движения молекул.

Таким образом, пассивный транспорт осуществляется в результате диффузии веществ в сторону меньшего электрохимического потенциала.

Основным уравнением, характеризующим диффузию веществ через мембраны клеток, является уравнение Фика. Выведем уравнение Фика при рассмотрении переноса веществ в жидкостях.

Пусть через некоторую площадку S во всех направлениях перемещаются молекулы жидкости (рис. 4.25).

Рис.4.25. Проницаемость клеточных мембран (к выводу уравнения Фика)

Учитывая теорию молекулярного строения жидкости можно сказать, что молекулы пересекают площадку, перескакивая из одного положения равновесия в другое. Пусть l - среднее расстояние между молекулами жидкости; δ - толщина параллелепипеда (δ  l); Sδ - объем каждого параллелепипеда.

Все молекулы, вследствие хаотичности их движения, можно условно представить шестью группами, каждая из которых перемещается вдоль или против направления одной из осей координат.

Так, в направлении, перпендикулярном площадке S, то есть вдоль оси ОХ, от первого параллелепипеда перескакивает молекул, а противоположно оси ОХ - молекул, где n₁ и n₂ – концентрация молекул.

Исходя из рис. 4.25 и формулы (4.1), имеем:

,

где - средняя скорость, м/с;

t - время движения молекул, с.

отсюда

(4.27)

где τ- среднее время «оседлой жизни».

Тогда перенос молекул через площадку S за время t будет

. (4.28)

Умножая уравнение (7.2) на массу m отдельной молекулы и разделив на Δt, найдем поток вещества через площадку S:

. (4.29)

таким образом, получили количество вещества, которое за единицу времени проходит через площадку S.

Обозначим , тогда .

заменим , тогда

. (4.30)

Отношение потока к площадке, через которую он проходит, называется плотностью потока (кг/м³ или моль/м³).

. (4.31)

Известно, что массовая концентрация C=mn или n=C/m. Найдем

, (4.32)

тогда

, (4.33)

или, заменив ,

. (4.34)

Получили уравнение Фика.

Знак минус показывает, что суммарная плотность потока вещества при диффузии направлена в сторону уменьшения концентрации, то есть в сторону, противоположную градиенту концентрации.

Коэффициент диффузии D зависит от природы вещества и от температуры. Природу характеризует τ - время релаксации, а расстояние δ между молекулами зависит от температуры Т.

Более простое уравнение диффузии предложено Коллендером и Берлундом:

, (4.35)

где С₁ и С₂ – концентрации вещества по разные стороны мембраны клетки;

Р – коэффициент проницаемости, аналогичный коэффициенту диффузии, но зависит не только от природы вещества и температуры, но и от свойств мембраны клетки и ее функционального состояния.

Если молекулы, диффундировавшие через мембрану вещества, движутся без образования комплекса с другими молекулами, то такая диффузия называется простой. Как отмечалось, кроме простой существуют облегченная и обменная диффузии.

При облегченной диффузии перенос веществ через мембрану происходит с помощью переносчиков и осуществляется с помощью каналов (рис. 4.26).

Рис. 4.26. Облегченная диффузия: а – простая диффузия; б – диффузия через канал; в – подвижный переносчик; г – эстафетный переносчик

Наличие переносчиков и каналов обусловливает селективность (избирательность) мембран.

В случае с простой диффузией считают, что избирательность связана с коэффициентом распределения К, а в случае облегченной диффузии - с избирательностью каналов и переносчиков.

, (4.36)

где С_М и С_В – концентрации веществ соответственно в масле и в воде.

Облегченная диффузия может осуществляться не только с помощью подвижных, но и с помощью фиксированных в мембране переносчиков.

Считают, что такие вещества, как глюкоза, глицерин, аминокислоты и ряд других, при определенных концентрациях проникают в клетки за счет облегченной диффузии, то есть посредством переносчика.

Наиболее подробно это явление изучено для случая переноса ионов ионофорными антибиотиками: валиномицином, грамицидином и другими, которые способны избирательно усиливать диффузию ионов через мембраны. Например, антибиотик валиномицин, образующий комплекс с ионами К⁺, повышает на несколько порядков проницаемость мембраны для калия.

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

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

Таким образом, существуют два пути проникновения веществ в клетку через мембрану:

1) за счет растворения проникающих веществ в липидах клеточной мембраны (водонерастворимые органические соединения - органические жирные кислоты, эфиры);

2) через поры клеточной мембраны водорастворимых веществ и ионов, соединяющих цитоплазму клеток с внешней средой, к которым относятся: минеральные кислоты, соли и основания, сахара, спирты, мочевина и другие полярные органические соединения; то есть клеточная мембрана для неполярных соединений служит растворителем, а для полярных - молекулярным ситом.

Максимальной проникающей способностью через мембрану обладают вода и растворенные в ней газы.

Разновидностью облегченной диффузии является обменная диффузия (рис. 4.26, г). Сущность ее заключается в том, что вспомогательное вещество образует соединение с диффундируемым веществом (например, ион с молекулой лекарства) и перемещается к другой поверхности мембраны, где молекула проникающего вещества освобождается, на ее место присоединяется другая молекула этого же вещества и переносится обратно, образуя замкнутый круг. Концентрация по обе стороны мембраны не изменяется. Наличие обменной диффузии было доказано методом радиоактивных изотопов, используемых на эритроцитах.

Доказано, что натрий у эритроцитов, благодаря обменной диффузии, быстро обменивается на натрий плазмы, то есть одно вещество может обмениваться в эквивалентных количествах на другие вещества, находящиеся на противоположной стороне мембраны.

В последнее время получены ряд веществ, названных ионофорами, которые способны усиливать диффузию ионов через мембраны.

Перенос воды в клетках и тканях может осуществляться в результате осмоса, ультрафильтрации и электроосмоса.

Осмос - это движение молекул воды через полупроницаемую мембрану из области меньшей в область большей концентрации растворенного вещества.

Осмотическое давление (формула Вант-Гоффа):

, (4.37)

где i - изотонический коэффициент, который показывает, во сколько увеличивается количество растворенных частиц при диссоциации молекул неэлектролитов;

R - газовая постоянная;

С - концентрация.

Фильтрация – это перенос воды, который осуществляется при наличии гидростатического давления, то есть осуществляется с помощью формулы Пуазейля. С помощью фильтрации плазмы крови происходит образование первичной мочи в почечных нефронах.

Аномальный осмос – это перенос воды при одновременном наличии осмотического и электрического градиентов.