Глава 4. Транспорт веществ через биологические мембраны.

Живые системы на всех уровнях организации – открытые системы. Элементарная ячейка жизни клетка и клеточные органеллы тоже открытые системы. Поэтому транспорт веществ через биологические мембраны – необходимое условие жизни. С переносом веществ через мембраны связаны процессы метаболизма клетки, биоэнергетические процессы, образование биопотенциалов, генерация нервного импульса и др. Нарушение транспорта веществ через биомембраны приводит к различным патологиям. Лечение часто направлено на нормализацию этого процесса.. Эффективность лекарственного препарата в значительной степени зависит от проницаемости для него мембраны.

2. 4.1 Пассивный и активный транспорт веществ

Транспорт веществ через биологические мембраны можно разделить на два основных типа: пассивный и активный.

При пассивном транспорте вещество переносится от мест с большей его концентрацией c₁, к местам с меньшей концентрациейc₂ <c₁, а в электролитах – от мест с большим значением потенциала электрического поля φ₁к местам с меньшим электрическим потенциалом φ₂< φ₁(для положительно заряженных частиц) (рис. 4.1).

При активном транспорте перенос происходит от мест с меньшими концентрациями к местам с большими концентрациями и для положительных ионов в электролитах от меньших электрических потенциалов к большим.

Другими словами, пассивный транспорт – это перенос от мест с большим значением электрохимического потенциала к местам с меньшим электрохимическим потенциалом<, а активный – от мест с меньшим электрохимическим потенциалом к большему.

Химическим потенциалом данного вещества μ_k называется величина, численно равная энергии ГиббсаG, приходящейся на один моль этого вещества. Математически химический потенциал определяется как частная производная от энергии ГиббсаGпо количествуk-ого вещества, при постоянстве температуры Т, давления Р и количестве всех других веществ

μ_k = ( )_{p, T,}

Для разбавленных растворов концентрации C_k

μ_k = μ₀ + RT lnC_k

где - постоянная для данного вещества, равнаяxимическому потенциалу этого вещества одномолярного раствора.

Электрохимический потенциал - величина, численно равная энергии ГиббсаGна один моль данного вещества, помещенного в электрическое поле:

Для разбавленных растворов

=μ₀ +RTlnC+zFφ(4.1),

где R= 8,31- универсальная газовая постоянная,

F= 96500 Кл/моль – число Фарадея,z- заряд иона электролита (в элементарных единицах заряда), φ- потенциал электрического поля.

а) б)

Рис. 4.1 Пассивный-а и активный -б транспорт веществ через мембрану (объяснения в тексте).

На рис.4.1 J_m - плотность потока вещеcтва,

J_m = (- количество вещества, перенесённого за единицу времени через единицу площади поперечного сечения.

Пассивный транспорт идет с уменьшением энергии Гиббса, и поэтому этот процесс может идти самопроизвольно без затраты свободной энергии АТФ.

Активный транспорт – это процесс, сопровождающийся ростом энергии Гиббса, он не может идти самопроизвольно, а только в сопряжении с процессом гидролиза АТФ, то есть за счет затраты энергии Гиббса, запасенной в макроэргических связях АТФ

2. Пассивный транспорт веществ через биологическую мембрану. Уравнение Теорелла. Уравнение Нериста-Планка. Закон Фика. Коэффициент проницаемости

Плотность потока вещества J_mпри пассивном транспорте подчиняется уравнению Теорелла:

J_m= -uc(4.2)

где u– подвижность частиц,c– концентрация, а- градиент электрохимического потенциала – изменение электрохимического потенциала на единицу расстояния. Знак минус показывает, что перенос происходит в сторону убывания.

Подставив в (4.2) выражение для электрохимического потенциала (4.1), получим для разбавленных растворов уравнение Нернста-Планка:

J_m = -ucR(4.3)

Итак, могут быть две причины переноса веществ при пассивном транспорте: градиент концентрации – изменение концентрации на единицу расстояния: (), или градиент электрического потенциала – изменение потенциала электрического поля на единицу расстояния:().

В отдельных случаях, вследствие сопряжения этих двух причин, может происходить пассивный перенос вещества от мест с меньшей концентрацией к местам с большей концентрацией, если

| > uRT (< 0,> 0).

Также может происходить перенос положительно заряженных ионов от мест с меньшим к местам с большим потенциалом электрического поля и отрицательных от мест с меньшим к местам с большим потенциалом, если

|uRT > (< 0,> 0).

В случае неэлектролитов ( z= 0) или отсутствия электрического поля (= 0), уравнение Нернста - Планка переходит в уравнение закона Фика:

J_m = - uRT

Согласно соотношению Эйнштейна uRT=D- коэффициенту диффузии и получаем закон Фика для простой диффузии:

J_m= - D (4.4)

.

2. Виды пассивного транспорта: простая и облегчённая диффузия, осмос, фильтрация

На рис. 4.2 представлена схема основных видов пассивного транспорта через мембрану, а на рис. 4.3 основные разновидности простой диффузии через мембрану.

4.2.Схема основных видов простой диффузии через мембрану(объяснения в тексте).

Рис.4.3 Основные разновидности простой диффузии через мембрану (объяснения в тексте).

Диффузия – самопроизвольное перемещение вещества из мест с большей их концентрацией в места с меньшей концентрацией вещества вследствие хаотического теплового движения молекул.

Диффузия вещества через липидный бислой (рис. 4.3-1) вызывается градиентом концентрации в мембране. Плотность потока вещества по закону Фика:

где - концентрация вещества в мембране около одной ее поверхности и- около другой, ℓ - толщина мембраны. Градиент концентрации приблизительно равен(рис. 4.4).

Рис. 4.4 Простая диффузия через липидный бислой мембраны (объяснения в тексте).

Так как измерить концентрации итрудно, на практике пользуются формулой, связывающей плотность потока вещества через мембрану с концентрациями этого вещества не внутри мембраны, а снаружи в растворах около поверхностей мембраны:и(рис. 4.4):

= P (-) (4.6)

где Р – коэффициент проницаемости мембраны для данного вещества. Так как плотность потока вещества измеряется в СИ в , концентрация с – в, коэффициент проницаемости Р измеряется в м/с.

Если считать концентрации вещества у поверхности в мембране прямо пропорциональными концентрациям у поверхности вне мембраны ~, то

=k,=k(4.7)

k- носит название коэффициента распределения, показывает, какую часть концентрации у поверхности вне мембраны составляет концентрация у поверхности мембраны, но внутри неё.

Подставив (4.6) в (4.4), получим:

=(-) (4.8)

Из уравнений (4.6) и (4.8) видно, что коэффициент проницаемости:

P =

Коэффициент проницаемости тем больше, чем больше коэффициент диффузии D(чем меньше вязкость мембраны ŋ), чем тоньше мембрана (чем меньше ℓ), и чем лучше вещество растворяется в липидной фазе мембраны (чем большеk).

Хорошо растворимы в фосфолипидной фазе мембраны неполярные вещества, например, органические жирные кислоты, эфиры. Эти вещества хорошо проникают через липидную фазу мембраны.

Плохо проходят через липидный бислой полярные, водорастворимые вещества: соли, основания, сахара, аминокислоты, спирты.

На первый взгляд, представляется необъяснимым сравнительно большое значение коэффициента проницаемости липидной мембраны для воды – полярного вещества, нерастворимого в липидах. Проникновение через липидные бислойные мембраны мелких полярных молекул происходит через поры в мембране (рис 4.3-2,3).

Через липидные и белковые поры сквозь мембрану проникают молекулы нерастворимых в липидах веществ и водорастворимые гидратированные ионы (окруженные молекулами воды). Для жиронерастворимых веществ и ионов мембрана выступает как молекулярное сито: чем больше размер молекулы, тем меньше проницаемость мембраны для этого вещества.

Облегченная диффузия происходит при участии молекул-переносчиков. Например, валиномицин – переносчик ионов калия. Молекула валиномицина имеет форму манжетки, устланной внутри полярными группами, а снаружи неполярными.

В силу особенности своего химического строения валиномицин способен образовывать комплекс с ионом калия, попадающим внутрь молекулы – манжетки и, с другой стороны, валиномицин растворим в липидной фазе мембраны, так как снаружи его молекула неполярна. Молекулы валиномицина, оказавшиеся у поверхности мембраны, могут захватывать из окружающего раствора ионы калия (рис. 4.5). Диффундируя в мембране, молекулы переносят калий через мембрану и некоторые из них отдают ионы в раствор по другую сторону мембраны. Таким образом и происходит перенос калия через мембрану валиномицином.

Разумеется, перенос калия валиномицином происходит через мембрану и в одну, и в другую сторону. Поэтому, если концентрации калия по обе стороны мембраны одинаковы, поток калия в одну сторону будет такой же, что и в другую, и в результате, переноса калия через мембрану не будет. Но если с одной стороны концентрация калия больше, чем с другой:

]₁ >]₂, то здесь ионы будут чаще захватываться молекулами переносчика, чем с другой стороны, и поток калия в сторону уменьшения] будет больше, чем в противоположную.

Рис. 4.5 Схема переноса валиномицином ионов калия через мембрану (объяснения в тексте).

Облегченная диффузия, таким образом, происходит от мест с большей концентрацией переносимого вещества к местам с меньшей концентрацией. По-видимому,облегченной диффузией объясняется также перенос через биологические мембраны аминокислот, сахаров и некоторых других биологически важных веществ.

Отличия облегченной диффузии от простой:

1. перенос вещества с участием переносчика происходит значительно быстрее;

2. облегченная диффузия обладает свойством насыщения (рис. 3.6): при увеличении концентрации с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;

3. при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ, в тех случаях, когда переносчиком переносятся разные вещества; при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие и добавление одних веществ затрудняет транспорт других; так из сахаров глюкоза переносится лучше чем фруктоза, фруктоза лучше, чем ксилоза, а ксилоза лучше, чем арабиноза;

4. есть вещества, блокирующие облегченную диффузию – они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика, например, флоридзин подавляет транспорт сахаров через биологическую мембрану.

Рис.4.6. Зависимость плотности потока вещества через биологическую мембрану в клетку от градиента концентрации этого вещества на мембране при простой диффузии (1) и при сочетании облегченной и простой диффузии (2).

Если транспорт какого-либо вещества через биологическую мембрану обладает этими особенностями, можно сделать предположение, что имеет место облегченная диффузия.

Разновидностью облегченной диффузии является транспорт с помощью неподвижных молекул-переносчиков, фиксированных определенным образом поперек мембраны . При этом молекула переносимого вещества передается от одной молекулы переносчика к другой.

Фильтрацией называется движение воды через поры в мембране под действием перепада давления p₁-p₂. Скорость переноса воды при фильтрации подчиняется закону Гагена – Пуазёйля

= ,

где - скорость переноса объема воды,w-

гидравлическое сопротивление:

w =

ℓ - длина поры, R- ее радиус,ŋ- коэффициент вязкости воды.

Явление фильтрации играет важную роль в процессах переноса воды через стенки кровеносных сосудов.

Осмос – преимущественное движение молекул воды через полупроницаемые мембраны (непроницаемые для растворенного вещества и проницаемые для воды) из мест с меньшей концентрацией растворенного вещества в места с большей концентрацией. Осмос по сути дела – простая диффузия воды из мест с ее большей концентрацией в места с меньшей концентрацией. Разные концентрации растворённого вещества по разные стороны мембраны как раз и создают этот градиент концентрации воды. Осмос играет большую роль во многих биологических явлениях. Явление осмоса обусловливает гемолиз эритроцитов в гипотонических растворах. Осмос используется в фармации. Например, действие некоторых сильных слабительных основано на создании в желудочном тракте повышенной концентрации растворенного вещества и переполнение его водой вследствие осмоса.

4.4 Активный транспорт веществ через биологические мембраны. Опыт Уссинга.

Активный транспорт веществ через биологические мембраны имеет огромное значение. За счет активного транспорта в организме создаются градиенты концентраций, градиенты электрических потенциалов, градиенты давления и т.д., поддерживающие жизненные процессы, то есть, с точки зрения термодинамики, активный перенос удерживает организм в неравновесном состоянии, поддерживает жизнь, так как равновесие – это смерть организма.

Существование активного транспорта веществ через биологические мембраны впервые было доказано в опытах Уссинга (1949) на примере переноса ионов натрия через кожу лягушки (рис. 4.8).

Рис. 4.7. Схема опытов Усинга (объяснение в тексте)

Экспериментальная камера Уссинга, заполненная нормальным раствором Рингера, была разделена на две части свежеизолированной кожей лягушки. На рис. 4.7 слева - внешняя мукозная поверхность кожи, справа - внутренняя серозная. Наблюдались потоки ионов натрия через кожу лягушки, слева направо от наружной и внутренней поверхности J_{m вн}и справа налево от внутренней поверхности к наружнойJ_{m нар}.

На коже лягушки, разделяющей раствор Рингера, возникает разность потенциалов ∆ φ=φ_вн – φ_нар ≈ 100мВ (внутренняя сторона кожи положительна по отношению к наружной). В установке Уссинга (рис. 4.7) имелось специальное устройство: электрическая батарея Б с потенциометром – делителем напряжения П, с помощью которых компенсировалась разность потенциалов на коже лягушки: ∆φ=φ_вн – φ_нар= 0, что контролировалось вольтметромV.

Кроме того, поддерживалась одинаковая концентрация ионов с наружной и внутренней стороны

С_вн =С_нар

Таким образом, были убраны обе причины пассивного транспорта: и градиент концентрации , и градент потенциала электического поля.

При этих условиях, если бы перенос натрия через кожу лягушки определялся только пассивным транспортом, потоки и J_{m вн} иJ_{m нар}были бы равны друг другу

J_{m вн} = J_{m нар}

Суммарный поток через мембрану был бы равен нулю.

Однако, обнаружено с помощью амперметра, что в условиях опыта (отсутствие градиентов электрического потенциала и концентрации) через кожу лягушки течёт электрический ток I, следовательно, происходит односторонний перенос заряженных частиц.

Установлено, что ток через кожу течет от внешней среды к внутренней.

Методом меченых атомов было показано, что поток натрия внутрь больше потока наружу

J_{m вн} > J_{m нар}

Для этого в левую часть экспериментальной камеры были включены радиоактивные изотопы , а в правую.распадается с излучением жестких γ - квантов, излучение- фиксировалось по мягким β - лучам. Было показано, что потокJ_Na²²больше потокаJ_Na²⁴.

Эти экспериментальные данные неопровержимо свидетельствовали о том, что перенос ионов натрия через кожу лягушки не подчиняется уравнению пассивного транспорта. Следовательно, имеет место активный перенос. В коже лягушки имеются системы активного переноса ионов.

Дальнейшие исследования показали, что в биологических мембранах есть ионные насосы, работающие за счет энергии гидролиза АТФ – специальные системы интегральных белков (транспортные АТФ-азы).

В настоящее время известны три типа электрогенных ионных насосов, осуществляющих активный перенос ионов через мембрану (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Активный перенос ионов транспортными АТФ-азами.

1. - -- АТФ-аза (в цитоплазматических мембранах)

2. - - АТФ-аза (в мембранах саркоплазматического ретикулума и мышечных клеток)

3. - - АТФ-аза, или протонная помпа (в энергосопрягающих мембранах митохондрий, хлоропластов и бактерий).

Перенос ионов транспортными АТФ-азами происходит вследствие сопряжения процессов переноса с химическими реакциями, за счет энергии метаболизма клеток.

При работе -- АТФ-азы за счет энергии ГиббсаGмакроэргических связей, освобождающейся при гидролизе каждой молекулы АТФ, в клетку переносится два иона калия и одновременно из клетки выкачиваются три иона натрия. Таким образом, создается повышенная по сравнению с межклеточной средой концентрация в клетке ионов калия и пониженная натрия, что имеет огромное физиологическое значение.

В - АТФ-азе за счет энергии Гиббса АТФ переносится два иона кальция, а в Н-помпе – два протона.

В клеточных мембранах клеток эпителия кожи лягушки в участках, обращенных к серозной поверхности, больше -- АТФ-аз, чем на участках клеточных мембран, обращенных к мукозной поверхности. Поэтому натрий активно выкачивается из клеток в большей степени в сторону серозной поверхности, чем мукозной. За счет асимметрии расположения АТФ-аз по клеточным мембранам ионы натрия в большем количестве поступают в клетку со стороны мукозы, а выкачиваются в сторону серозы. Так и создается суммарный активный перенос натрия через кожу лягушки от наружной поверхности внутрь организма лягушки, что позволяет этому животному жить в водной среде, сохраняя в организме концентрацию натрия, значительно превышающую его содержание в окружающей среде. Активный перенос ионов натрия в организм лягушки компенсирует пассивную утечку натрия во внешнюю средую

Вторичный активный транспорт – сопряжение активного транспорта с пассивным обеспечивает переносы других веществ. Например, концентрирование мочи в почках – выход из мочи воды осуществляется за счет сопряжения активного переноса ионов натрия с осмотическим переносом воды.

ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ К ГЛАВЕ 4

1. Какую роль играет перенос веществ через биологические мембраны в функционировании живого организма?

2. В чём отличия пассивного и активного транспорта? Не противоречит ли существование активного транспорта второму началу термодинамики? Почему?

3.К какому виду переноса относится осмос: к активному транспорту или к пассивному транспорту, к простой диффузии или к облегчённой диффузии? Почему? Приведите примеры применения осмоса в фармации и медицине.

4. Почему для введения в организм некоторых лекарственных веществ практикуются горячие компрессы? Горячие ванночки? Как связан коэффициент проницаемости биологических мембран с температурой? Почему?

5. В какую сторону: во внеклеточную жидкость или в кровеносную систему происходит перенос воды вследствие фильтрации: из аорты или в аорту? Из полых вен или в полые вены?

6. Каким образов лягушки, живущие в пресной воде сохраняют в своей внеклеточной среде повышенную концентрацию натрия, соответствующую химическому составу морской воды?

7. Определите градиент концентрации вещества в мембране, если толщина мембраны ℓ =10 нм, концентрации вещества в клетке и во внеклеточной жидкости равны соответственно

c_вн= 10 ммоль/л иc_нар= 50 ммоль/л, а коэффициент распределения

k= 0,1.

8. В условиях задачи 6 определите проницаемость мембраны для этого вещества и плотность потока вещества через мембрану (частицы вещества не заряженные).

Коэффициент диффузии D = 10^-11 см² /с.