Ответы на вопросы по медицинской химии.

1. Медицинская химия.Фармакология. Разделы фармакологии.

Медицинская химия - научная дисциплина, включающая в себя аспекты биологии, медицины, фармацевтики. Занимается обнаружением, идентификацией, разработкой и получением биологически активных соединений, изучением их метаболизма, интерпретацией способа действия на молекулярном уровне и созданием зависимостей «структура-активность».Название медицинская химия созвучно английскому словосочетанию medicinal chemistry, тогда как в России существует наука под названием медицинская химия, которая изучает химические вещества в рамках клинической медицины.В настоящее время около 70 % лекарственных препаратов — продукты синтетической химии, а остальные 30 % — фитохимии.Вполне возможно, что кто-либо из вас после окончания химико-технологического факультета будет работать в области, где потребуются знания связанные с медицинской химией. Например при поиске новых биологи­чески активных соединений. Именно поэтому мы с вами разберем вопросы,, охватывающие теоретические проблемы фармакологии, включающие сведения о рецепторах, медиаторах, антиметаболитах, переносе биоло­гически активных соединений через мембраны и других фундаменталь­ных биологических вопросах. Затронем также базисные понятия биохимии, такие как свойства ферментов, метаболизм, гликолиз, цикл лимонной кислоты, перенос электронов, свойства нуклеиновых кислот, коферментов, ви­таминов, гормонов и др. Фармакология - (от греч. φάρμακον — «лекарство», «яд» и λόγος — «наука», «учение») — медико-биологическая наука о лекарственных веществах и их действии на организм; в более широком смысле — наука о физиологически активных веществах вообще и их действии на биологические системы.

Классификация лекарственных средств Итак, что же такое лекарство? Определений лекарств много, все они в той или иной мере отражают особенности применения химических веществ, индивидуальных или смесей соединений для охраны здоровья. Лекарствами можно назвать соединения природного или синтетичес­кого происхождения, использующиеся для профилактики, диагностики или модификации функционирования отдельных органов, биологичес­ких структур в организме человека или животного, прошедшие клинические испытания и разрешенные к применению для профилактики, диагностики и лечения заболеваний. Другое определение связано с так называемой избирательной токсичностью — в этом слу­чае лекарствами называются химические соединения, синтетические или природные, которые оказывают влияние на определенные клетки, не затрагивая своим воздействием других, даже близко примыкающих клеток.Проблема классификации лекарств является важной и серьезной проблемой, т.к. создание порядка в таком многообразии в настоящее время необходимо для исследований рациональных подходов как к применению известных, так и созданию новых лекарственных средств.

1. Терапевтическому применению. Например, препараты для лечения опухолей, снижения артериального давления, противомикробные.

2. Фармакологическому действию, т.е. вызываемому эффекту (вазодилататоры - расширяющие сосуды, спазмолитики - устраняющие спазм сосудов, анальгетики - снижающие болевое раздражение).

3. Химическому строению. Группы лекарственных препаратов, сходных по своему строению. Таковы все салицилаты, полученные на основе ацетилсалициловой кислоты - аспирин, салициламид, метилсалицилат и т.д.

4. Нозологическому принципу. Ряд различных лекарств, применяемых для лечения строго определенной болезни (например, средства для лечения инфаркта миокарда, бронхиальной астмы и т.д.).

Анатомо-терапевтическо-химическая классификация — международная система классификации лекарственных средств. Используются сокращения: латиницей АТС (от Anatomical Therapeutic Chemical) или русское: АТХ (анатомо-терапевтическо-химическая). Полное английское название — Anatomical Therapeutic Chemical Classification System; по-русски часто пишут сокращенно, Анатомо-терапевтическая классификация. Классификация ведётся Сотрудничающим центром ВОЗ (Всеми́рная организа́ция здравоохране́ния (ВОЗ, англ. World Health Organization, WHO) — специальное агентство Организации Объединённых Наций, состоящее из 193 государств-членов, основная функция которого лежит в решении международных проблем здравоохранения и охране здоровья населения мира. Она была основана в 1948г. со штаб-квартирой в Женеве в Швейцарии.) по методологии статистики лекарственных средств в Осло, Норвегия. Принята Минздравом РФ («Государственный реестр лекарственных средств», МЗ РФ, Москва, 2002).Основное назначение ATC — представление статистических данных о потреблении лекарственных средств.АТС подразделяет лекарственные средства на группы, имеющие 5 различных уровней:анатомический орган или система;основные терапевтические /фармакологические;терапевтические/фармакологические;терапевтические/фармакологические/основные химические;по химической структуре.

Каждая группа в зависимости от уровня имеет буквенный или цифровой код.В большинстве случаев каждому лекарственному средству присваивается только один АТС-код. Лекарственным средствам, имеющим несколько основных показаний для медицинского применения, может быть присвоено более одного АТС-кода.2. В России более привычно деление на Фармакологические группы. Перечень фармакологических групп содержится в фармакологическом указателе. Фармакологический указатель — указатель групп лекарственных средств в соответствии с их действием и / или предназначением.

В фундаментальном труде Михаила Давыдовича Машковского «Лекарственные препараты» предложены следующие основные группы лекарственных средств:

1. Лекарственные средства, действующие преимущественно на центральную нервную систему (ЦНС).

2. Лекарственные средства, действующие преимущественно на пе­ риферические нейромедиаторные процессы.

3. Средства, действующие преимущественно на чувствительные не­ рвные окончания.

4. Средства, действующие на сердечно-сосудистую систему.

5. Средства, усиливающие выделительную функцию почек.

6. Средства, стимулирующие и расслабляющие мускулатуру матки.

7. Средства, регулирующие метаболические процессы.

8. Антигипоксанты и антиоксиданты.

9. Иммуномодуляторы и иммунокорректоры 10. Противомикробные, противовирусные и противопаразитарные средства.

11. Препараты для лечения онкологических заболеваний.

12. Рентгеноконтрастные и другие диагностические средства.

Мы с вами будем придерживаться именно классификации М-Д- Машковского.

ОБЩИЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ФАРМАКОЛОГИИ

Взаимодействие лекарств с системами организма основано на об­разовании их связи с различными биосубстратами. Это первоначаль­ное взаимодействие определяет дальнейшие эффекты вплоть до наступ­ления лечебного действия. Понятно, что начальной стадией всей совокупности сложнейших процессов, протекающих в организме пос­ле введения лекарственного средства, является доставка его к месту действия, распределение его по органам и тканям, превращение в раз­личные вещества и комплексы, накопление лекарства и продуктов его трансформации в различных структурах организма и, наконец, его выведение.

Лишь после введения лекарственного средства в организм и созда­ния его оптимальной концентрации в органах и тканях можно ожидать эффективного ответа, зависящего от характера препарата, механизма его действия, способности его вызывать те или иные эффекты.

В настоящее время фармакологию, в соответствии с вышесказан­ным, подразделяют на два основных раздела —фармакокинетику и фармакодинамику.

1.фармакокинетику, ис­следующую основные проблемы, связанные с всасыванием, распреде­лением, депонированием, метаболизмом и выведением лекарств и

2. фармакодинамику, рассматривающую биологические эффекты введен­ного препарата и изучающую механизмы его биологического действия.

2. Строение клетки. Основные клеточные структуры.

Структура цитоплазмы. Жидкую составляющую цитоплазмы также называют цитозолем. Под световым микроскопом казалось, что клетка заполнена чем-то вроде жидкой плазмы или золя, в котором «плавают» ядро и другие органоиды. На самом деле это не так. Внутреннее пространство эукариотической клетки строго упорядочено. Передвижение органоидов координируется при помощи специализированных транспортных систем, так называемых микротрубочек, служащих внутриклеточными «дорогами» и специальных белков динеинов и кинезинов, играющих роль «двигателей». Отдельные белковые молекулы также не диффундируют свободно по всему внутриклеточному пространству, а направляются в необходимые компартменты при помощи специальных сигналов на их поверхности, узнаваемых транспортными системами клетки.

Эндоплазматический ретикулум

В эукариотической клетке существует система переходящих друг в друга мембранных отсеков (трубок и цистерн), которая называется эндоплазматическим ретикулумом (или эндоплазматическая сеть, ЭПР или ЭПС). Ту часть ЭПР, к мембранам которого прикреплены рибосомы, относят к гранулярному (или шероховатому) эндоплазматическому ретикулуму, на его мембранах происходит синтез белков. Те компартменты, на стенках которых нет рибосом, относят к гладкому (или агранулярному) ЭПР, принимающему участие в синтезе липидов. Внутренние пространства гладкого и гранулярного ЭПР не изолированы, а переходят друг в друга и сообщаются с просветом ядерной оболочки.

[Править] Аппарат Гольджи

Аппарат Гольджи представляет собой стопку плоских мембранных цистерн, несколько расширенных ближе к краям. В цистернах аппарата Гольджи созревают некоторые белки, синтезированные на мембранах гранулярного ЭПР и предназначенные для секреции или образования лизосом. Аппарат Гольджи асимметричен — цистерны располагающиеся ближе к ядру клетки (цис-Гольджи) содержат наименее зрелые белки, к этим цистернам непрерывно присоединяются мембранные пузырьки — везикулы, отпочковывающиеся от эндоплазматического ретикулума. По-видимому, при помощи таких же пузырьков происходит дальнейшее перемещение созревающих белков от одной цистерны к другой. В конце концов от противоположного конца органеллы (транс-Гольджи) отпочковываются пузырьки, содержащие полностью зрелые белки.

Ядро

Клеточное ядро содержит молекулы ДНК, на которых записана генетическая информация организма. В ядре происходит репликация — удвоение молекул ДНК, а также транскрипция — синтез молекул РНК на матрице ДНК. В ядре же синтезированные молекулы РНК претерпевают некоторые модификации (например, в процессе сплайсинга из молекул матричной РНК исключаются незначащие, бессмысленные участки), после чего выходят в цитоплазму. Сборка рибосом также происходит в ядре, в специальных образованиях, называемых ядрышками. Компартмент для ядра — кариотека — образован за счёт расширения и слияния друг с другом цистерн эндоплазматической сети таким образом, что у ядра образовались двойные стенки за счёт окружающих его узких компартментов ядерной оболочки. Полость ядерной оболочки называется люменом или перинуклеарным пространством. Внутренняя поверхность ядерной оболочки подстилается ядерной ламиной, жесткой белковой структурой, образованной белками-ламинами, к которой прикреплены нити хромосомной ДНК. В некоторых местах внутренняя и внешняя мембраны ядерной оболочки сливаются и образуют так называемые ядерные поры, через которые происходит материальный обмен между ядром и цитоплазмой.

Лизосома — небольшое тельце, ограниченное от цитоплазмы одинарной мембраной. В ней находятся литические ферменты, способные расщепить все биополимеры. Основная функция — аутолиз — то есть расщепление отдельных органоидов, участков цитоплазмы клетки.

Цитоскелет элементам цитоскелета относят белковые фибриллярные структуры, расположенные в цитоплазме клетки: микротрубочки, актиновые и промежуточные филаменты. Микротрубочки принимают участие в транспорте органелл, входят в состав жгутиков, из микротрубочек строится митотическое веретено деления. Актиновые филаменты необходимы для поддержания формы клетки, псевдоподиальных реакций. Роль промежуточных филаментов, по-видимому, также заключается в поддержании структуры клетки. Белки цитоскелета составляют несколько десятков процентов от массы клеточного белка.

Центриоли

Центриоли представляют собой цилиндрические белковые структуры, расположенные вблизи ядра клеток животных (у растений центриолей нет). Центриоль представляет собой цилиндр, боковая поверхность которого образована девятью наборами микротрубочек. Количество микротрубочек в наборе может колебаться для разных организмов от 1 до 3.

Вокруг центриолей находится так называемый центр организации цитоскелета, район в котором группируются минус концы микротрубочек клетки.

Перед делением клетка содержит две центриоли, расположенные под прямым углом друг к другу. В ходе митоза они расходятся к разным концам клетки, формируя полюса веретена деления. После цитокинеза каждая дочерняя клетка получает по одной центриоли, которая удваивается к следующему делению. Удвоение центриолей происходит не делением, а путём синтеза новой структуры, перпендикулярной существующей.

Центриоли, по-видимому, гомологичны базальным телам жгутиков и ресничек.[Митохондрии

Митохондрии — особые органеллы клетки, основной функцией которых является синтез АТФ — универсального носителя энергии. Дыхание (поглощение кислорода и выделение углекислого газа) происходит также за счёт энзиматических систем митохондрий.

Внутренний просвет митохондрий, называемый матриксом отграничен от цитоплазмы двумя мембранами, наружной и внутренней, между которыми располагается межмембранное пространство. Внутренняя мембрана митохондрии образует складки, так называемые кристы. В матриксе содержатся различные ферменты, принимающие участие в дыхании и синтезе АТФ. Центральное значение для синтеза АТФ имеет водородный потенциал внутренней мембраны митохондрии.Митохондрии имеют свой собственный ДНК-геном и прокариотические рибосомы, что безусловно указывает на симбиотическое происхождение этих органелл. В ДНК митохондрий закодированы совсем не все митохондриальные белки, большая часть генов митохондриальных белков находятся в ядерном геноме, а соответствующие им продукты синтезируются в цитоплазме, а затем транспортируются в митохондрии. Геномы митохондрий отличаются по размерам: например геном человеческих митохондрий содержит всего 13 генов. Самое большое число митохондриальных генов (97) из изученных организмов имеет простейшее Reclinomonas americana.

Сопоставление про- и эукариотической клетокОсновная статья: Сравнение строения клеток бактерий, растений и животныхНаиболее важным отличием эукариот от прокариот долгое время считалось наличие оформленного ядра и мембранных органоидов. Однако к 1970—1980-м гг. стало ясно, что это лишь следствие более глубинных различий в организации цитоскелета. Некоторое время считалось, что цитоскелет свойственен только эукариотам, но в середине 1990-х гг. белки, гомологичные основным белкам цитоскелета эукариот, были обнаружены и у бактерий.

Именно наличие специфическим образом устроенного цитоскелета позволяет эукариотам создать систему подвижных внутренних мембранных органоидов. Кроме того, цитоскелет позволяет осуществлять эндо- и экзоцитоз (как предполагается, именно благодаря эндоцитозу в эукариотных клетках появились внутриклеточные симбионты, в том числе митохондрии и пластиды). Другая важнейшая функция цитоскелета эукариот — обеспечение деления ядра (митоз и мейоз) и тела (цитотомия) эукариотной клетки (деление прокариотических клеткок организовано проще). Различия в строении цитоскелета объясняют и другие отличия про- и эукариот — например, постоянство и простоту форм прокариотических клеток и значительное разнообразие формы и способность к её изменению у эукариотических, а также относительно большие размеры последних. Так, размеры прокариотических клеток составляют в среднем 0,5—5 мкм, размеры эукариотических — в среднем от 10 до 50 мкм. Кроме того, только среди эукариот попадаются поистине гигантские клетки, такие как массивные яйцеклетки акул или страусов (в птичьем яйце весь желток — это одна огромная яйцеклетка), нейроны крупных млекопитающих, отростки которых, укрепленные цитоскелетом, могут достигать десятков сантиметров в длину.

3. Распределение лекарств. Биологические мембраны. Строение мембранных липидов.

После всасывания и абсорбции вещества попадают в кровь, кото­рая разносит их по органам и тканям, и в зависимости от их физико-химических свойств, типов преграждающих биологических барьеров и Др., они распространяются, как правило, весьма неравномерно, в тех или иных органах и тканях.

В этом отношении весьма важны связи, возникающие между ле­карственным средством и биосубстратами — нейтральные молекулы в наибольшей степени накапливаются в липидах, катионы — в рибо­нуклеиновых кислотах и гликопротеинах, обладающих кислотными свойствами, анионы — в альбумине — белке, содержащем 109 кати-онных и 120 анионных групп. Несмотря на преобладание анион-содержащих фрагментов, альбумин связывает именно анионы, вероятно из-за большей пространственной доступности своих катионных груп­пировок. Фактор избирательности распределения играет огромную роль для активности лекарственных средств. Например, тетрациклины пре­имущественно накапливаются в клетках бактерий, но не млекопитающих. Суть в том, что проницаемость цитоплазматических мембран бактерий для тетрациклинов выше, что вызывает ингибирование рибосомного синтеза белка у бактерий, приводящее к их гибели, при не слишком значительном токсическом эффекте на клетки хозяина. Дру­гой пример: большинство опухолевых клеток захватывает урацил много активнее, чем здоровые клетки — отсюда эффективное применение в качестве противоопухолевого средства 5-фторурацила.

Понятно, что распределение лекарств в организме критически за­висит от их способности проникать через биологические мембраны, от свойств этих мембран, их типов. К числу особенностей строения мем­бран относится то, что они состоят из фосфолипидного бислоя, части мембран могут быть покрыты белковым слоем, который иногда прони­зывает ее насквозь, образуя поры или каналы. Белки определяют и функциональные свойства мембран и отвечают за прием и трансфор­мацию химических сигналов гормонов, нейромедиаторов, факторов роста, и участвуют в транспорте ионов. Липиды мембран состоят из лецитина (фосфатидилхолина), триацилглицеринов (обычные жиры), жирных кислот и холестерина. Обычно наружная поверхность бислоя — это нейтральные липиды, в то время как на внутренней стороне со­средоточены отрицательно заряженные компоненты. Обязателен избы­ток ионов кальция, обеспечивающий стабилизацию мембран и функ­ционирование ионных каналов. Конечно, мембраны различных клеток различны. Так, мембраны животных клеток — это, в основном, фосфолипиды, кроме того, в жирах этих мембран имеется холестерин, в структуру жиров входит фрагмент арахидоновой кислоты .

Эргостерин

Необходимый компонент мембран грибов — эргостерин, а клеточ­ные мембраны бактерий содержат аминокислоты, и белковые фракции, к одной из которых присоединена ДНК одиночной бактериальной хро­мосомы. Содержат они, также, РНК, пермеазы и ферменты, синтези­рующие клеточную стенку.

Мембраны, через которые необходимо проникнуть веществу для проявления биологической активности, разделяются на несколько ти­пов. Наиболее простые мембраны, состоящие из липидов и белков — мембраны, перенос через которые осуществляется за счет простой диффузии. Очевидно, что в этом случае скорость переноса определяется различием концентраций вещества (или веществ) по обе стороны мем­браны и процесс может протекать только до выравнивания концентра­ций, т.е. до достижения равновесия. Для этих мембран характерно, что скорость проникновения вещества через мембрану зависит, как прави­ло, отлипофильности соединения и тем выше, чем более жирораство­римо переносимое через мембрану вещество (до определенного преде­ла — см. Ы.Б.З),

Для второго типа мембран характерно наличие специфической си­стемы, облегчающей перенос соединения через мембрану, т.е. способствующей диффузии. И в этом случае, равенство концентраций приводит к остановке процесса проникновения. В этом случае также отсутствует потребление энергии при транспорте. Однако, различие с первым типом мембран заключается в том, что возможен перенос, причем облегченный перенос, соединений, которые без переносчика проникнуть через мем­брану не могут. Например, диффузия молекулы холина (средство для лечения заболеваний печени) через мембраны первого типа практически невозможна из-за наличия тетраалкиламмониевой группы (целочислен­ный положительный заряд), но специфический переносчик быстро до­ставляет холин в эритроциты и другие клетки.

Понятно, что проницаемость этих мембран ограничивается, напри­мер, способностью переносчика к насыщению — в этом случае даже если имеются различия в концентрациях переносимого вещества по обе стороны мембраны, процесс заторможен.

Существенно, что ингибирование переноса зачастую может быть достигнуто при наличии структурно сходных с основным субстратом веществ. С другой стороны, очень важно, что переносчики обладают высокой химической специфичностью и в некоторых случаях способ­ны «узнавать» свой субстрат даже при наличии в среде структурных аналогов (даже стереоизомеров). Дополнительным примером (наряду

Еще один весьма важный вид мембран — мембраны, через которые возможен транспорт против градиента концентрации, так называемый активный транспорт, который требует потребления энергии, для кото­рого также свойственна способность переносчика к насыщению и ко­торый, как это свойственно для энергетически зависимых процессов, зависит от температуры. Примеров активного транспорта весьма мно­го, приведем некоторые из них: транспорт катионов калия и натрия в клетки млекопитающих (положительный заряд ионов натрия и калия препятствует возможности проникновения их через мембраны путем простой диффузии). По той же причине выведение почечными каналь­цами различных ионизированных веществ нуждается в активном транс­порте. Тем же способом бактерии захватывают неорганические ионы, сахара и аминокислоты. Накопление различных веществ некоторыми органеллами протекает также с участием мембран этого типа — это относится к накоплению в митохондриях ионов натрия, калия, каль­ция и магния против градиента концентрации и накопление йода щи­товидной железой. Следует указать, что для активного транспорта ис­пользуются различные ферменты, такие как, например, K*/Na+ АТФаза для переноса этих ионов во все клетки, или Ca?*/Mg2' АТФаза для пе­реноса кальция в мышечные клетки. Интересно, что регулирование проницаемости мембран эритроцитов для углекислого газа осуществ­ляет специальный ионообменный белок, а проницаемость мембран нервных и мышечных клеток изменяется при взаимодействии ацетил-холина с холинорецелтором.

Здесь уместно указать, что сушествуют и не совсем обычные, «не­прямые» способы проникновения веществ через клеточные мембраны.

В первую очередь, к ним относятся пиноцитоз и фагоцитоз (расшифровка терминов). При пиноцитозе мембрана образует «впячивания», которые далее преобразу­ются в пузырьки. Мембрана восстанавливается и эти пузырьки оказы­ваются вне клетки, если они образовывались на внутренней стороне мембраны или внутри клетки — если они возникли на внешней её поверхности. Таким образом, вещества находившиеся вне клетки по­падают внутрь и наоборот. Таким образом через мембрану проникают молекулы, которые по своим размерам слишком велики для диффузии. Сходство с пиноцитозом имеет и фагоцитоз — это проникновение еще более крупных молекул. Ферменты и гормоны как бы выдавливаются из клеток в виде пузырьков, окруженных лиПидными мембранами. Это, например, способ, который используется организмом для «выдавлива­ния» гидролитических ферментов поджелудочой железы в виде, так называемых, зимогеновых гранул, Таково же происхождение пузырь­ков, в которых медиатор центральной нервной системы — ацетилхолин — высвобождается из нервных окончаний и гранул, в виде которых другой медиатор — норадреналин выделяется из мозгового вещества надпочечников.

Весьма интересен процесс активного транспорта аминокислот из мочи в почечные канальцы — здесь участие в процессе принимает фермент — глутамилтрансфераза, который катализирует образование из аминокислот и глутатиона γ-глутамилпроизводных, уже способных (в отличие от аминокислот, находящихся в цвиттерионной форме) проникать в клетку, Далее — гидролитическое расщепление и регене­рация исходных молекул.

Наконец, укажем еще и на мембраны четвертого типа имеющие те же свойства, что и мембраны первого типа, но отличающиеся опреде­ленным размером пор — здесь примером являются почечные клубоч­ки, пропускающие любые молекулы, размеры которых (~3 нм) мень­ше, чем молекулы альбумина.

Итак, перенос через липопротеидные мембраны осуществляется различными способами. Очевидно, что для простых мембран, для про­никновения через которые не требуется потребления энергии, диффу­зия крайне затруднительна для' ионов — и потому, что мембрана имеет заряд, вследствие чего разноименные ионы «прилипают» к ней, а од­ноименные ионы отталкиваются от нее, и потому, что ионы в организ­ме гидратированы, что многократно увеличивает их размеры.

Особо следует сказать о проникновении лекарств (и вообше ксено­биотиков) в мозг, Диффузия в мозг затруднена сильнее, чем в любые другие ткани организма. Гемато-энцефалический барьер (ГЭБ), защищающий мозг от посторонних веществ имеет наиболее плотное пере­крывание клеток и, будучи «проходим» для многих липофилъных со­единений, совершенно непроницаем для ионов. Однако, это — в нор­ме. При воспалительных процессах картина меняется и многие вещества уже могут проходить ГЭБ. После преодоления ГЭБ вещество должно еще проникнуть через мембраны внутри мозга и распределиться по его отделам. Такие высоколипофильные соединения, как аминазин, тио-пентал, ДДТ даже после перорального введения обнаруживаются в се­ром веществе, а через некоторое время накапливаются в белом веще­стве головного мозга.

4. Перенос веществ через мембрану. Диффузия, облегченная диффузия. Активный транспорт. Пиноцитоз, фагоцитоз.

Пассивный транспорт — перенос веществ по градиенту концентрации из области высокой концентрации в область низкой, без затрат энергии (например, диффузия, осмос). Диффузия — пассивное перемещение вещества из участка большей концентрации к участку меньшей концентрации. Осмос — пассивное перемещение некоторых веществ через полупроницаемую мембрану (обычно мелкие молекулы проходят, крупные не проходят).

Существует три типа проникновения веществ в клетку через мембраны: простая диффузия, облегчённая диффузия, активный транспорт. Иногда необходимо, чтобы внутри клетки концентрация вещества была высокой даже при низкой концентрации его во внеклеточной жидкости (например, для ионов калия). И наоборот, концентрацию других ионов внутри клетки важно сохранять на низком уровне, несмотря на их высокие концентрации вне клетки (например, для ионов натрия). Ни в одном из этих двух случаев это не может обеспечиваться простой диффузией, итогом которой всегда является уравновешивание концентрации ионов по обе стороны мембраны. Для создания избыточного движения ионов калия внутрь клетки, а ионов натрия — наружу необходим некий источник энергии. Процесс перемещения молекул или ионов через клеточную мембрану против градиента концентрации (или против электрического градиента, а также градиента давления) называют активным транспортом.

К веществам, активно транспортируемым, по крайней мере, через некоторые клеточные мембраны, относят ионы натрия, калия, кальция, железа, водорода, хлора, йода, мочевой кислоты, некоторые сахара и большинство аминокислот.

Первично активный и вторично активный транспорт. В зависимости от источника используемой энергии активный транспорт подразделяется на два типа: первично активный и вторично активный. Для первично активного транспорта энергия извлекается непосредственно при расщеплении аденозинтрифосфата или некоторых других высокоэнергетических фосфатных соединений. Вторично активный транспорт обеспечивается вторичной энергией, накопленной в форме разности концентраций побочных веществ, молекул или ионов, по обе стороны клеточной мембраны, созданной первоначально первично активным транспортом. В обоих случаях, как и при облегченной диффузии, транспорт зависит от белков-переносчиков, пронизывающих клеточную мембрану. Однако функции белков-переносчиков при активном транспорте отличаются от переноса облегченной диффузией, поскольку в первом случае белки способны передавать энергию транспортируемому веществу для его перемещения против электрохимического градиента. Далее приведены примеры первично активного и вторично активного транспорта с более детальными объяснениями принципов их функционирования.