Проницаемость клеточным мембран.
Живые клетки, как и организм в целом – открытая система с постоянным обменом вещества и энергии. В процессе этого обмена происходит проникновение веществ в клетке и из клетки.
С образованием в клетках электрических потенциалов, нарушение клеточной проницаемость приводит к патологическим изменениям, лечебное действие врача с назначением препарата связано с проникновением этих веществ в клетку и воздействие на ее функциональные свойства.
Задачи
Изучение механизма проникновения веществ через мембрану
Определение распределения веществ между внутриклеточной и внеклеточной средой.
Методы изучения проницаемости
Объемный метод. Основан на явлении осмоса. Определение массы клеток до и после помещения их в гипертонический раствор изучаемого вещества. Вещество проникает в клетку и увеличивается объем(из-за воды). Метод центрифугирования – определение эритроцитарной массы с помощью него. При фотометрии изменяется показатель проникновения веществ в клетку.
Индикаторный метод. Он сводится к определению прижизненной окраски. Качественный метод, т.к. поступление вещества определяется по изменению окраски индикатора, который предварительно вводится в клетку. Используется для кислот и щелочей. Метод колориметрии может дать не только качественную, но и количественную оценку. Недостаток – малые концентрации плохо улавливаются, а большие – губительны для клетки.
Химический метод – исследует качественное и количественное определение веществ в клетках и окружающей среде.
Изотопный метод изучения проницаемости. Он позволяет изучить потоки любых веществ поступающих как в клетку, так и из нее. Метод позволяет работать на живых объектах и использовать малые концентрации изучаемых веществ. Позволяет изучать проникновение не только чужеродных веществ, но и веществ – компонентов данной клетки.
Метод измерения электропроводности. Применяется для измерения ионов. По изменению низкочастотного тока позволяет судить о проницаемости.
Физические факторы, обусловливающие пассивное проникновение веществ через мембрану.
Концентрационный(химический) градиент
Электрохимический градиент
Электростатический градиент(для процессов фильтрации)
Осмотический градиент
Градиент растворимости на границе двух несмешивающихся фаз, например липидной и водной
Они обеспечивают пассивное движение веществ.
Активная проницаемость, идет с затратами энергии, перенос осуществляется против градиента концентрации.
Основным видом пассивного транспорта будет являться диффузия - простая(через поры в липидном бислое, через белковую пору, либо через поры в липидном бислое) и облегченная с (фиксированным или подвижным переносчиком). К пассивному транспорту относится осмос и фильтрация – перемещения вещества и растворителя.
Диффузия является основным путем переноса веществ. Диффузия – самопроизвольный процесс проникновения веществ из области большей в область с меньшей концентрацией в результате теплового хаотического движения атомов и молекул. Кинетическая энергия – mV2 / 2.
Если частица имеет заряд включается еще электрохимический градиент.
Уравнение Нернста-Планка
Jm = URT dC/dx – UCZF dф/dx
U – подвижность частиц
С – концентрация
R – газовая постоянная
T- температура
Z – заряд иона
F – число Фарадея
Dx – толщина мембраны
dC/dx – градиент концентрации
dф/dx - градиент электрохимического потенциала
Закон Фика
Jm = -D dC/dx Jm = P(C1-C2)
Если нет заряда.
P – коэффициент проницаемости мембраны
P=DK/l
K – коэффициент распределения
Вещества в процессе диффузии проходят через поры мембраны – водорастворимые, полярные соединения и электролиты. Органические вещества проходят за счет растворения в липидах. Зависимость растворения веществ в липидах исследовалось Овертоном. Он показал если есть карбоксильные, гидроксильные и аминогруппы, то это ухудшает проникновение через мембрану. Присутствие же метиловых, этиловых и фенильных групп наоборот облегчает проникновение веществ в клетку. Они не полярные и это увеличивает растворения этих веществ в липидах.
Коэффициент распределения показывает отношение растворимости веществ в жирах к растворимости этих веществ в воде. Чем выше этот коэффициент, тем легче проникают вещества в клетку, вне зависимости от размеров молекулы. Если вещества имеют одинаковый коэффициент распределения, то более мелкие молекулы будут проникать легче чем крупные.
Водорасстворимые вещества проходят через поры мембран. Для того чтобы пройти через пору, вещество должно преодолеть определенные силы, которые препятствуют этому. Вещество должно освободится от водной или сольватной оболочки, раздвинуть поверхностный молекулярный слой на границе клетки и омывающего раствора, преодолеть взаимодействие своих полярных групп и полярных групп поры мембран, преодолеть энергетический барьер, создаваемый на поверхности цитоплазмы ионами и коллоидами.
Проницаемость ионов через мембрану.
Она зависит от следующих факторов.
Размер кристаллического радиуса
Размер гидратной оболочки и ее прочности
От валентности иона, которая определяется величиной заряда
От фазовых переходов мембраны из жидкокристаллического состояния в гель и обратно. Радиус гидратирвоанного иона будет определяться кристаллическим радиусом и наличием одной или нескольких гидратных оболочек. Водная оболочка у анионов на 18% компактнее чем у катионов. Анионы лучше проходят через мембрану. При прохождении через пору ион сохраняет одну гидратную оболочку, а остальные замещаются стенками поры. Легче это происходит, если меньше энергия гидратации.
На проникновение в клетку будет влиять заряд, т.к. происходит взаимодейтсвие с порой. Одновалентные ионы лучше чем 2х и чем 3х. Натрий, калий лучше, кальций, магний – лучше, совсем плохо – железо.
Состояние мембраны. Поры жидкого кристалла и геля. Кристалл(занимает большую плотность, за счет раздвижения жирных хвостов – 0,58 и 3,9). Гель – жирные хвосты параллельно расположены и площадь уменьшается до 0,48, но увеличивается толщина увеличивается до 4,7. Транс конфигурация – вытянуты и отклонения хвостов в Гош-транс-гош конфигурации.
В жидкокрситалическом состоянии в мембране есть микрополости – kink петля. эти микрополости захватываются ионы, вода и они могут перемещаться вдоль мембраны и мембрана осуществляет перенос.
Процесс диффузии может облегчаться за счет наличия переносчиков. Особенность облегченной диффузии, также как по градиенту концентрации, только быстрее. Обладает свойством транспортного максимума – нарастания скорости проницаемости вещества зависит от свободных переносчиков, но когда все переносчики заняты, скорость уменьшается. Увеличение скорости облегченной диффузии идет до определенного момента. Возможна конкуренция переносимых веществ, когда к переносчику присоединяются разные вещества.
Процесс фильтрации – видение раствора через пору в мембране под действием градиента давления.
Подчиняется уравеннию Пуазейля
dV/dt = пи R4(p1-p2) / 8lή
dV/dt=(p1-p2)/ w W=8lή/пи R4
r4 – радиус поры
l- длина поры
ή – вязкость жидкости
V – объем фильтрованной жидкости
W – гидлравлическое сопротивление
В капиллярах клубочков почек – булки не могут пройти через фильтр, они остаются в плазме и создают осмотическое давлении. Фильтрованная жидкость – создает гидростатическое давление, препядствующее фильтрации.
Большое значение в организме имеет осмос. Вода по законам осмоса из раствора с меньшей концентрацией веществ в раствор с большей концентрацией. Осмос – это диффузия молекул воды. Идее по градиенту осмотического давления (пи)
Пи=iRCT i-изотонический коэффициент диссоциации молекул.