4.5. Механизмы пассивного транспорта

 

Пассивный (т.е. не энергозависимый) перенос веществ через мембрану осуществляется в основном тремя путями (рис. 4–22). 1. Вещества, находящиеся в водной фазе по одну сторону мембраны, растворяются в липидном слое мембраны, диффундируют в глубь липидного или белкового слоя и, наконец, переходят в водную фазу с противоположной стороны мембраны. 2. Растворенные вещества остаются в водной фазе и диффундируют через водные каналы, т. е. через заполненные водой поры в мембране. 3. Молекулы растворенного вещества связываются с молекулами–переносчиками, встроенными в мембрану. Эти переносчики «опосредуют», или облегчают, диффузию растворенного вещества через мембрану. В тех случаях, когда диффундирующая молекула является неорганическим ионом, соответствующие каналы или переносчики называются ионофорами. Будучи жирорастворимыми, переносчики ускоряют диффузию растворенных веществ через мембрану по их концентрационному или электрохимическому градиенту. Этот процесс называется опосредованной (или облегченной) диффузией и может осуществляться несколькими способами.

 

Рис. 4.22. Три основных механизма переноса веществ через мембрану. А. Растворение в липидной фазе. Б. Диффузия через лабильные или фиксированные водные каналы. В. Транспорт, опосредованный переносчиком (облегченная диффузия или активный транспорт).

 

4.5.1. Простая диффузия через липидный бислой

 

Молекула растворенного вещества, контактирующая с липидным бислоем, может погрузиться в липидную фазу в силу теплового движения и пересечь липидный бислой, оказавшись в конечном счете в водной фазе по другую сторону мембраны. Чтобы перейти из водной фазы в липидную, растворенная в воде молекула должна сначала разорвать все водородные связи с водой. На это нужна энергия – около 5 ккал на моль водородных связей. Далее молекула должна раствориться в липидном бислое. Следовательно, вероятность того, что данная молекула пересечет мембрану, будет, в частности, зависеть от ее жирорастворимости. Таким образом, ясно, что молекулы, образующие с водой минимальное число водородных связей, будут быстро внедряться в липидный бислой, в то время как полярные молекулы, например неорганические ионы, вряд ли растворятся в нем.

На подвижность неэлектролитов внутри мембраны влияют такие факторы, как молекулярная масса и форма молекул [уравнение (4–4)], но основным параметром, определяющим скорость диффузии неэлектролита через липидный бислой, является его коэффициент распределения между липидной и водной фазами. Чтобы определить этот коэффициент, в пробирку наливают равное количество воды и оливкового масла, добавляют в эту смесь исследуемое  вещество, плотно закрывают пробирку и встряхивают ее. Затем определяют концентрацию вещества в масле и воде и находят коэффициент распределения по формуле

 

K = Концентрация вещества в липидной фазе /  Концентрация вещества в воде.          (4–10)

 

В конце XIX в. Овертон предположил, что проникающая способность неэлектролита коррелирует с его коэффициентом распределения между липидом и водой. Рунар Колландер (1937) провел систематическое исследование этой зависимости на гигантских клетках пресноводной водоросли Chara. Построенный им график зависимости проницаемости [уравнение (4–4)] от коэффициента распределения представлен на рис. 4.23. Из графика следует, что между жирорастворимостью и проникающей способностью вещества существует практически линейная зависимость. Спектр коэффициентов распределения для неэлектролитов весьма широк. Например, для уретана этот коэффициент в 1000 раз выше, чем для глицерола (рис. 4–23).

 

Рис. 4.23. Зависимость проницаемости мембраны для неэлектролитов от их коэффициентов распределения в системе масло/вода. Заметим, что проницаемость для неэлектролитов не зависит от размера молекул. (Collander, 1937.)

 

Причину такого различия можно выявить, сравнив структурные формулы двух молекул, гексанола и D–маннитола, показанные на рис. 4–24. Структура молекул совершенно идентична, за исключением того, что гексанол содержит только одну ОН¯–группу, а маннитол шесть. Гидроксильные группы образуют водородные связи с водой, благодаря чему снижается растворимость соответствующих веществ в липидах. Образование одной водородной связи приводит к уменьшению коэффициента распределения в 40 раз, что сопровождается уменьшением проникающей способности (рис. 4–25). Все это приводит к тому, что гексанол диффундирует через мембраны гораздо быстрее маннитола.

 

Рис. 4.24. Структурные формулы двух шестиуглеродных молекул – гексанола и маннитола. Обратите внимание на различие в числе гидроксильных групп. Гексанол слабо растворим в воде и хорошо растворим в липидах, тогда как маннитол хорошо растворим в воде и слабо –в липидах из–за своей способности образовывать водородные связи.

 

 

Рис. 4.25. Взаимосвязь между коэффициентом проницаемости и числом водородных связей, которые может образовывать молекула данного вещества. Чем больше число водородных связей, тем меньше растворимость в липидах и соответственно меньше коэффициент проницаемости. (Stein, 1967.)

 

 

Вода проникает через клеточные мембраны гораздо легче, чем это следует из ее коэффициента распределения (рис. 4–23). Отчасти это связано с тем, что вода может поступать в клетку через особые каналы, пронизывающие липидный бислой. Однако проницаемость для воды искусственных, не содержащих каналов липидных бислоев все же в несколько раз выше, чем та, что следует из растворимости воды в углеводородах с большой длиной цепи. По–видимому, это обусловлено тем, что маленькие незаряженные молекулы воды могут проходить сквозь временные каналы, образующиеся между молекулами липидов. Относительно высокой проникающей способностью при прохождении через искусственные и природные мембраны обладают и другие малые незаряженные полярные молекулы, например СО₂.

Простая диффузия через липидный бислой характеризуется кинетикой без насыщения (рис. 4–22, А). Скорость переноса увеличивается пропорционально концентрации растворенного вещества во внеклеточной жидкости, поскольку результирующая скорость переноса определяется разностью в числе растворенных молекул, соударяющихся с мембраной по разные ее стороны. Эта пропорциональность между концентрацией во внеклеточной среде и скоростью проникновения вещества в клетку в широком диапазоне концентраций отличает простую диффузию от переноса, осуществляемого через каналы или с помощью переносчика (рис. 4–22).