5.1.1 Простая диффузия

Диффузия - самопроизвольное перемещение вещества из мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией вещества вследствие хаотического теплового движения молекул. Диффузия вещества через липидный бислой вызывается градиентом концентрации в мембране. Плотность потока вещества по закону Фика составляет

C^М₂ − C^М₁ C^М₁ − C^М₂

j_m = − D ∙ grad ∙ C ≈ − D ∙ ————— = D ∙ —————, (5.9)

l l

где: C^М₁ – концентрация вещества в мембране около одной ее поверхности; C^М₂ – около другой; l – толщина мембраны.

Рис.5.3.Основные разновидности простой диффузии через мембрану: а – через липидный бислой; б – через пору в липидном бислое; в – через белковую пору.

Градиент концентраций приблизительно равен (C^М₂ − C^М₁) / l (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Схема процесса простой диффузии через липидный бислой мембраны.

Так как измерить концентрации C^М₁ и C^М₂ трудно, на практике пользуются формулой, связывающей плотность потока вещества через мембрану с концентрациями этого вещества не внутри мембраны, а снаружи в растворах около поверхностей мембраны, то есть C₁ и C₂:

j_m = Р_ПР ∙ (C₁ − C₂), (5.10)

где: Р_ПР – коэффициент проницаемости мембраны. Плотность потока вещества j имеет размерность моль/м²∙с, концентрация С – моль/м³, размерность коэффициента проницаемости Р_ПР – м/с.

Коэффициент проницаемости мембраны зависит от ее свойств и свойств переносимых веществ. Если считать концентрации веществ у поверхности в мембране прямо пропорциональными концентрациям у поверхности вне мембраны, то

C^М₁ = К ∙ С₁; C^М₂ = К ∙ С₂. (5.11)

Величина К носит название коэффициента распределения, который показывает соотношение концентрации вещества вне мембраны и внутри ее. Подставив уравнения (5.11) в (5.9), получим:

D ∙ K ∙ (C₁ − C₂)

j_m = ———————. (5.12)

l

Из уравнений (5.10) и (5.12) вытекает, что коэффициент проницаемости равен:

D ∙ K

Р_ПР = ———. (5.13)

l

Коэффициент проницаемости тем больше, чем больше коэффициент диффузии или чем меньше вязкость мембраны, то есть чем тоньше мембрана (меньше расстояние l) и чем лучше вещество растворяется в мембране (чем больше К).

Хорошо растворимы в фосфолипидной мембране неполярные вещества, например органические жирные кислоты и эфиры. Эти вещество хорошо проходят через липидную фазу мембраны. Плохо проходят через липидный бислой полярные, водорастворимые вещества: неорганические соли, основания, сахара, аминокислоты, спирты.

Через мембрану хорошо проникают полярные молекулы вода. Проникновение мелких полярных молекул через липидный бислой связывают с фазовыми переходами мембраны: с образованием между жирнокислотными хвостами фосфолипидных молекул при их тепловом движении небольших свободных полостей – кинков. Кинки образованы Гош-транс-гош конформацией липидных молекул (см. разд. 4.3 – гипотеза петли или кинка). Вследствие теплового движения хвостов кинки могут перемещаться поперек мембраны и переносить попавшие в них мелкие молекулы, в первую очередь молекулы воды.

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

Избирательность переноса обеспечивается набором в мембране пор определенного радиуса, соответствующих размеру проникающей частицы. Это распределение зависит от мембранного потенциала и размера гидратной оболочки. Существует теория, согласно которой гидратированный ион при вхождении в пору послойно теряет гидратные оболочки. Обычно у иона три гидратные оболочки, но при прохождении поры он остается только с одной оболочкой.