Пассивный транспорт веществ через биологические мембраны. Простая и облегченная диффузия

Семинарское занятие 6 по дисциплине «Медицинская и биологическая физика» для специальности «Стоматология»

Тема: Транспорт веществ через биологические мембраны. Мембранные потенциалы клетки.

 

1. Пассивный транспорт веществ через биологические мембраны. Простая и облегченная диффузия.

2. Математическое описание процесса пассивного транспорта.

3. Активный транспорт ионов. Механизм активного транспорта ионов на примере натрий-калиевого насоса.

4. Возникновение мембранных потенциалов клетки. Равновесные потенциалы. Уравнение Нернста.

5. Потенциал покоя клетки (уравнение Гольдмана, Ходжкина, Катца).

 

 

Пассивный транспорт веществ через биологические мембраны. Простая и облегченная диффузия.

Любая клетка организма имеет наружную оболочку – мембрану. Ее часто называют цитоплазматической. Основу мембраны составляет двойной слой липидов (липидный бислой). (Рис. 1).

 

Рис. 1 Структура мембраны

 

Особенностью липидной молекулы является то, что она состоит из двух частей с разными электрическими свойствами (Рис. 2). Во-первых, из головки, которая имеет отрицательный электрический заряд или неравный нулю дипольный момент, в этом случае она похожа на электрический диполь. Головка – это полярная часть молекулы липида.

 

 

Рис. 2. Схематическая структура молекулы фосфолипида

 

Напомним, что если молекула или часть молекулы имеют неравный нулю дипольный момент или электрический заряд, то их называют полярными. Головка хорошо взаимодействует с другими полярными молекулами, например, с водой. Поэтому ее еще называют гидрофильной частью липида.

Вторая часть липидной молекулы – два неполярных хвоста (Рис. 2). Они не взаимодействуют с водой, но взаимодействуют с неполярными молекулами. Хвосты – гидрофобная часть липида.

В состав мембраны входят также белки. Часть этих белков проходит через всю толщину мембраны и образует белковые поры и каналы (Рис 1).

Мембрана регулирует поступление в клетку молекул и ионов и выход их наружу из клетки.

Рассмотрим транспорт (перенос) веществ через клеточную мембрану.

Транспорт (перенос) веществ называется пассивным, если клетка не тратит на него энергию метаболических процессов, которые в ней происходят.

Существует три вида пассивного транспорта различных веществ через мембрану (Рис. 3):

1. Перенос веществ путем их растворения в липидном бислое. Именно так неполярные, главным образом, органические вещества движутся из области их большей концентрации в область меньшей концентрации через липидный бислой мембраны. (рис. 3а). Так переносятся многие лекарственные препараты и кислород.

Рис. 3 а – диффузия путем растворения в липидном бислое;

б – диффузия через каналы; в – облегченная диффузия с помощью подвижного переносчика;

г – облегченная диффузия путем эстафетного переноса

 

2. Перенос веществ через белковые каналы и поры, образованные интегральными белками в мембране. Так проникают неорганические полярные молекулы и ионы металлов, нерастворимые в липидах (рис. 3б).

Отметим различие пор и каналов. Поры пропускают все молекулы, диаметр которых меньше диаметра поры. Каналы специфичны для каждого вида ионов (Na⁺, Ca²⁺ и т.д.). В последнее время открыты каналы, предназначенные только для транспорта воды – аквапорины.

Первый и второй виды пассивного транспорта называются простой диффузией.

3. Облегченная диффузия. В этом случае перенос вещества через мембрану происходит с помощью специальных молекул – переносчиков, причем, с большей скоростью, чем при простой диффузии. Так переносятся D-глюкоза, L-аминокислоты, ряд ионов металлов и т.д.

Для каждого вещества или иона существует свой определенный переносчик.

Известны два вида облегченной диффузии:

а) перенос с помощью подвижного переносчика: молекула переносчика захватывает вещество, которое нужно перенести на одной стороне мембраны и вместе с ним движется через липидный бислой на ее другую сторону. Затем возвращается назад и процесс повторяется (рис. 3в);

б) эстафетный перенос: молекулы-переносчики, которые "сидят" в мембране, передают друг другу переносимое вещество как спортсмены эстафетную палочку (рис. 3г).