Наружный раствор

План лекции

1. Понятие о проницаемости биологической мембраны.

Пронецаемость клетки.

2. Виды пассивного транспорта: диффузия, облегченная диффузия,

осмос и фильтрация.

3. Ионоформ.

4. Активный транспорт и его механизм.

5. Транспорт веществ через ионные каналы.

Цель лекции: рассмотрение механизма проницаемости биомембраны и ее виды, пассивного и активного транспорт веществ, особенности транспорта веществ через ионных каналов.

Являясь открытой термодинамической системой, клетка постоянно осуществляет обмен веществ, обмен энергией и информацией с окружающей средой. Обмен осуществляется способностью клеток пропускать различные вещества через свою оболочку- мембрану. Это способность клеток называется проницаемостью. С переносом веществ через мембраны связаны процессы метаболизма клетки, физико-генетические процессы, образование биопотенциалов, генерация нервного импульса и др. Поэтому транспорт веществ через биологические мембраны необходимое условие жизни. Нарушение транспорта веществ через биомембраны приводит к различным патологиям. Поэтому изучение проницаемости имеет огромное теоретическое и практическое значения для медицины и фармации в частности.

Так, лечение часто связано с проникновением лекарств через клеточные мембраны. Эффективность лекарственного препарата в значительной степени зависит от проницаемости для него мембраны. Следовательно, для эффективного использования фармакологического средства необходимо знать их проникающую способность в различные клетки в норме и при патологии.

Транспорт веществ через биологические мембраны можно делить на два основных типа: пассивный и активный. Пассивным транспортом называется процесс при котором, вещество переносится от место с большей концентрацией С₁, к местам с меньшей концентрацией С₂, в электролитах- от мест с большим значением потенциала электрического поля j₁, к местам с меньшим электрическим потенциалом j₂ или от места с большим значением электрохимического потенциала m₁, к местам с меньшим электрохимическим потенциалом m₂. Во всех рассмотренных случаях перенос вещества происходит без затраты энергии из вне, а за счет энергии сконцентрированной в каком либо градиенте (концентрационном, электрическом, гравитационном и т.д.). Пассивный транспорт делятся на следующие виды: простая диффузия, облегченная диффузия, осмос и фильтация (рис.1).

Рис 1.

Рис.1

Рассмотрим механизм простой диффузий. Диффузия это самопроизвольное перемещение веществ из мест с большей их концентраций в мест с меньшей концентрации вследствие хаотического теплового движения молекул. Диффузия через липидный бислой вызывается градиентом концентрации в мембране и идет согласно закону Фика:

J = -D dc/dx

где J- плотность потока вещества, D- коэффициент диффузии, dc/dx- градиент концентрации. Градиент концентрации в мембране можно считать постоянной величиной, тогда dc/dx = с_м2 –с_м1/ l, где с_м2 - концентрация частиц на одной внутренней стороне мембраны, с_м1 - в другой внутренней стороне мембраны (рис 2)

С

с₁

среда 2

среда 1 с_м1

с₂

с_м2

х

l

Рис 2

Если подставим значение градиента в формулу Фика, получаем

J = -D(с_м2 –с_м1/ l)

Введем понятие коэффициента распределения вещества между мембраной и средой

К= с_м1/с₁ = с_м2/с₂

где с₁ и с₂ - концентрация вещества в среде 1 и 2 соответственно (рис 2).

Различия в значениях c_м1и с₁, с_м2 и с₂ объясняется различной растворимостью вещества в полярных и неполярных растворителях. Из выражении находим с_м1 = Kc₁, с_м2= Кс₂ и подставим их в формулу Фика

J = -DK(c₂-с₁)/ l

Введем обозначения Р = DK/ l назовем его как коэффициент проницаемости. Тогда формула Фика примет следующий вид:

J =-Р(с₂ – с₁),

где Р -характеризует способность мембраны пропускать те или иные вещества.

Уравнения- Фика описывает как пассивный транспорт незаряженных частиц, так и пассивный транспорт заряженных частиц в отсутствии электрического поля. Рассмотрим теперь транспорт ионов с учетом электрического поля внутри мембраны.

На отдельный ион в электрическом поле действует сила Кулона f₀ =qE, где Е- напряженность электрического поля, а заряд иона равна q= Ze, Z -валентность иона. Напряженность поля выражается через градиент электрического потенциала по формуле Е = - dj/dx. Тогда f₀ = -Ze dj/dx

Если умножим об стороны на постоянное Авогадро N_A получим f = -ZFdj/dx, где f= f₀N_A сила действующая на один моль ионов, F =eN_A постоянная Фарадея.

Помимо электрической силы на ионы действуют силы сопротивления среды (трения). Поэтому в среднем движения веществ в мембране является равномерным и характеризуется средней скоростью v которая пропорциональна силе действующий ионам v =bf, где b — называется коэффициентом подвижностью ионов. Подставим в эту формулу выражения силы f, получим

v = -bZF dj /dx

Известно, что поток вещества через мембраны выражается по формуле Ф =cS v. Подставив сюда значения средней скорости, получим уравнения для потока заряженных частиц в электрическом поле

Ф =- cSb ZF dj/dx

Плотность потока вещества определяется по формуле J = Ф/S, тогда

J = - cbZF dj/dx

В общем случае перенос частиц может осуществляется как под действием концентрационного градиента так и под действием градиента электрического поля, для этого случая формула имеет вид

J = -Ddc/dx- cbZF dj/dx

Это уравнение Нернста-Планка. Оно устанавливает зависимость плотность диффузионного потока ионов от концентрации ионов и от градиента потенциала. Для нейтральных частиц Z=0 уравнение Нернста -Планка переходит в уравнение Фика.

Таким образом мы установили численные закономерности пассивного переноса частиц через мембраны. Теперь рассмотрим виды пассивного переноса (Рис. 3).

Рис 3. А- простая диффузия, Б- транспорт через каналы, В-облегченная диффузия, Г- эстафетная передача.

1. Простая диффузия идет через липидный слой. Она подчиняется
уравнению Нернста -Планка. В живой клетке такая диффузия обеспечивает
прохождение кислорода и углекислого газа, ряда лекарственного вещества.
Однако простоя диффузия протекает очень медленно и не может снабдить
клетку в нужном количестве питательными веществами.

2. Облегченная диффузия. Пассивный транспорт с помощью
переносчиков называется облегченной диффузией. Она осуществляется
специальными молекулами белковой природы, их называют переносчиками-
белками. Переносчики обеспечивает транспорт веществ, которые сами по
себе проникают через мембрану крайне медленно из-за высокой
гидрофильности.

Транспорт веществ через липидный слой с помощью простой диффузии совершается с малой скоростью, особенно в случае заряженных частиц, и почти не контролируется. Поэтому в процессе эволюции для некоторых веществ появились специфические мембранные каналы и мембранные переносчики, которые способствует повышению скорости переноса и кроме того, осуществляют селективный(избирательный) транспорт. Существует переносчики для некоторых аминокислот, углеводов, пуриновых и пиримидиновых оснований, нуклеозидов. С помощью таких переносчиков происходит всасывание многих пищевых продуктов в кишечнике, процессы реабсорбции в почках и т.д. Общий поток веществ через мембрану при участий переносчиков состоит из потока, вызванного простой диффузией (рис 4,кривая 1) и потока, вызванного облеченной диффузией (рис 4, кривая 2). Скорость транспорта ионов посредством переносчиков равна 10^-4 ион/с.

J

Рис 4. 1-простая диффузия, 2- облегченная дифффузия,

3- суммарный поток

Транспорт ионов с помощью переносчиков называют индуцированным ионным транспортом, а сам перенсочик –ионофором. Структура ионофора таковы, что снаружи он покрыт неполярными группами, благодаря чему ему выгодно находиться в гидрофобной части мембраны, внутри ионофор имеет полости покрытую полярными группами, к которым и присоединяет ионы.

Транспорт ионов с помощью переносчиков называют индуцированным ионным транспортом, а сам переносчик -ионофором. Структура ионофора таковы, что снаружи он покрыт неполярными группами, благодаря чему ему выгодно находиться в гидрофобной части мембраны, внутри ионофор имеет полости покрытую полярными группами, к которым и присоединяет ионы. Многие ионофоры выделены из микроорганизмов, другие имеют синтетическую происхождения. Согласно формуле Борна, энергия, необходимая для перехода иона через мембрану, обратно пропорционально радиусу иона. При связывании иона с переносчиком происходит увеличение радиуса переносимой частицы, что способствует снижению энергии перехода. Пассивный транспорт ионов с помощью подвижных переносчиков описывается уравнением, выведенным на основе формулы Борна:

где, DW-энергия комплекса ион-переносчик, r-радиус иона, Ь-радиус переносчика, е_м - диэлектрическая проницаемость мембраны, s_n -диэлектрическая проницаемость внутренней сферы переносчика.

Рассчитанная по данной формуле энергия комплекса переносчика с ионами натрия или калия составляет около 15 кДж/моль, в то время как энергия, необходимая для их переноса через мембраны без участия переносчиков 250-300 кДж/моль. Многие переносчики сами по себе нейтральные и присоединив к себе ион, превращается в заряженный комплекс, а другие как нигерицин заряженный, присоединив к себе ион превращается в нейтральную частицу.

Наиболее подробно это явление изучено у некоторых антибиотиков, например валиномицином. Установлено, что валиномицин резко повышает проницаемость мембран для ионов К⁺. В нем формируется полость, в которую точно и прочно вписывается ион К⁺ (ион Na⁺ слишком велик для отверстия в молекуле валиномицина). Молекула валиномицина, «захватив»

ион К⁺ образует растворимый в липидах комплекс и проходит через мембрану, затем ион К⁺ остается, а переносчик уходит обратно.

3. Эстафетная передача. В этом случае молекулы-переносчики
образует временную цепочку поперек мембраны, и передают друг другу
переносимую веществу.

4. Осмос. Для клеточных мембран характерна полупроницаемость, т.е.
способность пропускать одни вещества, в частности воды и не пропускать
другие. Осмос- это процесс перемещение молекулы воды через
полупроницаемую мембрану из области меньшей концентрации веществ
(следовательно там и больше молекулы воды) в области большей
концентрации (там меньше молекулы воды), по сути осмос это движение
молекулы воды под действием градиента концентрации. Давление
создаваемое молекулами воды называется осмотическим давлением.
Растворы с одинаковыми осмотическими давлениями называют
изотоническими. Так, физиологические растворы должны быть
изотоническим относительно внутренних жидкостей организма, в противном
случае происходит или обезвоживание организма или перенасыщение его
водой. Если один раствор по сравнению с другим имеет более высокое
осмотическое давление, его называют гипертоническим, а имеющий меньше
давление гипотоническим. Осмотическое давление крови человека 0,76 -0,78
МПа, такое же давление имеет физиологический раствор, т.е. 0,86% раствор
NaCl. Если клетку(прочее всего это сделать с эритроцитами) поместить в
дистиллированную воду, то вода проникает внутрь клетки, осмотическое
давление в ней повышается, клетка набухает, поры ее расширяются. Через
расширенные поры содержимое эритроцитов выходит наружу, мембранная
оболочка заполняется водой. На таких оболочках удобно проводить
исследования свойства клеточных мембран. Если бы при поступлении воды в
клетку клеточное вещество частично не выходило, то клетка разорвалась
бы(осмотический шок). Такой шок происходит при обессоливании
организма. Напротив, при обезвоживании вода выходит из клетки, клетка
катастрофически сжимаются(коллапс), что приведет к ее гибели. В крови
позвоночных животных находится специальный белок-сывороточный
альбумин, который поддерживает постоянное осмотическое давление в
кровеносной системе. Шок при сильных кровотечениях обусловлен не
столько потерей крови, сколько резким падением осмотического давления,
ведущим к клеточному коллапсу. Поэтому при больших потерях крови
пострадавшим вводят инертные высокомолекулярные заменители крови,
благодаря которым восстанавливается осмотическое давление.

Фильтрацией называется движение воды через поры в мембране под действием градиента гидростатического давления. Скорость переноса воды при фильтрации подчиняется закону Пуайзеля: dV/dt = P₁ -P₂/w, где dV/dt скорость переноса воды, w- гидравлическое сопротивление, она равна w =8 lh/pr⁴, где l - длина поры, r-ее радиус, h - коэффициент вязкости воды.

Явление фильтрации играет важную роль в процессах переноса воды через стенки кровеносных сосудов. При некоторых патологиях фильтрация усиливается, что приводит к отекам.

Активный транспорт(АТ). В этом виде переноса вещества, происходит затрат химической энергии. При этом молекулы вещества переноситься в область с меньшей концентрации в область с большой концентрации, т.е. против концентрационного градиента, а ионы переноситься против сил, действующих на них со стороны электрического поля, т.е. против электрического градиента. Таким образом, активным транспортом осуществляется перенос веществ в направлении, противоположном транспорту, который должен уменьшить градиенты. При AT энергия получается за счет гидролиза молекул особого химического соединения -аденозин трифосфорной кислоты (АТФ). Экспериментально доказано, что энергия распада одной молекулы АТФ достаточно для выведения наружу трех ионов натрия введение внутрь двух ионов калия. Механизм переноса проходит примерно так, захватив одним активным центром ион калия из наружной среды, а другим ион натрия - из внутренней среды, белок мембраны потребляя энергию АТФ молекулы, поворачивается внутрь мембраны на 180°(рис 5).

Рис 5

Ион натрия оказывается вне клетки и там отделяется, а ион калия попадает внутрь и тоже освобождается, после чего молекула белка принимает исходное положение, и все начинается сначала. Этих белков осуществляющих перенос ионов за счет энергии АТФ молекул называют ионными насосами. В настоящее время известны три типа электрогенных ионных насосов такие как: кали –натриевый насос (3 натрия наружу, 2 калия внутрь), кальциевый насос (2 кальция наружу), протонный насос или помпа (2 протона наружу).

За счет активного транспорта клетка поддерживает внутри себя высокую концентрацию калия и низкую концентрацию натрия. При этом ионы могут перемещаться против градиента их концентрации. Активный транспорт обеспечивает механизм селективной проницаемости клеточных мембран и является важным жизненным процессом.

Рассмотрим особенности транспорт веществ через ионные каналы мембраны. Каналом называется участок мембраны, образованные белковыми молекулами и липидами, которые образует в мембране проход. Этот проход допускает проникновение через мембрану молекулы воды, крупных ионов и т.д.. Наличие каналов увеличивает проницаемость Р мембраны. Проницаемость зависит от числа каналов и от их радиуса. Каналы могут проявлять селективность по отношению к различным ионам, это выражается в различной проницаемости для разных ионов. Каждый канал транспортирует преимущественно ионы одного вида, например, натриевый канал - ионы натрия, калиевый - ионы калия. Через катионные каналы не способны проходить анионы и наоборот. Но для ионов того же знака, что и основной ион, канал уже не обладает такой абсолютной селективностью. Проводимость канала для других ионов своего знака ниже, чем для собственного. Например, через специфические натриевые каналы способны транспортироваться также ионы калия на в 20 раз медленнее, чем ионы натрия. Каналы могут блокироваться некоторыми соединениями, например молекулы тетродотоксина блокирует натриевые каналы, а молекула тетраэтиламмоний- калиевые.

Профиль просвета имеет размер, соизмеримой с размерами пропускаемого вещества(десятые доли нанометра). Поэтому движение веществ по каналу однорядное, следовательно, канал может пребывать только в одном из двух противоположенных состояний: закрытом или полностью открытом, при котором достигается максимальная скорость транспорта. Например, скорость движения натрия и кальция через соответствующие каналы составляет 10⁷ ион в секунду.

Проницаемость мембраны для данного вещества определяется не степенью раскрытия одной поры, а числом открытых каналов в данной момент времени. Поэтому мембранную проницаемость Р при переносе веществ по каналам рассчитывают по формуле: p= npr²D/ l, гдеn- число открытых каналов на единице поверхности мембраны, r – радиус канала, D- коэффициент дифузии вещества в воде, l- длинаканала (равен толщине мембраны).

В первые гипотеза о существования в живых тканях каналов-пор была выдвинута Э.В.Брюкке в 1842 году, после исследования траспорта воды через стенку мочевого пузыря. Только через сто лет это гипотеза имела подтверждения благодаря работам Ходжкина и Хаксли (1952), Девсона и Даниелии(1955) и исследованиям Хладни и Хайдон (1970,1972) изучившие свойства белокового канала, встроенного в исскуственный липидный бислой.

Согласно современной концепции, мембранный канал представляет собой интегральный белок (белковый комплекс или гликопротеид), встроенный в липидный бимолекулярный каркас мембраны, пронизывающий ее насквозь и обеспечивающий перенос веществ через нее в сторону более низкого электрического, электрохимического и др. градиентов. Коэффициент проницаемости ионных каналов составляет 10^-8 -10^-9 м/с, что на 5-6 порядков меньше скорости переноса ионов при свободной диффузии в водной среде.

Хилле в 1977-1984 г.г. предложил функциональную модель ионного канала, согласно которой в нем имеется два основных компонента: селективный фильтр и воротный механизм. Первый имеет жесткую структуру, т.е. в этой части белковый комплекс, образующий канал, не может изменить размеры поры внутри него и регулировать проницаемость мембраны. Функция селективного фильтра - пропускать через канал определенное вещество или группу сходных с ним веществ, т.е. отбирать из них других.

Регулирование мембранной проницаемости обеспечивается так называемыми воротными процессами. Они осуществляются «воротами канала», которые представляет собой части белкового комплекса способные «раскручиваться» и «скручиваться» в ходе их механохимических реакций и благодаря этому создавать просвет внутри белкового комплекса или перекрывать его (сжимать или восстанавливать пору) рис.6

наружный раствор