Мембранный транспорт. Лекция 7 Ж (1). Физические процессы в биологических мембранах
![]()
|
1 2 Лекция 7. Физические вопросы строения и функционирования мембран. Транспорт веществ через мембраны. Пассивный транспорт. Простая и облегченная диффузия. Математическое описание пассивного транспорта. Активный транспорт ионов. Механизм активного транспорта на примере натрий-калиевого насоса. Физические процессы в биологических мембранахБиологические мембраны являются важной частью клетки. Они ограничивают клетку от окружающей среды, защищают ее от вредных внешних воздействий, управляют обменом веществ между клеткой и ее окружением, способствуют генерации электрических потенциалов, участвуют в синтезе универсального аккумулятора энергии — аденозинтрифосфорной кислоты (АТф) в митохондриях и т. д. По существу, мембраны формируют структуру клетки и осуществляют ее функции. Нарушение функций клеточной и внутриклеточной мембран лежит в основе необратимого повреждения клеток и, как следствие, развития тяжелых заболеваний сердечно-сосудистой, нервной, эндокринной систем и пр. В главе рассматриваются физические свойства биологических мембран и основные физические процессы, которые в них происходят. 11.1. Строение и модели мембран Все клетки окружены мембранами (цитоплазматическими, или наружными клеточными мембранами). Без мембраны содержимое клетки просто бы «растеклось», диффузия привела бы к термодинамическому равновесию, что означает отсутствие жизни. Можно сказать, что первая клетка появилась тогда, когда она смогла отделиться от окружающей среды мембраной. Внутриклеточные мембраны подразделяют клетку на ряд замкнутых отсеков (компартаментов), каждый из них выполняет определенную функцию. Н ![]() Н ![]() Первая попытка представить молекулярную организацию биологической мембраны принадлежит Даниели и Давсону, которые в 1935 г. предложили модель клеточной мембраны. Согласно этой модели, липиды располагались в два слоя (см. рис. 11.2), а поверхность липидов с обеих сторон покрывали белки. По мере приобретения новых знаний о химическом составе и физических свойствах мембран эволюционировали и представления об их организации. В настоящее время наибольшее распространение имеет предложенная в 1972 г. Синджером и Николсоном жидко-мозаичная модель, в основе которой лежит все та же липидная бислойная мембрана. Эта липидная основа представляет собой как бы двумерный растворитель, в котором плавают более или менее погруженные белки. За счет этих белков полностью или частично осуществляются специфические функции мембран — проницаемость, активный перенос через мембрану, генерация электрического потенциала и т. д. Схематично жидко-мозаичная структура мембраны показана на рис. 11.3. Здесь 1 — поверхностные белки, 2 — полупогруженные белки, 3 — полностью погруженные (интегральные) белки, 4 — белки, формирующие «ионный канал» 5. В ![]() Уточнение строения биологических мембран и изучение их свойств оказалось возможным при использовании физико-химических моделей мембраны (искусственные мембраны). Наибольшее распространение получили три модели. Р ![]() В ![]() Третьей известной моделью биологической мембраны являются липосомы. Они представляют собой мельчайшие пузырьки (везикулы), состоящие из билипидной мембраны и полученные обработкой ультразвуком смеси воды и фосфолипидов. Липосомы фактически являются биологической мембраной, полностью лишенной белковых молекул. Схематически липосомы изображены на рис. 11.6 Е ![]() 11.2. Некоторые физические свойства и параметры мембран С появлением электронного микроскопа (см. § 23.2) впервые открылась возможность познакомиться со строением мембран. Тогда обнаружилось, что плазматическая мембрана животных и растительных клеток выглядит как трехслойная структура. На рис. 11.7 изображена электронная микрофотография плазматической мембраны эритроцита. Видно, что мембрана состоит из светлого слоя, соответствующего фосфолипидам бислоя, и двух темных слоев — они представляют собой полярные головки и белки. Толщина мембран в зависимости от вида составляет величину от 4 до 13 нм. Измерение подвижности молекул мембран и диффузии частиц через мембрану свидетельствует о том, что билипидный слой ведет себя подобно жидкости. В то же время мембрана является упорядоченной структурой. Эти два фактора заставляют думать, что липиды в мембране при ее естественном функционировании находятся в жидкокристаллическом состоянии (см. § 8.2). Вязкость липидного бислоя на два порядка больше вязкости воды и соответствует приблизительно вязкости растительного масла. Однако при понижении температуры происходит фазовый переход, в результате которого липиды бислоя ![]() ![]() превращаются в гель (твердо-кристаллическое состояние). На рис. 8 схематически представлен процесс «плавления» мембранных фосфолипидов при увеличении температуры (слева направо). Очевидно, что при этом меняется толщина двойного слоя — в состоянии геля (рис. 11.8, а) она больше, чем в жидкокристаллическом (рис. 11.8, б). При фазовых переходах в бислое могут образовываться каналы, по которым через мембрану способны проходить различные ионы и низкомолекулярные соединения, размер которых не превышает 1—3 нм. В жидкокристаллическом состоянии отдельная жирнокислотная цепь может принимать много различных конфигураций из-за вращения вокруг С—С связей. При том возможно образование в бислое полостей — «кинков» (от англ, kink— петля). В этих полостях могут находиться различные молекулы, захваченные из пространства вне мембраны. При тепловом движении хвостов липидов происходит движение такого «кинка», а вместе с ним и молекул поперек мембраны или вдоль нее (рис. 11.9). ![]() Проницаемость мембран для различных веществ зависит от поверхностного заряда, который создается заряженными головками липидов, придающими мембране преимущественно отрицательный заряд. Это приводит к тому, что на границе мембрана — вода создается межфазный скачок потенциала (поверхностный потенциал) того же знака, что и заряд на мембране. Величина этого потенциала играет большую роль в процессах связывания ионов мембраной. Помимо поверхностного потенциала, для нормального функционирования ферментных и рецепторных мембранных комплексов огромное значение имеет трансмембранный потенциал, природа которого будет рассмотрена ниже. Величина этого потенциала составляет 60—90 мВ (со знаком минус со стороны цитоплазмы). Из-за очень малой толщины мембран напряженность электрического поля в них достигает величины около (6—9) • 106 В/м. Мембрана по своей структуре напоминает плоский конденсатор, обкладки которого образованы поверхностными белками, а роль диэлектрика выполняет липидный бислой. Емкость такого конденсатора составляет значительную величину (табл. 18). Используя формулу плоского конденсатора, можно оценить диэлектрическую проницаемость гидрофобной и гидрофильной областей мембран, зная пределы изменения толщины мембраны. Такие оценки дают для фосфолипидной области мембраны значение = 2,0—2,2, а для гидрофильной части = = 10—20. В табл. 18 приведены некоторые физические параметры биологических мембран и в сравнении с ними — те же параметры для искусственно приготовленных липидных бислоев. Таблица 18.физические свойства биологических мембран и липидных бислоев
Мембраны обладают высокой прочностью на разрыв, устойчивостью и гибкостью. По электроизоляционным свойствам они значительно превосходят многие изоляционные материалы, применяемые в технике. Общая площадь мембран в органах и тканях достигает огромных размеров. Так, суммарная площадь клеточных мембран печени крысы, весящей всего 6 г, составляет несколько сотен квадратных метров. Клетки, как правило, имеют микроскопические размеры, поэтому отношение их поверхности к объему очень велико. Благодаря этому клетки располагают достаточной площадью для обеспечения многочисленных процессов, протекающих на мембранах. Одним из наиболее важных из них является процесс переноса веществ из клетки и в клетку. 11.3. Перенос молекул (атомов) через мембраны. Уравнение Фика Важным элементом функционирования мембран является их способность пропускать или не пропускать молекулы (атомы) и ионы. Существенно, что вероятность такого проникновения частиц зависит как от направления их перемещения, например в клетку или из клетки, так и от разновидности молекул и ионов. Эти вопросы рассматриваются в разделе физики, относящемся к явлениям переноса. Таким термином называют необратимые процессы, в результате которых в физической системе происходит пространственное перемещение (перенос) массы, импульса, энергии, заряда или какой-либо другой физической величины. К явлениям переноса относят диффузию (перенос массы вещества), вязкость (перенос импульса), теплопроводность (перенос энергии), электропроводность (перенос электрического заряда). Здесь и в следующих параграфах рассматриваются наиболее существенные для биологических мембран явления: перенос вещества и перенос заряда. Как синоним переноса частиц в биофизике широкое распространение получил также термин транспорт частиц. Выведем основное уравнение диффузии (уравнение Фика), рассматривая процесс переноса в жидкостях. П ![]() На расстояниях, равных среднему перемещению молекул (среднее расстояние между молекулами жидкости), вправо и влево от площадки построим прямоугольные параллелепипеды небольшой толщины l(l<< ). Объем каждого параллелепипеда равен Sl. Если п — концентрация молекул, то внутри выделенных параллелепипедов имеется Slnмолекул. Предположим, что концентрация молекул изменяется в пространстве, в левом (1) выделенном параллелепипеде концентрация равна п1, а в правом (2) — п2. Следовательно, в одном параллелепипеде Slnlмолекул, а в другом — Sln2молекул. Все молекулы вследствие хаотичного их движения можно условно представить шестью группами, каждая из которых перемещается вдоль или против направления одной из осей координат. Отсюда следует, что в направлении, перпендикулярном площадке S, вдоль оси ОХ от первого параллелепипеда перескакивает 1/6 Slnlмолекул, а противоположно оси ОХ от второго параллелепипеда перескакивает l/6Sln2молекул. Время t< «пролета» этими молекулами площадки S может быть найдено следующим образом. Предположим, что все молекулы из выделенных объемов движутся с одинаковыми средними скоростями <>. Тогда молекулы в объеме 1 или 2, дошедшие до площадки S, пересекают ее в течение промежутка времени t = l/<>. (11.1) Подставляя в (11.1) выражение для средней скорости <>= , получаем ![]() где — среднее время «оседлой жизни» молекулы, оно может рассматриваться как среднее время перескока. «Баланс» переноса молекул через площадку S за промежуток времени tравен ![]() Умножая (11.3) на массу т отдельной молекулы и деля на t,находим массовый поток сквозь площадку S: ![]() т. е. масса вещества, которая за 1 с переносится через площадку S. Изменение концентрации п2- nlмолекул можно представить как произведение dn/dxна расстояние 2 между выделенными объемами: ![]() В уравнении (11.4) заменим tсогласно (11.2) и (п2 – п1)согласно (11.5): ![]() Отношение потока к площади S, через которую он переносится, называется плотностью потока: ![]() Произведение массы молекулы на их концентрацию есть плотность вещества (парциальная плотность): ![]() Учитывая это, имеем из (11.7) ![]() Это есть уравнение диффузии (уравнение Фика), которое обычно записывают в виде: ![]() Знак «-» показывает, что суммарная плотность потока вещества при диффузии направлена в сторону уменьшения плотности (в сторону, противоположную градиенту плотности), D— коэффициент диффузии, применительно к рассмотренному примеру диффузии в жидкости он равен ![]() Как видно из (11.10), единица измерения коэффициента диффузии [м2/с]. У ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() А. Эйнштейн показал, что коэффициент диффузии пропорционален температуре: ![]() И поэтому вместо (11.11) имеем ![]() В формуле (11.12) и далее ит— подвижность диффундирующих молекул (частиц), выраженная для моля. Вообще говоря, подвижностью диффундирующей частицы (молекулы, атома, иона, электрона) и называют коэффициент пропорциональности между скоростью частицы и силой f, двигающей частицу, в том случае, когда на частицу не действуют другие силы (например, трение или соударение с другими частицами) и она перемещается равномерно: = ufили и = /f.(11.14) Как видно из (11.14), единица подвижности 1 м/(с • Н). Величины ити и связаны через постоянную Авогадро: и = иmNA. (11.15) П ![]() ![]() где l — толщина мембраны, тогда вместо (11.11) имеем ![]() Практически доступнее определить молярные концентрации частиц не внутри мембраны (смiи см0), а вне мембраны: в клетке (ci) и снаружи клетки (с0). Считают, что отношение граничных значений концентраций в мембране равно отношению концентраций в прилегающих к мембране слоях: см0/ смi = c0/ci; откуда ![]() где k— коэффициент распределения вещества (частиц) между мембраной и окружающей средой (обычно водная фаза). Из (11.18) следует ![]() Подставляя (11.19) в (11.17), имеем ![]() Пусть Р = Dk/l, (11.20) где Р — коэффициент проницаемости. В результате получаем уравнение для плотности потока вещества при диффузии через биологическую мембрану: J = P(сi - c0). (11.21) 1 2 |