Никиян. Конспект лекций Рекомендовано Ученым советом федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Оренбургский государственный университет
 Скачать 0.65 Mb.
|
|
5 Транспорт веществ через биологические мембраны Большинство процессов жизнедеятельности, таких, как всасывание, выделение, проведение нервного импульса, мышечное сокращение, синтез АТФ, поддержание постоянства ионного состава и содержания воды связано с переносом веществ через мембраны. Этот процесс в биологических систе- мах получил название транспорта. Если перенос вещества происходит с уменьшением электрохимическо- го потенциала, то есть не требует затрат энергии, то такой транспорт называ- ется пассивным. Его разновидностями являются диффузия (перемещение веществ в сторону меньшей концентрации) и фильтрация (просачивание веществ поры в сторону меньших значений давления). С помощью диффу- зии в клетку проникают растворенные молекулы кислорода и углекислого газа, а также яды и лекарственные препараты. Транспорт веществ через ли- пидный бислой с помощью простой диффузии совершается с малой скоро- стью, особенно в случае заряженных частиц, и почти не контролируется. По- этому в процессе эволюции для некоторых веществ появились специфиче- ские мембранные каналы и мембранные переносчики, которые способствуют повышению скорости переноса и, кроме того, осуществляют селектив- ный транспорт. Пассивный транспорт веществ с помощью переносчиков на- зывается облегченной диффузией. Иногда требуется перенести вещество из области с меньшим значени- ем электрохимического потенциала в область с большим его значением. Этот процесс не может протекать самопроизвольно и требует затрат энергии. Такой вид транспорта называется активным. Например, в сторону увеличе- ния электрохимического потенциала осуществляется трансмембранный пе- ренос натрия. Если энергия, необходимая для осуществления активного транспорта, берется за счет гидролиза АТФ или окислительно- восстановительных реакций, то такой транспорт называется первично- 48 активным; если за счет градиента концентраций других ионов, то - вторич- но-активным или сопряженным. Через мембрану могут переноситься не только отдельные молекулы, но и твердые тела (фагоцитоз), растворы (пиноцитоз). Если вещество транспортируется внутрь клетки, то такой вид транспорта называется эндо- цитозом, если наружу, то - экзоцитозом. В первом случае на наружной сто- роне мембраны образуется впячивание, которое постепенно превращается в пузырек. Пузырек отрывается от мембраны внутри клетки. Такой пузырек содержит в себе транспортируемое вещество, окруженное билипидной обо- лочкой (везикулой). В дальнейшем везикула сливается с какой-нибудь кле- точной органеллой и выпускает в неё своё содержимое. В случае экзоцитоза процесс происходит в обратной последовательности: везикула подходит к мембране с внутренней стороны клетки, сливается с ней и выбрасывает своё содержимое в межклеточное пространство. 5.1 Пассивный транспорт нейтральных частиц При наличии градиента концентраций вещества совершается диффузия или пассивный транспорт указанного вещества из области с большей кон- центрацией в область с меньшей концентрацией. Это явление происходит самопроизвольно (без затрат энергии) до тех пор, пока концентрации не вы- ровняются, и суммарный поток вещества не обратится в ноль (в случае жи- вых клеток такое выравнивание может и не наступить, если вещества непре- рывно синтезируются или, наоборот, затрачиваются в ходе химической ре- акции). Различают несколько типов пассивного переноса веществ через мем- браны: простая диффузия нейтральных и заряженных частиц, облегченная диффузия с подвижным и неподвижным переносчиком, фильтрация и осмос. Пассивный перенос вещества вдоль оси х описывается уравнением Фика: 49 dx dс D , (5.1) где Φ – поток вещества; D – коэффициент диффузии; dc/dx – градиент концентрации c в направлении x. Знак «-» показывает, что суммарная плотность потока вещества при диффузии направлена в сторону уменьшения плотности (в сторону, проти- воположную градиенту плотности). Для расчетного описания переноса ве- ществ через биологическую мембрану пользуются законом Фика для пас- сивного транспорта веществ через мембрану: вв вн вв вн c - c c - c P l К D , (5.2) где К – коэффициент распределения вещества между мембраной и ок- ружающей водной фазой; l – толщина мембраны; c вв – концентрация частиц внутри клетки; с вн – концентрация частиц снаружи клетки; P – коэффициент проницаемости. Проницаемость мембраны для нейтральных частиц существенно зави- сит от их способности растворяться в билипидном слое мембраны. Прони- цаемость мембраны для различных веществ определяют по растворимости в оливковом масле, которую можно рассматривать как модель мембранных липидов. Таким образом, мембрана хорошо проницаема для липидораство- римых веществ (спирты, эфиры), не имеющих биологического значения. Но такие гидрофильные вещества как сахара, аминокислоты не способны про- никать через биологическую мембрану посредством свободной диффузии. Для этого требуются специальные системы транспорта (смотри ниже). Про- ницаемость мембраны зависит также от размера молекул. Мелкие молекулы 50 могут проникать через мембрану путём простой диффузии. Например, вода не растворима в липидах и органических растворителях. Но она проникает через плазматическую мембрану благодаря небольшому размеру молекул. Проницаемость мембраны для воды очень высокая. Предполагают, что она проникает в мембрану через временные структурные дефекты, формирую- щихся при тепловых колебаниях хвостиков из жирных кислот. Эти дефекты (кинки) позволяют перемещаться через мембрану не только молекулам воды, но также другим небольшим гидрофильным молекулам (кислород, углекис- лый газ). 5.2 Пассивный транспорт ионов Липидный бислой мембраны непроницаем для ионов. Они могут про- никнуть через плазматическую мембрану только посредством специальных структур - ионных каналов, которые образованы интегральными белками. Движущей силой диффузии является не только разность концентрации ионов внутри и вне клетки, но также разность электрических потенциалов, создаваемых этими ионами по обе стороны мембраны. Следовательно, диф- фузионный поток ионов определяется градиентом электрохимического по- тенциала (электрохимический градиент). Зависимость потока ионов Φ от электрохимического градиента определяется уравнением Теорелла: dx d UC , (5.3) где μ – электрохимический потенциал, который зависит от природы вещества и природы растворителя; U - подвижность ионов; C - концентрация ионов; dμ/dx - электрохимический градиент. 51 Если во всей рассматриваемой области диффузии отсутствуют хими- ческие превращения вещества и растворитель одинаков, то в этом случае уравнение Теорелла сводится к электродиффузному уравнению Нернста- Планка: dx d UCFz dx dC URT (5.4) Это уравнение описывает пассивный перенос частиц в условиях суще- ствования градиентов концентрации вещества и электрического потенциала в растворе или в однородной незаряженной мембране. Уравнение Нернста.В живом организме по обе стороны любой био- логической мембраны находятся ионные растворы, причем концентрации одного и того же иона по обе стороны часто отличаются. Одной из причин установления и поддержания этих градиентов концентраций является раз- личная проницаемость мембраны для тех или иных ионов. В этом случае градиент концентрации одного вещества может поддерживаться за счет на- личия градиента концентрации другого вещества и/или разности потенциа- лов по обе стороны мембраны (так называемой трансмембранной разности потенциалов). Условием установления равновесия между двумя растворами, разделенными полупроницаемой мембраной, с различными концентрациями одинаковых ионов является равенство электрохимических потенциалов по одну и другую сторону мембраны. Значение разности электрических потен- циалов, которая устанавливается на мембране при наличии градиента кон- центраций, рассчитывается с помощью уравнения Нернста: i i c c zF RT 0 0 ln (5.5) 52 Равновесие Доннана. В клетке кроме малых ионов находятся еще и заряженные макромолекулы (белки, нуклеиновые кислоты). Как правило, эти макромолекулы заряжены отрицательно. Мембрана проницаема для ма- лых ионов и непроницаема для макромолекул. Для каждого из растворов, находящихся по обе стороны мембраны, необходимо выполнение условия электронейтральности, то есть сумма положительных и отрицательных заря- дов всех ионов должна равняться нулю. Для компенсации внутри клетки от- рицательных зарядов макромолекул часть отрицательных малых ионов вы- ходит из клетки, а часть положительных зарядов проходит в клетку из меж- клеточной среды. То есть на мембране возникает так называемая доннанов- ская разность потенциалов, которая, в случае одинаковой подвижности ио- нов Р + = Р - , составляет C zF RT i 2 0 , (5.6) где δ –концентрация макромолекул в цитоплазме; С - концентрация малых ионов во внеклеточной среде. 5.3 Облегченная диффузия Облегченная диффузия происходит при участии молекул переносчиков. Переносчики, осуществляющие пассивный транспорт, переносят вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией и не требуют затрат энергии. Известно, например, что антибиотик валиномицин - переносчик ионов калия. В липидной фазе молекула валиномицина имеет форму манжетки, ус- тланной внутри полярными группами, а снаружи неполярными гидрофоб- ными остатками молекул валина. Особенности химического строения валиномицина позволяют образо- вывать комплекс с ионами калия, попадающими внутрь молекулы-манжетки, и в то же время валиномицин растворим в липидной фазе мембраны, так как снаружи его молекула неполярна. Ионы калия удерживаются внутри моле- 53 кулы за счет сил ион-дипольного взаимодействия. Молекулы валиномицина, оказавшиеся у поверхности мембраны, могут захватывать из окружающего раствора ионы калия. Диффундируя в мембране, молекулы переносят калий через мембрану и отдают ионы в раствор по другую сторону мембраны. Та- ким образом и происходит челночный перенос ионов калия через мембрану. Отличия облегченной диффузии от простой: 1) перенос ионов с участием переносчика происходит значительно быстрее по сравнению со свободной диффузией; 2) облегченная диффузия обладает свойством насыщения - при уве- личении концентрации с одной стороны мембраны плотность потока веще- ства возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчи- ка уже заняты; 3) при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переноси- мых веществ в тех случаях, когда одним переносчиком переносятся разные вещества; при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добав- ление одних веществ затрудняет транспорт других; 4) есть вещества, блокирующие облегченную диффузию, они обра- зуют прочный комплекс с молекулами переносчика, препятствуя дальней- шему переносу. Рассмотренный пример с белком валиномицином относится к облег- ченной диффузии с подвижным переносчиком. Другой ее разновидностью является транспорт с помощью неподвижных молекул переносчиков, фикси- рованных определенным образом поперек мембраны. При этом молекула пе- реносимого вещества передается от одной молекулы переносчика к другой по типу эстафеты. 5.4 Осмос и фильтрация Осмос - преимущественное движение молекул воды через полупрони- цаемые мембраны (непроницаемые для растворенного вещества и проницае- 54 мые для воды) из мест с меньшей концентрацией растворенного вещества в места с большей концентрацией. Осмос, по сути, диффузия воды из мест с ее большей концентрацией в места с меньшей концентрацией. Осмос играет большую роль во многих биологических явлениях. Явление осмоса обуслов- ливает гемолиз эритроцитов в гипотонических растворах и тургор в растени- ях. Фильтрацией называется движение воды через поры в мембране под дей- ствием градиента давления. Скорость переноса воды при фильтрации подчиняется закону Пуазейля: W P P dt dV 2 1 , (5.7) где dt dV – скорость переноса объема воды; w – гидравлическое сопротивление: 4 8 r l w , (5.8) где l – длина поры; r – ее радиус; η – коэффициент вязкости воды. Примером фильтрации в организме является перенос воды через стен- ки кровеносных сосудов, выдавливание плазмы крови в почечные канальцы. При некоторых патологиях фильтрация усиливается, что приводит к отекам. 5.5 Ионные каналы Механизм обычной электродиффузии в живой клетке обеспечивает проницаемость мембран для кислорода и углекислого газа. Этот процесс 55 происходит слишком медленно и плохо контролируется, поэтому клетка не может его использовать для переноса питательных веществ и необходимых для жизнедеятельности ионов. Так, из каждых 1061 ионов, находящихся в водном растворе, только один находится в липидной фазе мембраны. Ско- рость переноса ионов значительно возрастает, если в мембране существуют ионные каналы. Наиболее распространены каналы для ионов калия, натрия, кальция. Ионные мембранные каналы образованы интегральными белками. Такой канал может быть либо открыт, либо закрыт для транспорта ионов. Эти два состояния реализуются изменением конформации каналообразую- щих белков, что может быть вызвано изменением условий в клетке и во вне- клеточной среде, например, изменением мембранного потенциала. Так как обычно с помощью каналов транспортируются гидрофильные вещества, то во внутренней полости их имеется большое число гидрофиль- ных химических групп. Каждый канал неоднороден по строению: вдоль его внутренней полости располагаются различные химические группы, сродство ионов к которым неодинаково. Канал может иметь один или несколько ион- ных центров связывания. Эти центры представляют собой заряженные груп- пы. Когда ион попадает в канал, он связывается с этими группами и таким образом попадает в потенциальную яму. Для того чтобы попасть в другую потенциальную яму, иону требуется преодолеть некоторый потенциальный барьер. Таких барьеров вдоль длины канала может быть несколько, причем высота их, обычно, неодинакова и может изменяться в зависимости от на- личия или отсутствия ионов в канале, или изменения трансмембранной раз- ности потенциалов. Так как в канале находятся заряженные группы, то изме- нение мембранного потенциала является нелинейным. Кроме этого, наличие заряженных групп может привести к непостоянству значений коэффициента распределения по длине канала. Многие мембранные каналы настолько узки, что ионы не могут в них двигаться в различных направлениях независимо друг от друга: если в ка- кой-либо потенциальной яме уже есть ион, то другой не может в неё попасть. 56 Это относится, например, к калиевым каналам. Встречные потоки ионов на- трия через натриевые каналы можно считать независимыми, но если через эти каналы движутся ионы калия, то принцип независимости уже не выпол- няется. Для многих каналов, в зависимости от их строения, при высоких концентрациях ионов в окружающей среде наблюдается: а) эффект насыщения: при увеличении концентрации ионов скорость их переноса повышается, но только до определенного уровня, выше которо- го скорость не изменяется; б) блокировка: при концентрациях ионов выше некоторого значения скорость переноса начинает снижаться. При переходе иона из окружающей среды в канал свободная энергия уменьшается. При этом величина потенциального барьера ниже, чем при пе- реходе иона непосредственно через липидный бислой мембраны. Основные свойства ионных каналов: 1) селективность; 2) независимость работы отдельных каналов; 3) дискретный характер проводимости; 4) зависимость параметров каналов от мембранного потенциала. Рассмотрим подробнее эти свойства: 1 Селективность – способность ионных каналов избирательно пропус- кать ионы какого-либо одного типа. Ионные каналы обладают абсолютной селективностью по отношению к катионам или анионам (катион- селективные каналы, анион-селективные каналы). В то же время через кати- он-селективные каналы способны проходить различные катионы различных химических элементов. Но проводимость мембраны для неосновного иона будет существенно ниже. Способность ионного канала пропускать различ- ные ионы называется относительной селективностью и характеризуется ря- дом селективности – соотношением проводимостей канала для разных ионов, взятых при одной концентрации. 57 2 Независимость работы отдельных каналов. Прохождение тока через отдельный ионный канал не зависит от того, идет ли ток через другие кана- лы. Влияние каналов друг на друга происходит опосредованно: изменение проницаемости каких-либо каналов меняет мембранный потенциал, а уже он влияет на проводимость прочих ионных каналов. 3 Дискретный характер проводимости ионных каналов. Ионные кана- лы представляют собой субъединичный комплекс белков, пронизывающий мембрану. В центре его существует трубка, сквозь которую могут проходить ионы: на 1 мкм 2 аксона кальмара находится около 500 натриевых каналов. Проводимость ионного канала дискретна, и он может находиться в двух со- стояниях: открытом или закрытом. Переходы между состояниями происхо- дят в случайные моменты времени и подчиняются статистическим законо- мерностям. Нельзя сказать, что данный ионный канал откроется именно в этот момент времени. Можно лишь сделать утверждение о вероятности от- крывания канала в определенном интервале времени. 4 Зависимость параметров канала от мембранного потенциала. Ионные каналы нервных волокон чувствительны к мембранному потенциалу. Это проявляется в том, что после начала деполяризации мембраны соответст- вующие токи начинают изменяться с той или иной кинетикой. Ион- селективный канал имеет сенсор, чувствительный к действию электрическо- го поля. При изменении мембранного потенциала меняется величина дейст- вующей на сенсор силы, в результате эта часть ионного канала перемещается и меняет вероятность открывания или закрывания ворот, действующих по принципу «всё или ничего». Скачок напряжения на мембране, создаваемый при измерениях методом фиксации потенциала, приводит к тому, что боль- шое число каналов открывается. Через них проходит больше зарядов, а зна- чит, в среднем, протекает больший ток. Процесс роста проводимости канала определяется увеличением вероятности перехода канала в открытое состоя- ние, а не увеличением диаметра открытого канала. 58 Ионные каналы могут быть чувствительны и к другим физическим воздействиям: механическим деформациям, связыванию химических ве- ществ и т.д. В этом случае они являются структурной основой, соответст- венно, механорецепторов, хеморецепторов и т.д. Ион-селективный канал состоит из следующих частей: 1) погруженной в бислой белковой части, имеющей субъединичное строение; 2) селективного фильтра, образованного отрицательно заряженными атомами кислорода, которые жестко расположены на определенном расстоя- нии друг от друга и пропускают ионы только определенного диаметра; 3) воротной части. Нормальное положение ворот натриевого канала – закрытое. Под дей- ствием электрического поля увеличивается вероятность открытого состояния, ворота открываются, и поток гидратированных ионов получает возможность проходить через селективный фильтр. |