Механизм проницаемости биологических мембран

Исламов Темирлан

 

Механизм проницаемости  биологических мембран

ВВЕДЕНИЕ

 

Мембранный  транспорт  – транспорт веществ сквозь клеточную  мембрану в клетку или из клетки, осуществляемый с помощью различных  механизмов – простой диффузии, облегченной диффузии и активного  транспорта.

Важнейшее свойство биологической мембраны состоит  в ее способности пропускать в  клетку и из нее различные вещества. Это имеет большое значение для  саморегуляции и поддержания постоянного состава клетки. Такая функция клеточной мембраны выполняется благодаря избирательной проницаемости, т.е. способностью пропускать одни вещества и не пропускать другие. Легче всего проходят через липидный бислой неполярные молекулы с малой молекулярной массой (кислород, азот, бензол).

Перенос крупных полярных молекул и ионов  происходит благодаря белкам-каналам  или белкам-переносчикам. Так, в мембранах  клеток существуют каналы для ионов  натрия, калия и хлора, в мембранах  многих клеток – водные каналы аквапорины, а также белки-переносчики для глюкозы, разных групп аминокислот и многих ионов. Активный и пассивный транспорт.

Общие представления  о проницаемости.

 

• Xарактеристика  мембран, стенок сосудов и эпителиальных  клеток, отражающая способность  проводить химические вещества; различают активную (активный транспорт веществ) и пассивную П. (фагоцитоз <phagocytosis> и пиноцитоз <pinocytosis>); пассивная и (в ряде случаев) активная П. (крупных молекул) обеспечиваются мембранными порами, П. для низкомолекулярных веществ (например, ионов) обеспечивается специфическими мембранными структурами с участием молекул-переносчиков.

Перенос  молекул через мембрану.

 

• Так как  внутренняя часть липидного слоя гидрофобна, он представляет собой  практически непроницаемый барьер для большинства полярных молекул. Вследствие наличия этого барьера, предотвращается утечка содержимого клеток, однако из-за этого клетка была вынуждена создать специальные механизмы для транспорта растворимых в воде веществ через мембрану. Перенос малых водорастворимых молекул осуществляется при помощи специальных транспортных белков. Это особые трансмембранные белки, каждый из которых отвечает за транспорт определенных молекул или групп родственных молекул.
• В клетках  существуют также механизмы переноса через мембрану макромолекул (белков) и даже крупных частиц. Процесс поглощения макромолекул клеткой называется эндоцитозом. В общих чертах механизм его протекания таков: локальные участки плазматической мембраны впячиваются и замыкаются, образуя эндоцитозный пузырек, затем поглощенная частица обычно попадает в лизосомы и подвергается деградации.

 

• Диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание) — процесс переноса  материи или энергии из области  с высокой концентрацией в  область с низкой концентрацией (против градиента концентрации). Самым известным примером диффузии является перемешивание газов или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: если один конец стержня нагреть или электрически зарядить, распространяется тепло (или соответственно электрический ток) от горячей (заряженной) части к холодной (незаряженной) части. В случае металлического стержня тепловая диффузия развивается быстро, а ток протекает почти мгновенно. Если стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно, а диффузия электрически заряженных частиц — очень медленно. Диффузия молекул протекает в общем ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микрометров только через несколько тысяч лет.

Пассивный транспорт

 

• Пассивный  транспорт – это перенос веществ  из мест с большим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением.
• При опытах с искусственными липидными бислоями было установлено, что чем меньше молекула и чем меньше она образует водородных связей, тем быстрее она  дифундирует через мембрану. Итак, чем меньше молекула и чем более она жирорастворима (гидрофобна или неполярна), тем быстрее она будет проникать через мембрану. Диффузия веществ через липидный бислой вызывается градиентом концентрации в мембране. Через липидные и белковые поры сквозь мембрану проникают молекулы нерастворимых в липидах веществ и водорастворимые гидратированные ионы (окруженные молекулами воды). Малые неполярные молекулы легко растворимы и быстро диффундируют. Незаряженные полярные молекулы при небольших размерах также растворимы и диффундируют.

• Осмос – преимущественное движение молекул воды через полупроницаемые мембраны (непроницаемые для растворенного вещества и проницаемые для воды) из мест с меньшей концентрацией растворенного вещества в места с большей концентрацией. Осмос – по сути дела, простая диффузия воды из мест с ее большей концентрацией, в места с меньшей концентрацией воды. Осмос играет большую роль во многих биологических явлениях. Явление осмоса обусловливает гемолиз эритроцитов в гипотонических растворах.

 Отличия облегченной диффузии от простой:

 

• 1) перенос  вещества с участием переносчика  происходит значительно быстрее;
• 2) облегченная  диффузия обладает свойством  насыщения: при увеличении концент рации  с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;
• 3) при  облегченной диффузии наблюдается  конкуренция переносимых веществ  в тех случаях, когда переносчиком  переносятся разные вещества; при  этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других; так из сахаров глюкоза переносится лучше, чем фруктоза, фруктоза лучше, чем ксилоза, а ксилоза лучше, чем арабиноза и. т. д.;
• 4) есть  вещества, блокирующие облегченную диффузию – они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика, например, флоридзин подавляет транспорт сахаров через биологическую мембрану.

 

 Активный  транспорт

 

• Другие  белки-переносчики (их иногда называют белки-насосы) переносят через мембрану вещества с затратами энергии, которая  обычно поставляется при гидролизе АТФ. Этот вид транспорта осуществляется против градиента концентрации переносимого вещества и называется активным транспортом.

Заключение

 

• Нельзя преувеличить роль проницаемости плазматической  мембраны в жизнедеятельности клетки.  Большинство процессов, связанных с обеспечением клетки энергией и избавлением ее от продуктов  распада,  основаны на вышеописанных механизмах.  Кроме того,  специальные функции клеточной мембраны заключаются в получении клеткой внешних сигналов (примером этому могут служить описанные взаимодействия клетки с гормонами).