Транспорт веществ через биологические мембраны

Осуществление транспорта вещества и энергии через биологические мембраны является необходимым условием функционирования любой клетки. С переносом вещества через мембраны связаны все процессы метаболизма клетки, биоэнергетические процессы, образование биопотенциалов, в т.ч. генерация и передача нервного импульса и другие процессы.

Принято различать следующие типы мембранного транспорта.

1. Пассивный транспорт нейтральных молекул (неэлектролитов) и ионов через мембрану. Перенос неэлектролитов обусловлен градиентом химического потенциала, а ионов - градиентом электрохимического потенциала. Пассивный транспорт через липидный бислой может осуществ­ляться путем диффузии или по механизму облегченной диффузии. Для разбавленного раствора вещества концентрации с химический потен­циал m (свободная энергия Гиббса на один моль вещества) определяется как:

m = m₀ + RT lnc

где m₀ - стандартный химический потенциал (химический потенциал при концентрации вещества 1 моль л^-1).

Электрохимический потенциал m₀ - величина, численно равная свободной энергии Гиббса G на один моль вещества, помещенного в электрическое поле

m = m₀ + RT lnc + ZFφ,

где Z – заряд иона, F –число Фарадея, φ - потенциал электрического поля, Т - температура.

Пассивный транспорт молекул и ионов идет с уменьшением величин хими­ческого и электрохимического потенциалов, т.е. с понижением энергии Гиббса (dG < 0). Как известно, такие процессы происходят самопроизвольно, не требуют за­траты энергии.

2. Активный транспорт - перенос неэлектролитов химического и ионов против градиента химического или электрического потенциала. Этот вид транспорта требует затраты энер­гии и происходит с повышением свободной энергии Гиббса (dG >0).

Таким образом, является ли транспорт активным или пассивным зависит от изме­нения свободной энергии транспортируемых веществ (dG). Если dG - положительная ве­личина, то транспорт активный, если dG - отрицательная величина, имеет место пассив­ный транспорт.

При транспорте заряженных веществ (ионов) dG имеет вид

Z - заряд ионов, F - число Фарадея, Df - трансмембранная разность потенц иалов.

3. Транспорт, сопряженный с изменением архитектуры мембран - экзо и эндоцитоз.

Пассивный транспорт

Пассивный транспорт – это перенос вещества в сторону уменьшения химического и электрохимического потенциалов. Как отмечали выше, пассивный транспорт веществ может осуществляться в процессе простой или облегченной диффузии. Движущей силой пассив­ного транспорта являются градиенты концентрации и электрического потенциала. В слу­чае транспорта неэлектролитов (Z = 0) или в отсутствие электрического поля dφ/dx = 0 плотность потока вещества (количество вещества в единицу времени через единицу пло­щади поверхности, перпендикулярной направлению переноса) описывается уравнением dm/dt = -URTS dc/dx, где U - подвижность частиц, с - концентрация частиц, S – площадь переноса.. Согласно соотношению Эйнштейна, коэффициент диффузии D = URT, тогда

dm/dt = -DS dc/dx (1 закон Фика).

Простая диффузия веществ может осуществляться через липидный бислой, через поры в билипидном слое и через белковые поры. Скорость простой диффузии определяется градиентом концентрации вещества в мембране (разно­стью концентрации снаружи и внутри клетки) и коэффициентом проницаемости мем­браны (Р). Коэффициент проницаемости зависит от свойств мембраны и переносимых веществ и определяется как P = DK/l, где D - коэффициент диффузии, К – коэффициент распределения, l -толщина мембраны. Как видно из этой формулы, коэффициент проницаемо­сти тем больше, чем больше коэффициент диффузии, чем тоньше мембрана, и чем лучше вещество растворяется в липидном бислое.

В липидной фазе мембран хорошо растворяются неполярные соединения, напри­мер, органические жирные кислоты, эфиры. Эти вещества хорошо проникают через ли­пидный бислой.

Вода и полярные водорастворимые соединения (соли, основания, сахара, амино­кислоты, спирты) плохо растворяются в липидной фазе и поэтому не должны проходить через билипидный слой мембран. Однако, известно, что все биологические мембраны очень хорошо проницаемы для молекул воды и малых гидрофильных молекул. Этот факт свидетельствует о том, что существуют специальные пути транспорта таких молекул че­рез мембраны. В настоящее время известно три способа транспорта воды и водораствори­мых молекул через мембраны: образование кинков, через липидные поры, при помощи переносчиков (облегченная диффузия).

Образование кинков.

Проникновение гидрофильных молекул и воды через липидный бислой связы­вают с образованием между жирно-кислотными хвостами липидных молекул свободных полостей вследствие их теплового движения, так называемых кинков (от англ. kink – петля). Образование кинков происходит за счет гош-транс-гош –конфигураций липид­ных молекул (рис.?).

Рис. 5. Схематичное изображение образования кинка липидной фазе биологических мембран Антонов, 37 стр)

а. Углеводордная цепь липида в транс-конформации;

б. Углеводордная цепь липида в гош- транс- гош -конформации

Вследствие теплового движения молекул, кинки могут переме­щаться поперек мембраны и переносить попавшие в них небольшие молекулы, в первую очередь, молекулы воды.

Второй путь проникновения нерастворимых в липидах молекул – через липидные и белковые поры в мембранах.

Липидные поры

Барьерные и механические свойства клеточных и внутриклеточных мембран обуславли­ваются непрерывностью липидного бислоя. Однако, в процессе жизнедеятельности клетки, непрерывность бислоя может нарушаться и приводить к образованию структур­ных дефектов типа сквозных гидрофильных пор. Естественно, при этом изменяется и па­раметры биомембран, в частности проницаемость, стабильность. Сквозные поры в липид­ном бислое появляются в результате действия различных факторов: тепловых флуктуаций поверхности бислоя, энергетического пробоя, замораживания, действия ПАВ, осмотиче­ского давления, окисления молекул липидов и т.д. Один из наиболее типичных и хорошо изученных примеров дестабилизации мембран – гемолиз эритроцитов. Это явление начинается с набухания клеток в результате осмотического давления, при помещении их в гипотонический раствор. При набухании мембрана эритроцита растягивается, и при опре­деленном пороговом уровне натяжения мембраны появляются гидрофильные липидные поры. (Рис.3 Антонов,с. 49). Через эти поры гемоглобин и низкомолекулярные соедине­ния выходят из клетки, что приводит к снижению разности осмотического давления на мембране. Натяжение мембраны снижается, и поры затягиваются. Белки цитоскелета по­зволяют эритроциту сохранить форму и при этом образуется так называемая «тень эрит­роцита». В отсутствие цитоскелета и его недостаточного развития прочность клетки опре­деляется прочностью мембраны, т.е. наличием и размерами липидных пор. Если размеры поры меньше критического размера, она затягивается и зарастает. Неограниченный рост поры приводит к разрушению мембраны. По своему происхождению, структуре и функ­циям липидные поры принципиально отличаются от белковых каналов. Белковые каналы характеризуются определенными размерами, которые не изменяются в течение всей жизни клетки. Размеры липидных пор не постоянны, они варьируют в широких пределах в процессе образования и зарастания (табл. 3). Если размер поры меньше критического, то пора, в процессе зарастания, проходит все промежуточные радиусы и достигает минималь­ного размера.

Таблица 3

Размеры липидных пор в модельных и клеточных мембранах

Тип мембраны	Радиус поры, нм	Тип воздействия на мембрану
Эритроцит Эритроцит L- клетка Липосомы Липосомы Билипидная мембрана	3,0 – 4,0 2,0 1,2 0,2- 2,0 0,6 – 0,8 1,2-1,8	Электрический пробой Осмотический гемолиз Электрический пробой Осмотический гемолиз Фазовый переход Фазовый переход

 

Предполагается, что липидные поры полностью не затягиваются, так как этому препятст­вуют мощные силы гидратации, проявляющиеся при сближении стенок гидрофильных пор. Липидные поры, в отличие от белковых каналов, не обладают избирательной прони­цаемостью по отношению к тем или иным молекулам и ионам. Однако, по мере затягива­ния размеры липидных могут стать соизмеримыми с размерами ионных каналов. Экспе­риментально показано, что через определенное время после снятия стрессового воздейст­вия, проводимость мембраны возвращается в исходное состояние. Это объясняется тем, что образованные при стрессе липидные поры затягиваются до маленьких размеров и не способны пропускать гидратированные ионы. На последних этапах затекания липидные поры пропускают только молекулы и ионы воды. Как видно, через гидрофильные липид­ные поры могут проходить и высокомолекулярные вещества, и низкомолекулярные со­единения, органические и неорганические ионы, молекулы воды. Показано, что большие поры могут пропускать в клетку такие гигантские молекулы как молекулы ДНК. Меха­низм этого явления пока непонятен. Средний диаметр статистического клубка ДНК дости­гает до 2000 нм. Критической размер липидной поры около 9 нм. Предполагается, что липидная пора в этом случае служит якорем для фиксации свободных концов ДНК, что удерживает молекулу на определенном участке мембраны. Дальнейший перенос моле­кулы ДНК в клетку происходит по механизму пиноцитоза.

Облегченная диффузия

В ряде случаев, посредниками для переноса органических молекул служат специ­альные молекулы. Эти молекул по химической природе являются белками, полипепти­дами или олигопептидами. Эти молекулы способны узнавать определенные вещества и транспортировать их через мембрану. Этот вид транспорта называют облегченной диффу­зией. Широко известна облегченная диффузия ионов калия при помощи антибиотика ва­линомицина. Молекула валиномицина состоит из 6 остатков аминкислот и 6 остатков кетокислот, имеет цилиндрическую форму. Внутри цилиндра располагаются полярные группировки, снаружи – неполярные. Поэтому эта молекула хорошо растворяется в ли­пидной фазе и может свободно диффундировать через липидный бислой мембран. Каж­дая молекула валиномицина способна связывать один ион калия. При взаимодействии валиномицина с К⁺ происходит разрушение гидратной оболочки иона и образование ком­плекса. Комплекс валиномицин – К⁺ по градиенту концентрации диффундирует через мембрану. При низкой концентрации ионов калия в среде комплекс разрушается и сво­бодный валиномицин диффундирует обратно. Облегченная диффузия имеет свои харак­терные особенности. Как видно, перенос ионов калия валиномицином может происходить в ту или иную сторону в сторону меньшей концентрации ионов. Облегченная диффузия имеет ряд характерных отличий от простой диффузии.

При облегченной диффузии скорость переноса значительно выше.

Процесс облегченной диффузии характеризуется свойством насыщения. При по­вышении концентрации переносимого вещества скорость переноса возрастает лишь до определенного предела, когда все молекулы переносчика связаны с переносимым вещест­вом. Затем скорость транспорта не повышается (Рис. 6).

 

Рис. 6. Зависимость скорости переноса в клетку через мембрану от концентрации вещества во внеклеточном пространстве

1 – простая диффузия; 2 – облегченная диффузия

Облегченная диффузия характеризуется высокой специфичностью и избирательно­стью. Так, показано, что через плазматическую мембрану таким путем транспортируется только L – аминокислоты, но аминокислоту. Переносчики сахаров, наоборот, транспор­тируют через мембрану, только D-изомеры. Если переносчик способен транспортировать разные типы молекул, то наблюдается конкуренция между ними. При этом одни типы мо­лекул переносятся лучше, чем другие. Например, через мембрану эритроцитов, глюкоза переносится лучше, чем фруктоза, фруктоза лучше, чем ксилоза, ксилоза лучше, чем ара­биноза и.т.д.

Работа переносчика может блокироваться веществом, имеющим сходную струк­туру с транспортируемым соединением. Например, флоридзин подавляет транспорт саха­ров через мембрану.

Как видно, работа белковых переносчиков на мембранах имеют много общего с работой ферментов.