Тема: транспорт веществ через биологические мембраны

При всем многообразии строения и физико-химических свойств молекул проникающих веществ можно выделить два механизма перемещения веществ через мембрану;

1) посредством простой диффузии, т.е. без помощи специфического переносчика;

2) при помощи специфических переносчиков.

В первом случае выделяют диффузию соединений непосредственно через липидный бислой мембраны и ионов через ионные каналы. Во втором случае выделяют так называемую облегченную диффузию, первично-активный транспорт и вторично-активный транспорт.

Рассмотрим сначала простую диффузию. Посредством простой диффузии без помощи специального переносчика, во-первых, осуществляется транспорт соединений непосредственно через липидный бислой. В этом случае вещества проникают в клетку путем их растворения в липидах клеточной мембраны, поэтому данный способ присущ водонерастворимым органическим соединениям и газам (например, кислороду и углекислому газу). Во-вторых, вещества перемещаются через ионные каналы клеточной мембраны, соединяющие цитоплазму клеток с внешней средой. Клетки используют этот путь для транспорта преимущественно ионов Na⁺, Са²⁺, К⁺. Это пассивный ионный транспорт, который определяется градиентами концентрации и электрического поля (электрохимическим градиентом).

Применяемое в данном случае понятие «градиент» отличается от его определения в математике или физике. В физико-химических или биологических системах используют термин «по градиенту≫, когда речь идет о движении от большего к меньшему электрохимическому потенциалу. При движении от меньшего к большему электрохимическому потенциалу используют термин «против градиента».

При помощи специфических переносчиков осуществляется энергетически независимая облегченная диффузия ряда соединений.

Энергетически зависимый первично-активный транспорт ионов Na⁺, Ca^2+, К⁺ и Н⁺ - это перенос веществ против их электрохимичпких градиентов с затратой энергии АТФ. В результате активного переноса ионов, клетки способны накапливать их в более высоких по сравнению с окружающей средой концентрациях и вопреки их заряду. Многие градиенты, возникающие на клеточной мембране и являющиеся необходимым условием для пассивного переноса ионов по ионным каналам, появляются именно в результате их активного транспорта. Так, градиенты концентрации К⁺ и Na⁺ возникают в результате активного переноса этих ионов, т.е. работы специального Na⁺/K⁺-нacoca. За счет создающейся по обе стороны мембраны разности концентраций осуществляется диффузия этих ионов по градиентам и генерация потенциалов мембраны.

Наконец, вторично-активный транспорт ряда ионов и молекул также использует энергию, накопленную за счет потребления АТФ и затраченную на создание градиента концентрации (поэтому данный вид транспорта так называется).

Живые системы на всех уровнях организации - открытые системы. Поэтому транспорт веществ через биологические мембраны - необходимое условие жизни. С переносом веществ через мембраны связаны процессы метаболизма клетки, биоэнергетические процессы, образование биопотенциалов, генерация нервного импульса и др. Нарушение транспорта веществ через биомембраны приводит к различным патологиям. Лечение часто связано с проникновением лекарств через клеточные мембраны. Эффективность лекарственного препарата в значительной степени зависит от проницаемости для него мембраны. Большое значение для описания транспорта веществ имеет понятие электрохимического потенциала.

Химическим потенциалом данного вещества m_к называется величина, численно равная энергии Гиббса, приходящаяся на один моль этого вещества. Математически химический потенциал определяется как частная производная от энергии Гиббса, G по количеству k-гo вещества, при постоянстве температуры Т, давления Р и количеств всех других веществ m_l (l¹k).

m_k = (¶G/¶m_k)_P,T,m

Для разбавленного раствора концентрации вещества С:

m = m₀ + RTlnC

где m₀- стандартный химический потенциал, численно равный химическому потенциалу данного вещества при его концентрации 1 моль/л в растворе.

Электрохимический потенциал m- величина, численно равная энергии Гиббса G на один моль данного вещества, помещенного в электрическом поле.

Для разбавленных растворов

m = m_o + RTlnC + ZFj (1)

где F = 96500 Кл/моль - число Фарадея, Z - заряд иона электролита (в элементарных единицах заряда), j - потенциал электрического поля, Т [К] – температура.