Физиология внутренней среды организма

2.1.3.Диффузия. Диффузия представляет собой процесс, при помощи которого газ или растворенные вещества распространяются и заполняют весь доступный объем.Молекулы и ионы, растворенные в жидкости, находятся в хаотическом движении, сталкиваясь друг с другом, молекулами растворителя и клеточной мембраной. Столкновение молекулы или иона с мембраной может иметь двоякий исход: молекула либо «отскочит» от мембраны, либо пройдет через нее. Когда вероятность последнего события высока, то говорят, что мембрана проницаема для данного вещества.

Если концентрация вещества по обе стороны мембраны различна, возникает поток частиц, направленный из более концентрированного раствора в разбавленный. Диффузия происходит до тех пор, пока концентрация вещества по обе стороны не выравнивается.

    Через клеточную мембрану проходят как  хорошо растворимые в воде(гидрофильные)вещества, так и гидрофобные, плохо или совсем в ней не растворимые. При опытах с искусственными липидными бислоями было установлено,  что чем меньше молекула и чем меньше она образует водородных связей, тем быстрее она диффундирует 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.  Важно,  что вода  очень  быстро проникает  через липидный бислой несмотря на то,  что она относительно нерастворима в жирах.  Это происходит из-за того,  что  ее молекула  мала  и электрически нейтральна.  Вода и вещества хорошо в ней растворимые проникают через временные дефекты углеводородной области мембраны, так называемые кинки, а также через поры, постоянно существующие гидрофильные участки мембраны.

    В случае, когда клеточная мембрана непроницаема или плохо проницаема для растворенного вещества, но проницаема для воды, она подвергается действию осмотических сил. При низкой концентрации вещества в клетке, чем в окружающей среде, клетка сжимается; если концентрация растворенного вещества в клетке выше, вода устремляется внутрь клетки.

Диффузия  ионов происходит, в основном, через специализированные белковые структуры мембраны -ионные каналы, когда они находятся в открытом состоянии. В зависимости от вида ткани клетки могут иметь различный набор ионных каналов. Различают натриевые, калиевые, кальциевые, натрий-кальциевые и хлорные каналы. Перенос ионов по каналам имеет ряд особенностей, отличающих его от простой диффузии. В наибольшей степени это касается кальциевых каналов.

    Ионные  каналы могут находиться в открытом, закрытом и инактивированном состояниях. Переход канала из одного состояния в другое управляется или изменением электрической разности потенциалов на мембране, или взаимодействием физиологически активных веществ с рецепторами. Ионные каналы подразделяют на потенциал - зависимые и рецептор -управляемые. Избирательная проницаемость ионного канала для конкретного иона определяется наличием специальных селективных фильтров в его устье.

    Облегченная диффузия. Но клетке  необходимо  обеспечить  транспортировку таких веществ как сахара, аминокислоты, нуклеотиды, а также многих других полярных молекул. Как уже говорилось, за перенос подобных веществ ответственны специальные мембранные транспортные белки. Такой вид пассивного транспорта называется облегченной диффузией. Каждый из них предназначен для определенного класса молекул, а иногда и для  определенной  разновидности  молекул.  Первые доказательства специфичности транспортных белков были получены,  когда обнаружилось, что мутации  в одном гене у бактерий приводят к потере способности транспортировать определенные сахара через плазматическую мембрану.  У человека есть болезнь цистинурия, при которой отсутствует способность транспортировать некоторые аминокислоты,  в частности  цистин, из мочи или кишечника в кровь, - в результате в почках образуются цистиновые камни. Все изученные  транспортные  белки являются трансмембранными белками,  полипептидная цепь которых пересекает  липидный  бислой несколько раз. Все они обеспечивают перенос молекул через мембрану,  формируя в ней сквозные проходы. Если молекула не заряжена,  то направление ее  диффузии определяется  разностью  концентраций  по обеим сторонам мембраны или градиентом концентрации.  В то же время на направление движения  заряженной  молекулы будет влиять еще и разность потенциалов на сторонах мембраны или мембранный потенциал  (обычно  внутренняя сторона  мембраны  заряжена  отрицательно относительно наружной). Учитывая концентрационный и электрический градиенты, многие белки-переносчики позволяют растворенным веществам проходить через мембраны только пассивно,  то  есть,  в направлении  электрохимического  градиента.

    Рассмотрим  подробнее работу белка переносчика,  обеспечивающего пассивный транспорт  веществ через  клеточную  мембрану. Процесс,  с помощью которого белки-переносчики  связывают и транспортируют растворенные молекулы,  напоминает ферментативную реакцию.  В белках-переносчиках всех типов имеются участки связывания для транспортируемой  молекулы.  Когда  белок  насыщен,  скорость транспортировки максимальна. Связывание может быть блокируемо как конкурентными ингибиторами,  (конкурирующими за  тот  же  участок связывания),  так и не конкурентными ингибиторами, связывающимися в другом месте и влияющими на структуру переносчика. Молекулярный механизм работы белков переносчиков пока не известен. Предполагается, что они переносят молекулы, претерпевая обратимые конформационные изменения,  которые позволяют их участкам связывания располагаться попеременно то на одной, то на другой стороне мембраны.  На данной схеме представлена модель, показывающая, как конформационные изменения в белке могли бы обеспечить  облегченную  диффузию  растворенного вещества.  Белок переносчик может состоять в двух конформационных состояниях "пинг" и "понг". Переход между ними осуществляется случайным образом и полностью обратим.  Однако,  вероятность связывания молекулы  транспортируемого вещества с белком гораздо выше в состоянии "пинг".  Поэтому молекул, перемещенных в клетку, будет, гораздо больше, чем тех, которые ее  покинут.  Происходит транспорт вещества по электрохимическому градиенту.

    Некоторые транспортные белки просто переносят  какое-либо растворенное вещество с  одной стороны мембраны на другую.  Такой перенос называется унипортом. Другие белки являются контранспортными системами. В них устанавливаются  следующие закономерности:

    а) перенос одного вещества зависит  от одновременного (последовательного) переноса другого вещества в том  же направлении (симпорт).

    б) перенос одного вещества зависит  от одновременного (последовательного) переноса  другого  вещества  в  противоположном направлении (антипорт).

    Например, большинство  животных  клеток поглощает  глюкозу из внеклеточной жидкости, где ее концентрация высока путем  пассивного  транспорта осуществляемого  белком,  который работает как  унипорт. В то же время, клетки кишечника и почек поглощают ее из люменального пространства кишечника и из почечных канальцев, где ее концентрация очень мала,  с помощью симпорта глюкозы и ионов  Na.

    Разновидностью  облегченной диффузии является транспорт  с помощью неподвижных молекул переносчиков, фиксированных определенным образом поперек мембраны. При этом молекула переносимого вещества передается от одной молекулы переносчика к другой, как по эстафете.

    Примером  белков-переносчиков может служить  валиномицин – переносчик ионов  калия. Молекула валиномицина имеет форму манжетки, устланной внутри полярными группами, а снаружи – неполярными.

    В силу особенности своего химического  строения валиномицин способен образовывать комплекс с ионами калия, попадающими  внутрь молекулы – манжетки, и с другой стороны, валиномицин растворим в липидной фазе мембраны, так как снаружи его молекула неполярна. Молекулы валиномицина, оказавшиеся у поверхности мембраны, могут захватывать из окружающего раствора ионы калия. Диффундируя в мембране, молекулы переносят калий через мембрану, и некоторые из них отдают ионы в раствор по другую сторону мембраны. Таким образом, и происходит перенос иона калия через мембрану валиномицином.

    Отличия облегченной диффузии от простой:

• перенос вещества с участием переносчика происходит значительно быстрее;
• облегченная диффузия обладает свойством насыщения: при увеличении концентрации с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;
• 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.;
• есть вещества, блокирующие облегченную диффузию – они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика, например, флоридзин подавляет транспорт сахаров через биологическую мембрану.

б) характеристика активного  транспорта 

    Активный  транспорт. Часто бывает необходимым обеспечить перенос через мембрану молекул против их электрохимического градиента.

    Такой  процесс называется активным транспортом  и осуществляется белками-переносчиками,  деятельность которых требует затрат  энергии.  Если связать белок-переносчик с источником энергии, можно получить механизм, обеспечивающий активный транспорт веществ через мембрану. Одним из главных источников энергии в клетке является гидролиз АТФ до АДФ и фосфата.                  

    2.2.1.Первично активный транспорт. Если источником энергии для активного транспорта веществ является гидролиз АТФ, а не перемещение через мембрану каких-то других молекул или ионов, транспорт называется первично активным.

 На этом явлении основан важный для жизнедеятельности клетки механизм (Na + K)-насос. Он служит прекрасным примером активного транспорта ионов.  Концентрация K внутри клетки в 10-20 раз выше,  чем снаружи.  Для  Na  картина противоположная. Такую  разницу  концентраций  обеспечивает работа (Na + K)-насоса, который активно перекачивает Na из клетки, а K в клетку.  Известно,  что  на работу (Na + K)-насоса тратится почти треть всей энергии необходимой для жизнедеятельности клетки.  Вышеуказанная  разность  концентраций  поддерживается со следующими целями:

    1) Регулировка объема клеток за счет осмотических эффектов.

    2) Вторичный транспорт веществ (будет рассмотрен ниже).

Опытным путем было установлено, что:

а) Транспорт ионов Na и K тесно связан с гидролизом  АТФ  и не может  осуществляться без него.

    б) Na и АТФ должны находиться внутри клетки, а K снаружи.

    в) Вещество  уабаин  ингибирует  АТФазу только находясь вне клетки, где он конкурирует за участок связывания с K. (Na + K)-АТФаза активно транспортирует Na наружу, а K  внутрь клетки. При гидролизе одной молекулы АТФ три иона Na выкачиваются из клетки, а два иона K попадают в нее.

    1) Na связывается с белком.

    2) Фосфорилирование АТФазы индуцирует конформационные изменения в  белке,  в результате чего:

    3) Na переносится на внешнюю сторону мембраны и высвобождается.

    4) Связывание K на внешней поверхности.