Біофізика мембранного транспорту


Біофізика мембранного транспорту
1. Транспорт неелектролітів. Проникність мембран для води.
2. Проста дифузія. Зв'язок проникності мембран з розчинністю проникаючих речовин в ліпідах.
3. Полегшена дифузія. Транспорт вуглеводів і амінокислот через мембрани за участю переносників.
4. Транспорт електролітів. Електрохімічний потенціал. Іонна рівновага на межі мембрана-розчин. Рівновага Доннана.
5. Електродифузійне рівняння Нернста-Планка. Рівняння постійного поля для потенціалу та іонного потоку. Проникність і провідність. Співвідношення односторонніх потоків (співвідношення Уссінга).
6. Біофізичні особливості активного транспорту
1. Механізм транспорту речовин до клітини та з неї залежить від розмірів частинок, що транспортуються. Малі молекули та іони проходять крізь мембрани шляхом пасивного чи активного транспорту. Перенесення макромолекул та великих частинок здійснюється за рахунок ендоцитозу та екзоцитозу.
Пасивний транспорт відбувається без затрати енергії шляхом дифузії, осмосу та полегшеної дифузії.
Дифузія — це транспорт молекул та іонів через мембрану з ділянки з високою концентрацією до ділянки з низькою концентрацією, тобто речовини надходять за градієнтом концентрації.
Дифузія може бути простою та полегшеною. Якщо речовини добре розчинні в ліпідах, то вони проникають до клітини шляхом простої дифузії. Напр. оксиген, потрібний клітині при диханні, та вуглекислий газ у розчині швидко дифундують крізь мембрани. Таким способом проникають до клітини також деякі фармацевтичні препарати, які є ліпідорозчинними.
Вода також здатна проходити крізь мембранні пори, що утворені білками, і переносити молекули та іони речовин, які в ній розчинені. Дифузію води крізь напівпроникну мембрану називають осмосом. Вода переходить з ділянки з низькою концентрацією солей до ділянки, де їхня концентрація вища. Тиск на мембрану, що виникає при цьому, називають осмотичним. Усі живі клітини здатні регулювати осмотичний тиск, змінюючи концентрацію речовин поза клітиною та всередині клітини.
Ліпідний шар є непроникним для іонів, отже він здатний розділяти заряди і виконувати функції ємності.
Ліпідний шар оснащений іонними каналами, через які можуть проходити неорганічні іони. Перенесення електричних зарядів через мембрану можна уявити у вигляді еквівалентного електричного ланцюга.
Розчинені речовими і розчинник переміщуються через напівпроникні мембрани завдяки дифузії – взаємного проникнення речовин, що стикаються одна з одною за теплового руху частинок речовини. Дифузія відбувається у напрямку зменшення концентрації речовини і призводить до рівномірного розподілу по об‘єму, який вона займає (до вирівнювання хімічного потенціалу).
Швидкість дифузії розчиненої речовини можна визначити за рівнянням Фіка.
Коефіцієнт дифузії залежить від природи і молекулярної маси речовини і розчинника. Напрямок потоку частинок і градієнта концентрації (який спрямований у юік зростання концентрації) протилежні, саме через це в останній формулі присутній знак мінус.
Осмотичний тиск
Штучна система, в якій мембрана М розмежовує два розчини з різною концентрацією, причому концентрація розчину 2 перевищує концентрацію розчину 1.
Мембрана характеризується напівпроникністю і пропускає розчинник, але не молекули розчиненої речовини. В результаті відбувається перенесення води з лівої частини в праву, що супроводжується збільшенням об‘єму рідини в правій частині і підніманням її рівня до тих пір, доки гідростатичний тиск стовпчика води не стане протидіяти подальшому зростанню об‘єму розчину. Гідростатичний тиск в цьому випадку відповідає потенціальному осмотичному тиску.
Біомембрана – бар‘єр, який характеризується селективною вибірковістю для певних іонів. Розглянемо мембрану, яка розмежовує два відсіки 1 та 2. У відсіку 1 міститься розчинник, а у відсіку 2 – речовина А, розчинена у розчиннику.
Уявімо, що мембрана є проникною лише для розчинника. Тоді його молекули рухаються з відсіку 1 до 2 завдяки концентраційному градієнту. Потоку молекул розчиненої речовини протидіє тиск, який встановився у відсіку 2.
Отже, осмотичний тиск – це тиск розчину на апівпроникну мембрану, що відмежовує його від розчинника або від розчину з меншою концентрацією. Він зумовлений ниженням хімічного потенціалу розчинника у присутності озчиненої речовини.
Осмотичний тиск в живому організмі – один з найважливіших факторів, що впливають на розподіл води і розчинених речовин у тканинах.
3. Речовини, які не є розчинними у ліпідах, транспортуються через іонні канали, утворені в мембрані білками, чи за допомогою білків-переносників. Це полегшена дифузія, шляхом якої, напр. здійснюється надходження глюкози до еритроцитів. Серед систем пасивного транспорту важливу роль відіграють іонні канали, які забезпечують проникність мембрани для Na+, K+, Ca2+. Na+-канали активуються вератрадином, батрахотоксином, блокуються амілоридом, тріамтереном; K+-канали блокуються місцевими анестетиками (лідокаїном, дикаїном), деякими протисудомними (дифеніл, карбамазепін, вальпроати, фенобарбітал та ін.) і протиаритмічними засобами (аміодарон); Ca2+-канали чутливі до цілої низки хімічних речовин, зокрема верапамілу, дилтіазему, ніфедипіну та інших похідних дигідропіридинів. Трансмембранний обмін (антипорт) чи односпрямований транспорт (симпорт) іонів здійснюється спеціальними білками-переносниками. Система односпрямованого транспорту (котранспорту) представлена (Na++K++Cl–)-переносником, що є чутливим до дії діуретиків (фуросеміду, амілориду, туметаніду). Виключення або різка зміна властивостей переносників і каналів лежить в основі дії багатьох токсичних і фармацевтичних речовин. Деякі речовини — іонофори, до яких належать різні антибіотики (валіноміцин, амфотерицин В, нонактин, енніатини, аламетицин та ін.), синтетичні циклополіефіри самостійно здатні утворювати канали у ліпідному бішарі мембрани. Дія деяких ЛП заснована на зміні властивостей каналів і переносників, що дозволяє регулювати транспорт речовин у клітинах і організмі в цілому.
4. Електрохімічний потенціал
Уявімо деяку ємність, розділену на 2 відсіки мембраною, проникною лише для іонів калію. Якщо концентрація розчинів хлориду калію в обох відсіках однакова, то кількість іонів калію, що переходять з відсіку 1 у відсік 2 і навпаки буде однаковою. Через це різниця потенціалів, що втановлюється на мембрані, дорівнює нулю.
Якщо концентрація хлориду калію у 1 буде більша, ніж у 2, то буде мати місце дифузія іонів, при якій кількість позитивних зарядів у 2 збільшиться. Отже, на мембрані встановиться різниця потенціалів.
Таким чином, різниця концентрацій іонів калію між відсіками є хімічним градієнтом (хімічною різницею потенціалів), що зумовлює дифузійний поток іонів крізь мембрану з відсіку 1 у відсік 2.
В той же час, накопичення позитивних зарядів у 2 сприяє утворенню електричного градієнту (електричної різниці потенціалів), який змушує іони калію рухатися в протилежному напрямку – з 2 в 1.
В цілому наявність концентраційного (хімічного) і електричного градієнтів зумовлює стан електрохімічної рівноваги іонів калію.
Різниця потенціалів, що виникає на мембрані при такому стані – електрохімічний (рівноважний) потенціал.
Іонна рівновага
Як вже наголошувалось, осмотичний тиск зумовлений зниженням хімічного потенціалу розчинника в присутності розчиненої речовини. Аналогічна ситуація має місце, коли мембрана розмежовує заряджені частинки – іони.
Проходження багатьох незаряджених частинок через мембрани описується законом дифузії. Щільність потоку речовин Jm при пасивному транспорті підпорядкована рівнянню Теорелла
Щільність потоку речовин – це величина, яка чисельно дорівнює кількості речовини, яка переноситься за одиницю часу через одиницю площі поверхні, перпендикулярної напрямку перенесення.
Підставимо в попередню формулу вираз для електрохімічного потенціалу (μ=μо+RТlnС+zFφ), отримаємо для розбавлених розчинів при μо=соnst рівняння Нернста-Планка.
Отже, існують дві причини перенесення речовини при пасивному транспорті: градієнт концентрації dс/dх та градієнт електричного потенціалу dφ/dх. Знаки «мінус» перед градієнтами вказують, що градієнт концентрації викликає перенесення речовин з ділянки великої концентрації до ділянки з меншою концентрацією, а градієнт електричного потенціалу викликає перенесення позитивних зарядів від місць з більшим до місць з меншим потенціалом.
5.Одним із способів рішення рівняння Нерста-Планка допускає лінійну залежність електричного потенціалу φ від координати х (наближення постійного поля), тобто dφ/dх=Δφ/l=соnst, де Δφ – різниця потенціалів по обидві боки мембрани; l – товщина мембрани. Після перетворення отримаємо вираз для потоків:
J=zFu/l•См2ехр(zFΔφ/RТ)-См1/l-ехр(zFΔφ/RТ)
У випадку неелектролітів (z=0) або відсутності електричного поля (dφ/dх=0) рівняння Теорелла переходить в рівняння Jm=uRТ•dс/dх.
Згідно співвідношення Ейнштейна коефіцієнт дифузії D=uRТ. В результаті отримаємо рівняння, яке описує просту дифузію – закон Фіка.
В разі пасивного транспорту речовин крізь мембрану рівняння набуде вигляду:
Jm=Р(с1-с2),
де Р – коефіцієнт проникності мембрани.
Потік речовин в разі полегшеної дифузії записують
Jm=Jmах[S]/Кт+[S],
де [S] – концентрація транспортабельної речовини; Jmах-максимальний потік при насиченні білка-переносника транспортувальною речовиною; Кт-константа.
Осмотичний тиск π – це допоміжний тиск, який необхідно прикласти до мембрани, щоб зрівняти хімічні потенціали розчинника з обох боків мембрани. Для розбавлених розчинів:
π =nRТ/V або π=RТ/М•С,
де n – кількість молів розчиненої речовини; С – концентрація розчиненої речовини; V – об’єм; М – молекулярна маса розчинної речовини.
Осмотичний тиск з урахуванням проникності мембрани для молекул води і речовини π=σ•RТ/М•С, де σ – коефіцієнт відбивання, або константа Ставермана.
Коли в системі містяться іони, які не проникають крізь мембрану, в системі встановлюється рівновага Гіббса-Доннана. Знаходимо різницю потенціалів на мембрані:
φ=φ1-φ2=RТ/F•lnСА2/СА1=-RТ/F∙lnСВ2/СВ1,
де СА1 і СА2 – концентрації рухомих катіонів, СВ1 і СВ2 –концентрації нерухомих аніонів в двох фазах.
Співвідношення концентрацій іонів називають відношенням Доннана r:
r=СА1/СА2=СВ2/СВ1.
При вимірюванні осмотичного тиску поліелектролітів необхідно враховувати ефект Доннана. Для цього визначають концентрацію електролітів у системі і вводять у ­розрахунки відповідну поправку або виміряють осмотичний тиск у присутності надлишку низько­молекулярного електроліту. У цьому випадку знайдений осмотичний тиск відповідає осмотичному тиску тільки високомолекулярних іонів R–. Співвідношення іонних концентрацій зберігаються також у більш складних системах, коли відбувається дифузія кількох електролітів або багатовалентних іонів.
Унаслідок нерівномірного розподілу електролітів між клітиною і зовнішньою рідиною виникає різниця потенціалів, яку називають мембранним біопотенціалом. Цей механізм нерівномірного розподілу іонів відіграє важливу роль у регулюванні у клітинах та живих тканинах необхідних концентрацій іонів. Напр., при активному диханні незначне зниження рН у тканинах у результаті утворення СО2 і Н+ полегшує вивільнення кисню, пов’язаного з гемоглобіном. Цей процес супроводжується зв’язуванням Н+ гемоглобіном, що збільшує буферну ємність системи і відновлює початкове значення рН тканини. У даному випадку мембранна рівновага встановлюється у системі еритроцит — плазма крові, що розділені мембраною еритроцита; гемоглобін є поліелектролітом. При порушеннях у тканинах водно-сольового обміну, кислотно-лужної рівноваги при різноманітних патологічних станах відбувається порушення мембранної рівноваги, що викликає зміну буферних та осмотичних властивостей системи. Такі зміни відбуваються, напр., при ацидозі, коли накопичення у крові аніонів кислот супроводжується надлишковим накопиченням іонів К+ і Na+, унаслідок чого рН крові знижується. При алкалозі у крові спостерігаються протилежні зміни.
Теорія Доннана має важливе значення для розуміння і теоретичного обгрунтування цілої низки явищ: осмотичного тиску ліофобних колоїдів і розчинів високомолекулярних речовин, негативної адсорбції іонів, процесу набухання, а також різних фізіологічних процесів. Так, мембранна рівновага Доннана допомагає розкрити механізми, завдяки яким клітини можуть існувати у середовищах, що значно відрізняються за вмістом електролітів і осмотичним тиском від внутрішнього середовища клітини.
Односторонні потоки речовин через мембрану зв’язані між собою співвідношенням Усінга-Теорелла:
Jі/Jо=Со/Сіехр[zFφ/(RТ)] ,
де Jі- потік у внутрішню фазу; Jо-потік у зовнішній розчин; Сі і Со – концентрація відповідно всередині і зовні.
Фільтрацією називають рух розчину через пори в мембрані за дії градієнту тиску. Швидкість перенесення при фільтрації підпорядкована закону Пуазейля:
dV/dt=Р1-Р2/W,
де dV/dt- обємна швидкість переносу розчину, W – гідравлічний опір, W=8lη/πr4, l – довжина пори, r – її радіус, η – коефіцієнт в’язкості розчину.
6. Активний транспорт речовин крізь мембрану здійснюється проти градієнта їхньої концентрації із затратою енергії АТФ та за участю спеціальних мембранних білків — транспортних АТФаз, які також називаються іонними насосами. Найбільш поширеними в клітині тварин є Н+-АТФаза, Na+,K+-АТФаза і Са2+-АТФаза, що являють собою цілі мембранні комплекси із складною структурою. Функціональне значення біо­логічних насосів полягає у підтримці всередині клітини постійного іонного складу. Na+,K+-АТФаза сприяє виведенню Na+ з клітини та надходженню К+ до клітини за допомогою енергії АТФ і є прикладом антипортного транспорту. Із впливом на натрієвий насос пов’язаний механізм дії деяких фармацевтичних препаратів. Так, напр. серцеві глікозиди (дигоксин, уабаїн, строфантин К) пригнічують Na+,K+-АТФазу; деякі діуретики (тіазиди) інгібують активний транспорт Na+ та/або Cl– в епітелії канальців нирок; омепразол знижує кислотність шлункового соку, незворотно пригнічуючи протонний насос Н+-АТФазу парієтальних клітин шлунка. Са2+-АТФаза високочутлива до дії різноманітних тіолових отрут та ін.

Приложенные файлы

  • docx 23702463
    Размер файла: 22 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий