Материал: 9. Мембрана Документ Microsoft Office Word

.

– специфічний для певних молекул;

– швидкість його вища за швидкість простої дифузії;

– досягає насичення;

– чутливий до дії певних інгібіторів.

Провідність мембрани визначається концентрацією наявних в ній

141

носіїв струму та їх рухливістю. Низька діелектрична проникність ліпідів (ε = 2…3) дуже несприятлива для впровадження заряджених частинок у мембрану.

Можна показати [29], що величина енергетичного бар’єра в мем-брані зменшується, а отже, проникність мембрани для іона зростає зі збільшенням радіуса іона r і наближенням величини діелектричної про-никності мембрани ε_м до діелектричної проникності води ε_в. На цих фі-зичних принципах і ґрунтується перенесення іонів іонофорами. Іонофо-ри можуть утворювати з іоном комплекс великого розміру – переносники, або формувати пори в мембрані, які заповнені водою, – канали.

Перший механізм полягає в тому, що молекула переносника захоп-лює речовину (тим самим немовби збільшуючи його радіус), що транс-портується на одному боці мембрани і разом з ним рухається через лі-підний бішар на другий бік мембрани. Це – перенесення за допомогою рухомого переносника. Прикладом рухомих переносників є іонофорні антибіотики, що здійснюють таким чином транспорт іонів лужних ме-талів, наприклад, валіноміцин транспортує іони калію.

Другим механізмом полегшеної дифузії є транспорт за допомогою спеціальних пор, яке називають також естафетним перенесенням.

• цьому випадку пора може бути утворена декількома послідовно роз-

міщеними молекулами, між якими передаються іони. Наприклад, анти-біотик граміцидин А переносить іони Na⁺.

Полегшеною дифузією пояснюється перенесення через біологічні мембрани амінокислот, цукру та інших біологічно значущих речовин.

Відмінності полегшеної дифузії від простої:

– речовина за участю переносника переноситься значно швидше;

– полегшена дифузія має властивість насичення;

– за меншої дифузії спостерігається конкуренція перенесених речо-вин у тих випадках, коли переносником переносяться різні речовини; так, із цукру глюкоза переноситься швидше ніж фруктоза, фруктоза швидше ніж ксілоза, а ксілоза швидше ніж арабіноза;

142

– є речовини, які блокують полегшену дифузію і утворюють міцний комплекс з молекулами переносника.

Фільтрацією називають рух розчину через пори в мембрані під дією градієнта тиску. Швидкість перенесення у процесі фільтрації під-

коряється закону Пуазейля:

де dυ/dt – об’ємна швидкість перенесення розчину; w – гідравлічний опір. Явище фільтрації відіграє важливу роль у процесах перенесення

води через стінки кровоносних судин.

Осмос – проста дифузія води місця з її більшою концентрацією в місця з меншою концентрацією води. Осмос відіграє велику роль у ба-гатьох біологічних явищах. Явище осмосу зумовлює гемоліз еритроци-тів у гіпотонічних розчинах.

3.5.2. Поняття активного транспорту речовини

Активний транспорт – це перенесення речовини з місць з мен-шим значенням електрохімічного потенціалу в місця з його більшим значенням. Активний транспорт у мембрані супроводжується зрос-танням енергії Гібса, він не може здійснюватися мимовільно, а лише за рахунок витрати енергії, яка запасена в макроергічних зв’язках АТФ.

Активний транспорт речовин через біологічні мембрани має вели-чезне значення. За рахунок активного транспорту в організмі створю-ються градієнти концентрацій, градієнти електричних потенціалів, гра-дієнти тиску тощо, які підтримують життєві процеси, тобто з погляду термодинаміки активне перенесення утримує організм у нерівноважно-му стані, підтримує життя.

Активний транспорт через біологічні мембрани досліджував дан-ський учений Г. Уссінг (1949 р.) у дослідах з перенесення іонів натрію через шкіру жаби (рис. 3.19) [56]. Перенесення ґрунтувалося на вимірю-

143

ванні активного транспорту електричним методом (методом короткого замикання). Якщо розділити дві камери з однаковими розчинами Рінге-ра шкірою жаби, то між її зов-

поверхні. Відношення потоків іонів у разі пасивного транспорту вира-жається рівнянням Уссінга:

Регулюючи струм у компенсувальному колі, можна досягти різниці потенціалів до нуля. Тоді в системі має настати рівновага, оскільки не-має градієнтів концентрацій іонів і потенціалу між камерами, розділе-ними шкірою жаби. В таких умовах пасивне перенесення іонів згідно з критерієм Уссінга неможливе, сумарний потік дорівнює нулю.

Проте під час проведення експериментів було виявлено [94], що струм, який тече в компенсаційному колі, протікає і крізь шкіру. От-же, відбувається одностороннє перенесення іонів. Методом мічених атомів було показано, що потік іонів натрію від зовнішньої до внут-рішньої поверхні більший від потоку в протилежному напрямку. Та-ким чином, струм усередині епітелію створюється активним перене-сенням іонів натрію.

144

Згідно із сучасним уявленням активно транспортуються іонні насоси біологічних мембран – спеціальні білкові комплекси (транспортні АТФ). Відомі три типи електрогенних іонних насосів. Комплекс К⁺-Na⁺-АТФ за рахунок енергії гідролізу однієї молекули АТФ у клітину переносяться два іони калію і виносяться з клітини три іони натрію. Отже, насос генерує електричний струм через мембрану, тому К⁺–Na⁺-насос – електрогенний. Са⁺–АТФ переносить два іони кальцію, а Н⁺-насос – два протони з вико-ристанням енергії однієї молекули АТФ.

• більшості моделей активного транспорту передбачається процес сполучення хімічної реакції гідролізу АТФ (скалярного процесу) з на-прямленим просторовим переміщенням (векторним процесом). У цьому випадку білок або білковий комплекс повинен виконувати як фермента-тивну, так і транспортну функції. Отже, у простому випадку він може містити один активний центр і один центр скріплення іонів. Для забез-печення транспорту іонів між двома мембранами передбачається, що центр скріплення іонів може поперемінно контактувати з обома розчи-нами, розділеними мембраною. Це, наприклад, мінорні рухи, які відкри-вають та закривають канали, сполучені з розділеними мембраною роз-чинами, або повернення всієї молекули ферменту в площину мембрани, що зумовлюють пересування центра скріплення іонів через мембрану. Можливі також зміни просторової форми макромолекули для перемі-

щення центра скріплення йонів.

Як показали дослідження, білок К⁺-Na⁺-АТФ існує в двох різних конформаціях – Е₁ та Е₂, при цьому Е₁ має високу спорідненість з Na⁺ і низьким – з К⁺ (місця скріплення іонів орієнтовані до цитоплазми). Ця конформація білка має високу спорідненість з молекулами АТФ. Кон-формація Е₂ ферменту має високу спорідненість з К⁺ і низьку – з Na⁺ (місця скріплення обернені назовні). При цьому Na⁺ потрібен для швид-кого фосфоритування, а К⁺ – для швидкого дефосфоритування.

Перехід іонів К⁺ із зв’язаного з ферментом стану у вільний стан ві-дбувається на завершальному п’ятому етапі. Цей процес індукується

145

скріпленням АТФ з алостеричним центром ферменту, який має низьку спорідненість.

Таким чином, у процесі активного транспорту молекула АТФ вико-нує дві функції – субстрати та алостеричного ефектора.

Запропоновані моделі будови, згідно з якими ці білкові комплекси містять 6, 8 або 10 трансмембранних α-спіральних сегментів. Є велика гідрофільна ділянка, що містить домени, де зв’язуються нуклеотиди і де відбувається фосфоритування. При цьому зміна конформації, що супро-воджується гідролізом АТФ, зумовлює зміну спорідненості відповідних центрів білка з іонами.

Створені за допомогою систем активного транспорту градієнти концентрацій речовин утворюють на мембрані різницю хімічного або електрохімічного потенціалу, за рахунок чого можуть переноситися ін-ші речовини проти градієнтів їх концентрацій. Такий транспорт, джере-лом енергії якого є не безпосередньо АТФ або енергія окиснювально-відновних реакцій, а градієнт концентрацій інших речовин називають вторинно-активним, або зв’язаним.

• три види вторинно-активного транспорту іонів: уніпорт, симпорт

• антипорт.

• разі уніпорту за рахунок існування на мембрані градієнта елект-ричного потенціалу здійснюється однонапрямлений транспорт зарядже-них частинок у бік меншого значення потенціалу. У процесі антипорту (обмінного транспорту) здійснюється транспорт однаково заряджених іонів двох типів у різних напрямках. Згідно з механізмом симпорту (ко-транспорту) здійснюється транспорт протилежно заряджених іонів в одному напрямі. При цьому один з іонів транспортується за градієнтом концентрацій, а другий – за градієнтом електричного потенціалу, який створюється транспортом першого іона.

Одним з найбільш вивчених випадків вторинно-активного транс-порту незаряджених молекул є всмоктування глюкози в стінки кишеч-нику. Тут транспорт глюкози здійснюється проти градієнта концент-

146

рації, але не за рахунок енергії АТФ, а завдяки градієнту концентрації іншої речовини, у цьому випадку – іонів натрію. Подібні системи тра-нспорту існують і для багатьох інших речовин, наприклад вуглеводів і амінокислот, що дуже важливо, оскільки для них немає специфічних насосів.