Том 1 (1128365), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Например, для уретана этоткоэффициент в 1000 раз выше, чем для глицерола (рис. 4-23). Причину такогоразличия можно выявить, сравнив структурные формулы двух молекул,гексанола и D-маннитола,Рис. 4.23. Зависимость проницаемости мембраны для неэлектролитов от их коэффициентовраспределения в системе масло/вода. Заметим, что проницаемость для неэлектролитов не зависит отразмера молекул. (Collander, 1937.)102Рис. 4.24. Структурные формулы двух шестиуглеродных молекул - гексанола и маннитола. Обратитевнимание на различие в числе гидроксилъных групп.
Гексанол слабо растворим в воде и хорошорастворим в липидах, тогда как маннитол хорошо растворим в воде и слабо - в липидах из-за своейспособности образовывать водородные связи.Рис. 4.25. Взаимосвязь между коэффициентом проницаемости и числом водородных связей, которыеможет образовывать молекула данного вещества. Чем больше число водородных связей, тем меньшерастворимость в липидах и соответственно меньше коэффициент проницаемости. (Stein, 1967.)показанные на рис. 4-24.
Структура молекул совершенно идентична, заисключением того, что гексанол содержит только одну ОН- - группу, а маннитолшесть. Гидроксильные группы образуют водородные связи с водой, благодарячему снижается растворимость соответствующих веществ в липидах.Образование одной водородной связи приводит к уменьшению коэффициентараспределения в 40 раз, что сопровождается уменьшением проникающейспособности (рис. 4-25). Все это приводит к тому, что гексанол диффундируетчерез мембраны гораздо быстрее маннитола.Вода проникает через клеточные мембраны гораздо легче, чем это следуетиз ее коэффициента распределения (рис. 4-23).
Отчасти это связано с тем, чтовода может поступать в клетку через особые каналы, пронизывающие липидныйбислой. Однако проницаемость для воды искусственных, не содержащихканалов липидных бислоев все же в несколько раз выше, чем та, что следует израстворимости воды в углеводородах с большой длиной цепи.
По-видимому, этообусловлено тем, что маленькие незаряженные молекулы воды могут проходитьсквозь временные каналы, образующиеся между молекулами липидов.Относительно высокой проникающей способностью при прохождении черезискусственные и природные мембраны обладают и другие малые незаряженныеполярные молекулы, например СО2.Простая диффузия через липидный бислой характеризуется кинетикой безнасыщения (рис. 4-22, А). Скорость переноса увеличивается пропорциональноконцентрации растворенного вещества во внеклеточной жидкости, посколькурезультирующая скорость переноса определяется разностью в числерастворенных молекул, соударяющихся с мембраной по разные ее стороны.
Этапропорциональность между концентрацией во внеклеточной среде и скоростьюпроникновения вещества в клетку в широком диапазоне концентраций отличаетпростую диффузию от переноса, осуществляемого через каналы или с помощьюпереносчика (рис. 4-22).103102 :: 103 :: Содержание103 :: 104 :: Содержание4.5.2. Диффузия через мембранныеканалыЗаряженные молекулы, в том числе такие неорганические ионы, как Na +, K+,Са2+ и Сl-, неспособны проникать через мембраны путем простой диффузиичерез липидный бислой. Селективная проницаемость клеточных мембран дляэтих полярных гидрофильных ионов предполагает наличие в мембранахспецифических заполненных водой каналов, сквозь которые и могутдиффундировать эти ионы.
О существовании таких каналов свидетельствуютрезультаты исследований искусственных липидных бислойных мембран(дополнение 4-2). Эти мембраны имеют очень низкую проницаемость длянеорганических ионов, однако при добавлении к ним небольшого количестваканалообразующих белков, экстрагированных из клеточных мембран,наблюдается существенное увеличение ионной проницаемости-она становитсяблизкой к проницаемости природных клеточных мембран. Встраиваниеканалообразующих белков в искусственный бислой сопровождается появлениемдискретных импульсов тока, носителем которого являются ионы, переходящие содной стороны мембраны на другую. Эти единичные токи обусловленыоткрыванием индивидуальных каналов, через которые внутрь клетки проникаюттысячи ионов в секунду. Аналогичные дискретные трансмембранные импульсытока были103Рис.
4.26, Поперечный срез в окрестности мембранного канала, выстланного положительными зарядами(упрощенное схематическое представление). Положительные заряды не препятствуют прохождениюанионов, но замедляют диффузию катионов.позднее зафиксированы в природных клеточных мембранах (см. рис. 5-28).По оценкам, полученным при исследовании проницаемости клеточныхмембран для других полярных веществ, эквивалентный размер пор составляет0,7 нм- именно такой диаметр пор можно получить исходя из скоростидиффузии через мембрану. Таким образом, в основном мембранные каналыимеют диаметр менее 1,0 нм, что близко к пределу разрешения современныхэлектронных микроскопов и методов фиксации препаратов.Отметим, что для обеспечения наблюдаемой скорости диффузии полярныхвеществ через мембраны достаточно, чтобы на долю ионных и водных каналовприходилась лишь очень малая часть площади мембраны.
Рассмотримследующий пример. При введении по обе стороны мембраны-природной илиискусственной-антибиотика нистатина его стержнеобразные молекулыагрегируют и образуют каналы в мембранах. Через эти каналы могут проходитьвода, мочевина, хлорид-ионы, любые молекулы, чей диаметр не превышает 0,4нм. Катионы проходить через мембрану не могут-прежде всего потому, чтовдоль стенок канала находятся фиксированные положительные заряды (рис. 426). Включение нистатина в искусственные мембраны сопровождается лишьнезначительным увеличением их площади (0,001-0,01%), но приводит к 100000кратному увеличению мембранной проницаемости для ионов хлора.Следовательно, ионными каналами, полностью обеспечивающими ионнуюпроницаемость природных мембран, может быть занята лишь небольшая частьих площади.
Об этом же свидетельствует и тот факт, что электрическая емкостьклеточной мембраны почти не меняется при возбуждении мембраны имногократном увеличении ее проницаемости (см. гл. 5).104103 :: 104 :: Содержание104 :: 105 :: Содержание4.5.3. Облегченная диффузияПри транспорте некоторых веществ наблюдается кинетика с насыщением, т.е.скорость поступления вещества выходит на плато, по достижении которогодальнейшее увеличение концентрации вещества не приводит к ее росту (см. рис.4-22, В). Подобную кинетику с насыщением рассматривают как указание на то,что процесс переноса имеет лимитирующую стадию. Это может быть: 1)связывание проникающей молекулы с определенным участком внутри каналаили вблизи него или(и) 2) транспорт вещества через мембрану с помощьюпереносчика, который свободно диффундирует внутри мембраны от однойстороны к другой и, таким образом, ускоряет перенос вещества через мембрану.Поскольку число молекул переносчика и скорость, с которой они реагируют спереносимым веществом и пересекают мембрану, конечны, скоростьопосредованного транспорта должна достигать максимума, когда все молекулыпереносчика заняты данным веществом.Рис.
4.27. Влияние конкурентного ингибитора на кинетикутранспорта субстрата (S), молекулы которого проходят через мембрану. В присутствии ингибитора(аналога субстрата) скорость транспорта уменьшается. А. Накопление S в присутствии ингибиторазамедляется. Б. Графики Лайнуивера-Бэрка, иллюстрирующие конкурентный характер ингибирования.104Гипотеза опосредованного переносчиком транспорта предполагаетобразование комплекса переносчик-субстрат, подобного комплексу фермент субстрат; таким образом, переносчик и переносимое вещество формируюткомплекс, специфичность образования которого определяется химическимисвязями и/или стерическими особенностями. В рамки этой гипотезыукладывается наблюдаемая кинетикаопосредованногопереносчикомтранспорта, которая соответствует кинетике Михаэлиса-Ментен. В обоихслучаях число взаимодействий с переносчиком или ферментом достигаетмаксимума, когда все молекулы переносчика или фермента заняты молекуламисубстрата.
Характерной особенностью процесса является также ингибированиетранспорта некоторыми химическими аналогами субстрата. В присутствии этиханалогов снижается скорость транспорта субстрата через мембрану призаданной концентрации субстрата (рис. 4-27, A). Две кривые в координатахЛайнуивера-Бэрка (рис. 4-27,Б) пересекают ось ординат в одной и той же точкепри бесконечной концентрации субстрата (т.е. когда 1/[S] = 0), что указывает наконкурентный характер ингибирования, а не на необратимое повреждениетранспортной системы.105104 :: 105 :: Содержание105 :: 106 :: 107 :: Содержание4.6.
Активный транспортИ простая диффузия через каналы в мембране или липидный бислой, иоблегченная диффузия-это пассивные процессы, в которых высвобождаетсятолько потенциальная энергия, запасенная в форме разности концентрацийвещества на противоположных сторонах мембраны. В ходе диффузииконцентрация вещества в двух отсеках стремится к равновесному значению(рис. 4-28), и по достижении равновесия суммарный диффузионный потокстановится равным нулю, хотя равные по величине и противоположные понаправлению потоки по-прежнему существуют.
Напомним, что если молекуланесет суммарный электрический заряд и если разность потенциалов по разныестороны мембраны не равна нулю, то концентрации вещества в отсеках будут,конечно, неодинаковыми.Большинство растворенных веществ распределены относительноповерхностной мембраны живых клеток неравновесно. Эта неравновеснаятрансмембранная разность концентраций поддерживается благодаря активнымпроцессам, протекающим в мембране, которые постоянно потребляютхимическую энергию, запасенную в основном в форме АТР. Эти довольно малоизученные системы, с помощью которых осуществляется активный транспортвеществ против их концентрационного градиента, обобщенно называютмембранными насосами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
