2.1. Пассивный транспорт через мембрану.
Пассивным транспортом называется транспорт, идущий под действием градиента концентрации, если речь идет о незаряженных частицах, либо под действием градиента электрохимического потенциала, если речь идет об ионах. В любом случае пассивный транспорт сам по себе совершается самопроизвольно, без затраты энергии, то есть изменение свободной энергии такого процесса отрицательно (ΔG˂0).
Коэффициент проницаемости (Р) зависит от свойств мембраны и переносимого вещества:
P=Dβ/х, где D – коэффициент диффузии, β – коэффициент распределения вещества между водным раствором и мембраной, х – толщина мембраны, С-молярная концентрация вещества.
Можно записать закон Фика как Ф = Dβ/х● (Cout-Cin) (1),
где Ф – поток вещества через мембрану: его количество, прошедшее через единицу площади поперечного сечения за единицу времени.
С энергетической точки зрения:
ΔG = - RTIn(Cout/Cin) (2). Разделив это выражение на х, получим:
dG/dx = -RTd(Inc)/dx = -RTdc/cdx (3).
Cравнив это выражение с (1), получаем: Ф= - с Dβ (dG/dx)/RT
Если выразить u= Dβ/RT, Ф=-uc(dG/dx) (4)
В случае ионов последние в любом случае будут двигаться под действием электрического поля. Закон Ома: I=U/R в данном случае можно записать как v= -uqdφ/dx, где q-заряд иона, v-скорость его движения в условиях, где есть градиент электрического потенциала, но нет градиента концентрации.
Плотность тока j=nqv=-q2nu(dφ/dx). Поток частиц Ф = j/q.
Ф=-qnu(dφ/dx).
С энергетической точки зрения, для 1 моля:
ΔG = - zF∆φ, где F – число Фарадея, равное произведению числа Авогадро на заряд электрона (e •Na). z-валентность иона.
dG/dx = -zF(dφ/dx) (5)
Ф= - nu e (dG/dx)/Na = -cu(dG/dx), если е принять равным 1 (6)
Как видим, (6) идентично (4).
В случае, когда имеет место и градиент концентрации, и действие электрического поля, поток частиц через единицу площади за единицу времени можно выразить, подставляя (3) и (5) в (6).
Ф= -cuRT(dc/cdx)-cuqNa(dφ/dx) = - uRT(dc/dx) – cuzF(dφ/dx) (7)
Уравнение (7) называется электродиффузионным уравнением Нернста-Планка.
С энергетической точки зрения:
ΔG = - RTIn(Cout/Cin) - zF∆φ. То есть процесс может идти самопроизвольно и против градиента концентрации (при отрицательном значении In(Cout/Cin)), если значение ∆φ будет достаточно для того, чтобы суммарное значение изменения свободной энергии ΔG было отрицательным. Аналогично, положительное значение In(Cout/Cin)) может обеспечить отрицательное значение ΔG при отрицательном значении ∆φ, и процесс пойдет самопроизвольно, несмотря на то, что электрическое поле работает против движения частиц в данном направлении.
Очевидно, что проницаемость липидного бислоя многократно различается для различных веществ. Самая низкая – для заряженных частиц, имеющих низкий коэффициент распределения масло-вода и вступающих в ионные и ион-дипольные взаимодействия с полярными группами липидов (рис. 3). Но как же тогда в клетку проникают физиологически важные ионы: натрия, калия, кальция и другие?
Один из имеющихся в клеточной мембране механизмов обеспечения избирательного транспорта ионов через мембрану – ионные каналы (Рис.4). Их основу составляют интегральные гликопротеиды, способные в результате внешних воздействий изменять проницаемость мембраны для различных ионов. Внешними воздействиями могут быть изменение потенциала на мембране, действие гормона, медиатора.
Рис.3. Проницаемость липидного бислоя (см/c) для различных веществ.
Ионным каналам свойственна избирательная проницаемость для ионов и воротная функция: способность открываться и закрываться при различных воздействиях на мембрану.
Рис.4. Пассивный мембранный транспорт ионов через селективные каналы.
Движение иона по каналу рассматривается как последовательное замещение молекул воды гидратной оболочки иона на полярные группы, выстилающие полость канала. Константа связывания иона с этими группами должна быть выше, чем с молекулами воды (рис. 4).
Другим важнейшим механизмом, обеспечивающим селективность пассивного транспорта через мембрану, является т.н. облегченная диффузия. То есть диффузия с помощью имеющихся в мембране переносчиков, имеющих более высокий коэффициент проницаемости (Р), чем переносимое вещество.Переносчик (C) образует с транспортируемым веществом (S) комплекс CS. Происходит обратимая реакция – ассоциация и диссоциация комплексов CS (рис.5).
Поток вещества (Ф) через мембрану (количество молекул, проходящих через единицу поперечного сечения за единицу времени) можно выразить, используя уравнение Михаэлиса – Ментен:
Ф=Фм ([S1]/K+[S1]) – ([S2]/K+[S2]), где Фм=СоР/2, где Со – концентрация переносчика, Р-коэффициент проницаемости мембраны.
При Ф=0 [S1]=[S2]. Ф=Фм при [S2]=0 и [S1]>>K
С учетом коэффициента проницаемости P=Dβ/d поток вещества можно представить как Ф=Р([S2]-[S1]).
Рис.5. Схема облегчённой диффузии.
С-переносчик, S-переносимое вещество, CS-комплекс вещества с переносчиком, [S1] и [S2] – концентрации вещества по разные стороны мембраны.
Работа, совершаемая при переносе 1 моля в процессе диффузии:
А= - ΔG = RT In ([S2]/[S1]).
Если переносятся частицы, имеющие заряд:
А = - dG = RT In ([S2]/[S1]) + zFΔφ, где z – заряд ионов.
2.2. Активный транспорт через мембрану.
Активным транспортом называется транспорт, идущий против градиента концентрации, если речь идет о незаряженных частицах, либо против градиента электрохимического потенциала, если речь идет об ионах. Активный транспорт, это преобладание потока от места с меньшей концентрацией вещества к месту с большей над обратным потоком. Активный транспорт не может совершиться самопроизвольно, без затраты энергии, то есть изменение свободной энергии такого процесса положительно (ΔG˃0). Источником энергии в организме являются макроэргические соединения (АТФ).
Активный транспорт возможен в том случае, если константа связывания вещества с переносчиком (К = [CS]/[C][S]) будет различной по разные стороны мембраны: выше там, где концентрация вещества ниже, и ниже там, где концентрация выше (рис.6). Это может быть достигнуто за счет изменения конформации переносчика, приводящего к изменению константы связывания. На это и расходуется энергия АТФ.
Рис.6. Активный мембранный транспорт.
На рис. 7 представлен предполагаемый механизм действия кальциевой АТФ-азы, производящей закачку кальция в цистерны саркоплазматического ретикулюма.
Рис.7. Предполагаемый механизм действия кальциевой АТФ-азы.
Для обратимого процесса ΔG = -RTInK, где К – константа равновесия (соотношение констант скоростей прямого и обратного процессов). При изменении К будет меняться ΔG. В рассматриваемом нами случае при связывании иона кальция на внешней стороне мембраны ΔG= - 37,4 кДж/M (Рис.7(1)). Предполагают, что молекула АТФ связывается с переносчиком в тройной комплекс: переносчик-АТФ-Mg2+ (см. рис.7(2)). И после такого связывания гидролиз АТФ способствует изменению конформации переносчика. Вследствие изменения конформации ион кальция оказывается внутри везикулы (рис. 7(2)). При этом константа связывания уменьшается, и ΔG становится равной – 17,8 кДж/M. Раскрывается везикула на внутренней стороне мембраны, имея значительно меньшую константу связывания кальция, чем на внешней стороне (рис. 7(3)). То есть для этого процесса необходима затрата -17,8 –(-37,4) = 19,6 кДж/M. Энергия гидролиза АТФ равна примерно 40 кДж/M. Следовательно, энергии гидролиза одной молекулы АТФ хватит для переноса двух ионов кальция.
После отсоединения ионов кальция, а также иона магния и АДФ – продукта гидролиза АТФ, переносчик принимает исходную конформацию (рис.7(4)).
Для облегченной диффузии:
Ф=Фм ([S1]/K+[S1]) – ([S2]/K+[S2]), где Фм=СоР/2, где Со – концентрация переносчика, Р-коэффициент проницаемости мембраны.
Для активного транспорта Ф=Фм ([S1]/K1+[S1]) – ([S2]/K2+[S2]).
Ф=0 при выполнении соотношения К1[S2]=K2[S1] или К1/K2=[S1]/[S2].
Такова граница возможностей активного мембранного транспорта.