Избирательная проницаемость мембран PDF Печать E-mail

Для нормального функционирования клетки нужно, чтобы вещества могли перемещаться из одних клеточных органоидов в другие. Необходимо также, чтобы клетка могла обмениваться веществами со средой. Во всех случаях веществам требуется преодолевать преграду из мембран. Транспорт веществ через мембрану осуществляется либо путем диффузии из области с высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией, либо против градиента концентрации. В этом случае требуются большие затраты энергии — это активный транспорт, осуществляемый специальными белками.

Через липидный бислой легко диффундируют вода, газы, например, кислород и углекислый газ, небольшие нейтральные и жирорастворимые молекулы. Диффузия более крупных молекул и ионов осуществляется через специальные белковые каналы или с помощью белков-переносчиков.
Избирательная проницаемость мембран зависит от того, какие белки-переносчики в нее встроены.

При диффузии транспорт молекул или ионов через мембрану происходит по градиенту в результате теплового движения. Можно считать, что градиент — это направление, в котором изменяются концентрация веществ (градиент концентрации) или заряд веществ (градиент зарядов, или электрический градиент).

Состав липидов с разных сторон мембраны обычно различен. Например, на внутренней, обращенной в цитоплазму, стороне плазматической мембраны (строение плазматической мембраны и транспорт через нее изучены лучше всего) сосредоточены фосфолипиды, полярная группа которых отрицательно заряжена. Поэтому внутренняя сторона мембраны отрицательно заряжена по отношению к внешней стороне. Электростатические взаимодействия транспортируемых молекул и молекул, находящихся в составе мембраны, затрудняют мембранный транспорт.

Если внутри клетки есть заряженные молекулы, то величина и знак их заряда также влияют на транспорт через мембрану заряженных соединений. Суммарное действие градиента концентрации и электрического градиента называется электрохимическим градиентом и представляет собой реальное направление, в котором осуществляется диффузия.

Из всех соединений вода быстрее всех проникает в клетки, хотя точный механизм ее проникновения до сих пор не установлен. Диффузию воды через мембрану называют осмосом (греч. osmos — давление). Любая животная клетка, помещенная в гипотонический раствор, где концентрация солей ниже, чем концентрация солей в самой клетке, набухает и даже может разорваться в результате "осмотического шока". (Изотоническим от греч. isos — одинаковый, называется раствор, концентрация солей в котором такая же, как в клетке). Если же, наоборот, животную клетку поместить в гипертонический раствор, в котором концентрация солей превышает концентрацию солей в клетке, то клетка начнет сморщиваться из-за того, что вода будет выходить из клетки в раствор и объем цитоплазмы уменьшаться. Этот процесс называется плазмолизом. Плазмолизу подвержены и растительные клетки, но "осмотическому шоку" в этих клетках препятствует жесткая клеточная стенка.

При диффузии транспорт веществ происходит медленно. На скорость диффузии влияет концентрация переносимого вещества: чем она больше, тем скорость выше. Также влияет площадь поверхности мембраны, через которую осуществляется транспорт. Поэтому клетки, функция которых заключается в поглощении или выведении веществ, обязательно имеют плазматическую мембрану с различными складками или микроворсинками. Примером являются эпителиальные клетки кишечника, бронхов, почечных канальцев. Скорость диффузии веществ через их плазматическую мембрану очень высокая.

При облегченной диффузии, которая осуществляется через специальные белковые каналы или белками-переносчиками, скорость транспорта веществ значительно увеличивается по сравнению с обычной диффузией. Кинетика диффузии веществ с помощью переносчиков отличается от кинетики простой диффузии: она зависит не только от концентрации переносимого вещества, но и от количества белков-переносчиков.

Для каждого соединения существует свой специальный переносчик. Это молекулы белков, встроенных в плазматическую мембрану. Перенос происходит благодаря конформационным изменениям белка при взаимодействии с молекулой переносимого вещества. У человека глюкозу с помощью облегченной диффузии поглощают клетки печени, мышечные клетки, эритроциты, жировые клетки. Этому переносу способствует высокая концентрация ионов натрия снаружи клетки.

Специфичность переносчиков часто очень высокая, например, они отличают D-молекулы глюкозы от L-изомеров. Высокие температуры, некоторые вещества могут сильно повлиять на избирательную проницаемость мембран. Например, высокая температура увеличивая текучесть мембраны, меняет конформацию белков-переносчиков, что приводит к изменению их свойств.

Активный транспорт требует затрат энергии, поскольку происходит против градиента концентрации. Активный перенос веществ осуществляют комплексы специальных трансмембранных белков. Их обычно называют насосами. Работают насосы, используя энергию химических связей молекул АТФ. Лучше всего изучен калий-натриевый насос, поддерживающий концентрации ионов натрия и калия в клетке.

Известно, что в цитоплазме живой клетки концентрация K+ гораздо выше, чем снаружи, и составляет 100-150 ммоль и 5 ммоль соответственно. Концентрация Na+, наоборот, в цитоплазме ниже и составляет 10-20 ммоль внутри и 145 ммоль вне клетки. Пока клетка жива, эти различия в концентрации K+ и Na+ между клеткой и средой сохраняются.

Ионы калия могут диффундировать по градиенту концентраций из клетки, так же как и ионы натрия — внутрь клетки, причем ионы калия в десятки раз быстрее проникают через мембрану, чем ионы натрия. Это связано с размерами оболочки из молекул воды, которая у ионов калия меньше, чем у ионов натрия. Насос необходим для того, чтобы перекачивать ионы калия обратно в клетку, а ионы натрия выводить из клетки. Этот насос называется K+ /Na+-насосом. Его работа обеспечивается энергией молекул АТФ. Если разрушить систему синтеза АТФ, то калий-натриевый насос остановится, и концентрации ионов выравняются.

Концентрация Na+ внутри ядра равна внеклеточной концентрации этих ионов. Показатели pH в ядре и в цитоплазме также различаются между собой. Все это говорит о том, что ядерная оболочка, как и другие мембраны клетки, имеет избирательную проницаемость. Существуют насосы и для переноса H+, Ca2+ .

До 30% клеточной энергии тратится на поддержание разности концентраций ионов. От нее зависит нормальное функционирование клетки и всего организма. Перемещение белков и РНК через мембраны из одного клеточного отсека в другой также происходит активно. Энергия тратится не только на транспорт молекул, но и на изменение их конформации.

Интересные статьи по биологии:

1) Мейоз

2) Перенос газов в организме