2. Пассивный и активный перенос веществ через мембрану. Опыт Уссинга.

Живые системы на всех уровнях организации — открытые системы. Поэтому транспорт веществ через биологические мембраны — необходимое условие жизни. С переносом веществ через мембраны связаны процессы метаболизма клетки, биоэнергетические процессы, образование биопотенциалов, генерация нервного импульса и др. Нарушение транспорта веществ через биомембраны приводит к различным патологиям. Лечение часто связано с проникновением лекарств через клеточные мембраны. Эффективность лекарственного препарата в значительной степени зависит от проницаемости для него мембраны.

Пассивный транспорт — это перенос вещества из мест с большим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением. Пассивный транспорт может идти самопроизвольно без затраты энергии.

Свободная энергия Гиббса - это величина показывающая изменение энергии в ходе химической реакции. Это Термодинамический потенциал сл.вида: , где U- внутренняя энергия, T – абсолютная температура S – энтропия (степень разупорядоченности системы). Энергию Гиббса можно принимать как полную хим.энергию системы (кристалла жидкости).

(Электрохимическим потенциалом называется величина численно равная энергии Гиббса, приходящейся на 1 моль данного вещества, помещенного в электрическое поле. , где F-число Фарадея,96500 Кл/миль; Z- заряд иона электролтта в элементарных единицах заряда; φ – потенциал электрического поля.)

Имеются две причины переноса вещества при пассивном транспорте: градиент концентрации и градиент электрического потенциала .

В случае не электролитов (Z= 0) или отсутствия электрического поля ( =0) перенос вещества описывается законом Фика:

(2.1)

где j_m - плотность потока вещества, - градиент концентрации, D – коэффициент диффузии.

На рис.2.1 представлена классификация основных видов пассивного транспорта через мембрану.

Рис.2.1 Классификация видов пассивного транспорта

Диффузия — самопроизвольное перемещение вещества из мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией вещества вследствие хаотического теплового движения молекул.

Диффузия вещества через липидный бислой вызывается градиентом концентрации в мембране..

Избирательность переноса обеспечивается набором в мембране пор определенного радиуса, соответствующих размеру проникающей частицы. Это распределение зависит от мембранного потенциала.

Облегченная диффузия происходит при участии молекул переносчиков.

Отличия облегченной диффузии от простой:

1) перенос вещества с участием переносчика происходит значительно быстрее;

2) облегченная диффузия обладает свойством насыщения: при увеличении концентрации с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;

3) при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда переносчиком переносятся разные вещества; при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других; так, из сахаров глюкоза переносится лучше, чем фруктоза, фруктоза лучше, чем ксилоза, а ксилоза лучше, чем арабиноза, и т.д.

4) есть вещества, блокирующие облегченную диффузию — они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика, например, флоридзин подавляет транспорт сахаров через биологическую мембрану.

Разновидностью облегченной диффузии является транспорт с помощью неподвижных молекул-переносчиков, фиксированных определенным образом поперек мембраны. При этом молекула переносимого вещества передается от одной молекулы переносчика к другой, как по эстафете.

Фильтрацией называется движение раствора через поры в мембране под действием градиента давления. Скорость переноса при фильтрации подчиняется закону Пуазейля:

, где — объемная скорость переноса раствора, ‚w — гидравлическое сопротивление, , l— длина поры, r — ее радиус, — коэффициент вязкости раствора.

Явление фильтрации играет важную роль в процессах переноса воды через стенки кровеносных сосудов.

Осмос — преимущественное движение молекул воды через полупроницаемые мембраны (непроницаемые для растворенного вещества и проницаемые для воды) из мест с меньшей концентрацией растворенного вещества в места с большей концентрацией. Осмос — по сути дела, простая диффузия воды из мест с ее большей концентрацией в места с меньшей концентрацией воды. Осмос играет большую роль во многих биологических явлениях. Явление осмоса обусловливает гемолиз эритроцитов в гипотонических растворах.

Активный транспорт — это перенос вещества из мест с меньшим значением электрохимического потенциала в места с его большим значением.

Активный транспорт в мембране сопровождается ростом энергии Гиббса, он не может идти самопроизвольно, а только в сопряжении с процессом гидролиза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), то есть за счет затраты энергии, запасенной в макроэргических связях АТФ.

За счет активного транспорта в организме создаются градиенты концентраций, градиенты электрических потенциалов, градиенты давления и т.д., поддерживающие жизненные процессы, то есть с точки зрения термодинамики активный перенос удерживает организм в неравновесном состоянии, поддерживает жизнь.

Существование активного транспорта веществ через биологические мембраны впервые было доказано в опытах Уссинга (1949 г.) на примере переноса ионов натрия через кожу лягушки (рис. 2.2).

Рис.2.2. Схема опытов Уссинга

(А — амперметр, V — вольтметр, Б — батарейка, П — потенциометр)

Экспериментальная камера Уссинга, заполненная нормальным раствором Рингера, была разделена на две части свежеизолированной кожей лягушки. На рис.2.2 слева — наружная мукозная поверхность кожи, справа — внутренняя серозная. Наблюдались потоки ионов Na через кожу лягушки: слева направо от наружной к внутренней поверхности и справа налево от внутренней к наружной поверхности. С помощью блока компенсации напряжения на коже лягушки устанавливалась разность потенциалов равная нулю. Кроме того поддерживалась одинаковая концентрация ионов с внутренней и внешней стороны. Установленно, что при этом существует ток от внешней стороны к внутренней, следовательно имеет место Активный перенос, т.е. активный транспорт.

Из уравнения Теорелла, описывающего пассивный транспорт, следует уравнение Уссинга—Теорелла для отношения этих потоков в случае пассивного транспорта:

На коже лягушки, разделяющей раствор Рингера, возникает разность потенциалов ( — ) — внутренняя сторона кожи имеет положительный потенциал по отношению к наружной. В установке Уссинга (рис.2.10) имелся блок компенсации напряжения, с помощью которого устанавливалась разность потенциалов на коже лягушки, равная нулю, что контролировалось вольтметром.

Кроме того, поддерживалась одинаковая концентрация ионов с наружной и внутренней стороны .

При этих условиях, если бы перенос натрия через кожу лягушки определялся только пассивным транспортом, то согласно уравнению Уссинга-Теорелла потоки были равны друг другу:

Суммарный поток через мембрану был бы равен нулю.

Однако, обнаружено с помощью амперметра, что в условиях опыта (отсутствие градиентов электрического потенциала и концентрации) через кожу лягушки течет электрический ток I, следовательно происходит односторонний перенос заряженных частиц. Установлено, что ток через кожу течет от внешней среды к внутренней.

Методом меченых атомов было показано, что поток натрия внутрь больше потока наружу . Для этого в левый раствор экспериментальной камеры были включены радиоактивные изотопы , а правый — . Изотоп распадается с излучением жестких -квантов. Распад сопровождается мягким -излучением. Регистрация и -излучения показала, что поток больше потока .

Эти экспериментальные данные неопровержимо свидетельствовали о том, что перенос ионов натрия через кожу лягушки не подчиняется уравнению пассивного транспорта. Следовательно, имеет место активный перенос.