5.2.Пассивный транспорт и его виды.

Пассивный транспорт – это перенос вещества из мест с бóльшим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Направление пассивного транспорта.

Плотность потока вещества j_m при пассивном транспорте подчиняется уравнению Теорелла:

j_m = − U ∙ C ∙ dμ/dX,

где: U – подвижность частиц, С – концентрация. Знак минус показывает, что перенос происходит в сторону убывания значения μ. Плотность потока вещества – это величина, численно равная количеству вещества, перенесенного за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению переноса:

j_m = m/S ∙ t (моль/м² ∙ с).

Для разбавленных растворов при μ_о = const используют уравнение Нернста – Планка:

j_m = − U ∙ R ∙ T ∙ dC/dX − U ∙ C ∙ Z ∙ F · dφ/dX.

Таким образом, могут быть две причины переноса вещества при пассивном транспорте: градиент концентрации dC/dX и градиент электрического потенциала dφ/dX. Знаки минусов перед градиентами показывают, что градиент концентрации вызывает перенос вещества от мест с большей концентрацией к местам с его меньшей концентрацией. Градиент электрического потенциала вызывает перенос положительных зарядов от мест с большим потенциалом к местам с меньшим потенциалом.

Иногда вследствие сопряжения этих причин может происходить пассивный перенос вещества от мест с меньшей концентрацией к местам с большей концентрацией, если второй член в уравнении Нернста – Планка по модулю больше первого. А также может быть перенос вещества от мест с меньшим потенциалом к местам с большим потенциалом, если первый член по модулю больше второго.

В случае неэлектролитов (Z = 0) или при отсутствии электрического поля (dφ/dX = 0) уравнение Теорелла переходит в следующее уравнение:

j_m = − U ∙ R ∙ T · dC/dX.

Согласно соотношению Эйнштейна коэффициент диффузии будет равен: D = U ∙ R ∙ T.

В результате совмещения с уравнением Теорелла получается уравнение, которое описывает простую диффузию (закон Фика):

j_m = − D ∙ dC/dX.

На рис. 5.3 представлена классификация основных видов пассивного транспорта через мембрану.

Рис. 5.3. Классификация видов пассивного транспорта.

5.2.1.Простая диффузия.

Диффузия − самопроизвольное перемещение вещества из мест с большей его концентрацией в места с меньшей концентрацией. Причина − хаотическое тепловое движение молекул. Диффузия вещества через липидный бислой вызывается градиентом концентрации в мембране. Основные разновидности простой диффузии через мембрану представлены на рис. 5.4. Плотность потока вещества по закону Фика составляет:

j_m = − D ∙ grad ∙ C ≈ − D ∙ (C^М₂ − C^М₁)/l = D ∙ (C^М₁ − C^М₂)/l,

где: C^М₁ – концентрация вещества в мембране около одной ее поверхности; C^М₂ – около другой; l – толщина мембраны.

Рис. 5.4. Основные разновидности простой диффузии через мембрану: а – через липидный бислой; б – через пору в липидном бислое; в – через белковую пору.

Градиент концентраций приблизительно равен (C^М₂ − C^М₁)/l (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Процесс простой диффузии, проходящей через липидный бислой мембраны.

Так как измерить концентрации C^М₁ и C^М₂ трудно, на практике пользуются формулой, связывающей плотность потока вещества через мембрану с концентрациями этого вещества не внутри мембраны, а снаружи в растворах около поверхностей мембраны, то есть C₁ и C₂:

j_m = Р_ПР ∙ (C₁ − C₂),

где: Р_ПР – коэффициент проницаемости мембраны. Плотность потока вещества j имеет размерность моль/м²∙с, концентрация С – моль/м³, размерность коэффициента проницаемости Р_ПР – м/с.

Коэффициент проницаемости мембраны зависит от ее свойств и свойств переносимых веществ. Если считать концентрации веществ у поверхности в мембране прямо пропорциональными концентрациям у поверхности вне мембраны, то

C^М₁ = К ∙ С₁; C^М₂ = К ∙ С₂.

Величина К носит название коэффициента распределения, который показывает соотношение концентрации вещества вне мембраны и внутри ее. Поток вещества рассчитывается:

j_m = D ∙ K ∙ (C₁ − C₂)/l.

Из последнего уравнения вытекает, что коэффициент проницаемости равен:

Р_ПР =D ∙ K/l.

Коэффициент проницаемости тем больше, чем больше коэффициент диффузии или чем меньше вязкость мембраны, то есть чем тоньше мембрана (меньше расстояние l) и чем лучше вещество растворяется в мембране (чем больше К).

Простая диффузия отличается отсутствием специальных систем для переноса веществ. Она подчиняется правилам Овертона: скорость проникновения через мембрану прямо пропорциональна липотропности вещества и обратно пропорциональна его размерам.

Хорошо растворимы в фосфолипидной мембране неполярные вещества, например органические жирные кислоты и эфиры. Эти вещество хорошо проходят через липидную фазу мембраны. Плохо проходят через липидный бислой полярные, водорастворимые вещества: неорганические соли, основания, сахара, аминокислоты, спирты.

Через мембрану хорошо проникают полярные молекулы воды. Проникновение мелких полярных молекул через липидный бислой связывают с фазовыми переходами мембраны: с образованием между жирнокислотными хвостами фосфолипидных молекул при их тепловом движении небольших свободных полостей – кинков. Кинки образованы гош–транс–гош конформацией липидных молекул. Вследствие теплового движения хвостов кинки могут перемещаться поперек мембраны и переносить попавшие в них мелкие молекулы, в первую очередь молекулы воды.

Через липидные и белковые поры сквозь мембрану проникают молекулы нерастворимых в липидах веществ и водорастворимые гидратированные ионы. Для водорастворимых веществ и ионов мембрана выступает как молекулярное сито: чем больше размер молекулы, тем меньше проницаемость мембраны для этого вещества.

Избирательность переноса обеспечивается набором в мембране пор определенного радиуса, соответствующих размеру проникающей частицы. Это распределение зависит от мембранного потенциала и размера гидратной оболочки. Существует теория, согласно которой гидратированный ион при вхождении в пору послойно теряет гидратные оболочки. Обычно у иона три гидратные оболочки, но при прохождении поры он остается только с одной оболочкой.