Транспорт веществ через мембрану

Транспорт веществ через мембрану является одной из важнейших ее функций.

Виды транспорта:

1. Пассивный транспорт – трансмембранное движение веществ, не требующее дополнительных затрат энергии. Причина движения – действие градиентов: концентрации – grad C, электрического потенциала – grad j, давления – grad P и др. Направление движения в сторону уменьшения соответствующей величины – C, j, P и т.д.

2. Активный транспорт – мембранный массоперенос, осуществляемый с дополнительными затратами энергии, выделяемой при протекании сопряженных ферментативных реакциях, поглощении энергии фотонов и т.п. Направление движения – в сторону увеличения концентрации. Выполняется специфическими белковыми структурами, локализованными в толще мембраны – насосами.

3. Сложные виды транспорта через мембрану – экзоцитоз и эндоцитоз. Массоперенос крупных молекул и частиц, сопряжен с изменением архитектоники мембран и затратами энергий.

Пассивная диффузия. Уравнение Фика.

Неравномерное распределение концентраций вещества в пространстве характеризуется наличием градиента концентрации , который является причиной возникновения потока вещества , определяемым законом Фика

Поток вещества – это количество вещества , переносимое через площадь за время .

Градиент концентрации: , направлен в сторону возрастания концентрации.

Знак «-» в уравнении показывает, что поток вещества при диффузии направлен в сторону уменьшения концентрации, т.е. в сторону, противоположную градиенту.

Электродиффузия:

Причинами электродиффузии является наличие градиента концентрации и градиента потенциала.

Суммарный поток вещества и зарядов описывает уравнение Нернста-Планка и уравнение Теорелла.

Уравнение Нернста-Планка описывает процесс массопереноса или потока ионов в случае наличия градиентов концентрации и электрического потенциала:

,

если учесть, что , то можно преобразовать уравнение:

Уравнение Теорелла описывает пассивный транспорт ионов с учетом градиента электрохимического потенциала:

Уравнение Фика, определяющее поток вещества через мембрану, учитывает проницаемость мембраны:

[м/сек]

Рис. 10

или

Уравнение Фика для потока через мембрану

Виды пассивной диффузии:

1. Простая диффузия, описывается уравнением Фика или Нернста-Планка. Таким образом осуществляется транспорт через мембрану небольших по диаметру незаряженных молекул, в основном газов, кислорода, азота и др.

2. Поровая диффузия – транспорт малых гидрофильных молекул через мембрану (вода, метанол и др.) осуществляется через: а) кинки – подвижные динамические структуры, создаваемые в углеводородной области мембраны, вследствии латеральной диффузии и движения хвостов липидов; б) поры, сформированные интегральными белками.

3. Облегченная диффузия незаряженных сравнительно небольших частиц через мембрану (сахар, аминокислоты и т.п.) осуществляется при участии переносчиков.

Характеристики облегченной диффузии

a) Проницаемость мембраны значительно выше, чем определяемые законом диффузии Фика (в 100 и 1000 раз).

b) Насыщение – поток вещества увеличивается только до достижения некоторого предельного значения градиента концентрации.

c) Высокая специфичность – перенос только определенных веществ, близких по своей структуре.

d) Выраженная чувствительность к низким концентрациям ингибиторов и активаторов переносчика.

e) Сопряжение с потоками ионов через мембрану.

f)

Виды транспорта при участии переносчиков:

Переносчики – это транспортные белковые комплексы, локализованные в мембране, способные переносить определенные вещества.

I. Миграция – этот вид транспорта присущ переносчикам, размеры которых меньше толщины мембраны.

Рис. 11

II.

Рис. 12

III. Сдвиг – транспорт с конформационными перестройками неподвижного носителя, обеспечивающих сдвиг переносимого вещества относительно мембраны.

Активный транспорт

Основные характеристики:

1) Транспорт веществ осуществляется в сторону возрастания концентрации.

2) Происходит с затратами энергии выделяющейся при гидролизе АТФ, поглощении квантов света, протекание химических реакций метаболизма.

3) Чувствителен к изменению температуры.

4) Чувствителен к действию ингибиторов и активаторов.

5) Представляет собой сопряжение ферментативных катализируемых реакций с конформационной перестройкой белка-носителя, локализованного в толще мембраны, и транспорт ионов.

Надмолекулярные структуры, при участие которых осуществляется активный транспорт веществ, называются насосами. Различают натрий-калиевый, кальциевый, протонный насосы.