3.2. Перенос веществ через биологическую мембрану

Поступив в организм человека или животного и затем распределяясь в нем с током крови или лимфы, химическое вещество достигает того места, где может оказать биологическое действие и вызвать ответную реакцию – биологический эффект. Количественные характеристики процесса проникновения (проницаемости) и проявления биологического действия вещества определяется многими факторами и в первую очередь свойствами самого вещества. К ним относятся: молекулярная структура (величина молекулы, ее форма, пространственное расположение), физико-химические свойства (растворимость, степень ионизации, величина поверхностного натяжения, вязкость и т.д.), реакционная способность в биохимических превращениях, способность связываться с липидами, белками и клеточными мембранами.

Способность вещества к проницаемости определяется его способностью растворяться или в воде, или в жирах (липидах). Некоторые вещества будучи электролитами ионизированы и могут быть охарактеризованы концентрацией ионов в среде и ионной силой. Другие вещества, преимущественно органические, являются неэлектролитами, не способны к диссоциации, но зато растворяются в липидах. Молекулы и ионы, передвигаясь в жидких средах организма в соответствии с своими размерами, подвижностью, поверхностной активностью и адсорбционными свойствами, способны или связываться с поверхностью клетки, или встраиваться непосредственно в мембраны, или проникать через них внутрь клетки. В результате всех этих процессов вещество достигает своего места действия, которое может быть на поверхности клетки, в самой мембране или внутри клетки.

Несмотря на различия в молекулярной структуре и физико-химических свойствах, существует только несколько путей поступления (транспорта) веществ в клетку:

- в результате нарушение целостности наружной мембраны;

- в результате растворения в липидах клеточной мембраны;

- через имеющиеся в клеточной мембране поры или каналы, соединяющие цитоплазму клетки с внешней средой;

- с помощью локализованных в мембране специальных транспортных систем, состоящих из белков-переносчиков;

- с помощью эндоцитоза.

В зависимости от потребности в метаболической энергии клетки принято выделять два типа транспорта вещества через клеточную мембрану: пассивный и активный. Пассивный транспорт происходит без потребления метаболической энергии и может протекать самопроизвольно, тогда как активный транспорт в клетке должен быть обязательно связан с источником метаболической энергии, в качестве которого используется энергия гидролиза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Особенности различного вида транспорта через клеточную мембрану веществ в зависимости от их физико-химических свойств представлены в табл. 2 и на рис. 2.

Таблица 2.

Основные механизмы транспорта вещества через клеточную мембрану

Характеристика вещества	Вид транспорта	Механизм транспорта
Вещества с поверхностной активностью	Пассивный транспорт	Простая диффузия по градиенту концентрации через образовавшиеся в мембране дефекты
Вещества растворимые в липидах(гидрофобные молекулы)	Пассивный транспорт	Простая диффузия по градиенту концентрации через липиды мембраны
Одновалентные ионы, вещества нерастворимые в липидах (малые гидрофильные молекулы)	Пассивный транспорт	Простая диффузия по градиенту концентрации через каналы мембраны
Ионы, вещества нерастворимые в липидах (большие гидрофильные молекулы)	Пассивный транспорт	Облегченная диффузия с участием белков-переносчиков мембраны
Одно- и двухвалентные ионы (Na+, К+, Са2+)	Активный транспорт	Первичные активные переносчики
Сахара, аминокислоты, некоторые органические кислоты	Активный транспорт	Вторичные активные переносчики
Инородные частицы, крупные молекулы	Эндоцитоз	Инвагинация мембраны

Пассивный транспорт веществ через клеточную мембрану

Поступление в результате нарушение целостности мембраны клетки.Поверхностно-активные вещества (ПАВ или детергенты) способны изменять нормальное функционирование клеточной мембраны и, в конечном итоге, приводить к нарушению ее целостности. Молекулы ПАВ первоначально адсорбируются на поверхности мембраны и при дальнейшей увеличении концентрации вызывают частичную или полную ее дезинтеграцию путем солюбилизации (коллоидного растворения) белково-липидных комплексов. В результате происходит или нарушение наружной мембраны и молекулы ПАВ поступают в цитоплазму клетки, или полное растворение (лизис) мембраны, которая распадается на свои фрагменты и клетка в результате этого погибает.

Поступление в результате растворения в липидах клеточной мембраны. Гидрофобные (легко растворяющиеся в неполярных органических жидкостях) вещества являются неэлектролитами и легко проникают непосредственно через липиды мембраны в результатенеспецифической диффузии. В данном виде переноса липиды мембраны служит растворителем для гидрофобных органических веществ, например, простые и сложные эфиры, высшие спирты, жирные кислоты. Скорость переноса определяется в первую очередь разностью концентраций этого вещества по обеим сторонам мембраны (концентрационный градиент). Небольшие гидрофобные молекулы могут проходить непосредственно через динамические структурные дефекты в мембране (кластеры), образованные фосфолипидами.

Поступлениечерез каналы в клеточной мембране в простейшем случае обеспечиваетсяпростой диффузиейвещества через каналы (поры) в мембране и происходит в соответствии с первым законом Фика. Если молекула вещества не имеет заряда, то направление пассивного транспорта происходит только по градиенту концентрации. При наличии у молекулы заряда на ее перенос помимо концентрационного градиента влияет еще и электрохимический градиент, формирующий мембранный потенциал. Каналы образованы белками, пронизывают мембрану насквозь и позволяют молекулам, имеющим соответствующий размер и заряд, проходить через мембрану внутрь клетки за счет простой диффузии. Скорость переноса молекул через мембрану зависит от концентрационного и электрохимического градиентов вещества, температуры и коэффициента диффузии. Через каналы мембраны осуществляется транспорт воды и малых гидрофильных молекул, например, мочевины.

Некоторые детергенты (сапонин, дигитонин) при взаимодействии с внутримембранным холестерином образуют в мембране агрегаты в виде больших отверстий (пор), через которые внутрь клетки могут проходить молекулы любого размера. Такое действие ПАВ лежит в основе их антимикробного (бактерицидного) и противогрибкового (фунгицидного) действия, которое широко используется в дезинфицирующих и моющих средствах.

Группа веществ из-за своего действия на мембрану и получившие название каналообразующих ионофоров(каналоформеров), к которым относятся некоторые антибиотики (грамицидин, амфотерицин В), при взаимодействии с клеточной мембраной образуют в ней проходящие насквозь каналы. Сформированный таким образом трансмембранный канал диаметром около 0,4-0,8 нм способен пропускать одновалентные ионы как внутрь клетки, так и из нее, что приводит к нарушению ее нормального функционирования. Способность формировать каналы в мембране микроорганизмов является механизмом лечебного действия таких антибиотиков. Кроме антибиотиков способностью формировать каналы в мембранах обладают яды некоторых пауков.

Другой вид пассивного транспорта веществ через мембраны осуществляется с помощью специальных транспортных систем, состоящих из белков-переносчиков, которые связывают молекулу на одной стороне мембраны, проносят ее через мембрану и освобождают на другой стороне. Этот вид транспорта или челночный перенос вещества, протекающий без потребления метаболической энергии клетки, называется облегченной диффузией. В отличие от простой диффузии, имеющей линейную зависимость от концентрации транспортируемых молекул, облегченная диффузия характеризуется насыщением, определяемым процессом связыванием белка переносчика и переносимых молекул. С помощью облегченной диффузии через мембрану переносятся сахара, аминокислоты, некоторые органические кислоты и основания.

По типу переносчиков осуществляют транспорт через мембрану некоторые ионофоры, также относящиеся к группе антибиотиков (валиномицин, нигерцин), которые образуют с ионом легко проникающий внутрь клетки комплекс. Процесс переноса включает образование комплекса на наружной стороне мембраны, диффузия через нее и освобождение ионов на другой. Такая транспортная активность этой группы антибиотиков определяет их антибактериальное действие.

Активный транспорт веществ через клеточную мембрану

Активный транспорт, в отличии от пассивного, должен быть обязательно связан с источником метаболической энергии в качестве которого используется энергия гидролиза АТФ. В его работе также участвуют белки-переносчики, однако, в отличие от облегченной диффузии перенос осуществляется против электрохимического и концентрационного градиентов. Активный транспорт поддерживает потенциал на биологических мембранах путем работы Na⁺- К⁺насоса, перекачивая ионы против градиента их концентрации. В биологических мембранах также есть ионные потенциалоуправляемые Na⁺и К⁺каналы, которые вместе с системой активных транспортных процессов участвуют в генерации потенциала действия и проведения возбуждения в нервных клетках и волокнах.

Работа системы переноса ионов Na⁺, К⁺и Са²⁺через мембрану против электрохимического и концентрационного градиентов по-существу является первично-активным транспортным процессом, поскольку существует и вторично-активный транспорт. С его помощью в клетку проникают необходимые для нее метаболиты (углеводы, аминокислоты), транспорт которых также происходит с участием белков-переносчиков. Вторично-активный транспорт использует в качестве источника энергии ионный градиент, чаще всего Na⁺или Н⁺.

Способ поглощения клеткой крупных молекул и частиц, когда определенный участок наружной мембраны обволакивает захватываемый материал, попадающий в результате этого внутрь, называется эндоцитозом, в котором различают фагоцитоз и пиноцитоз. Благодаря эндоцитозу осуществляется захват клеткой как питательных, так и чуждых ей веществ (частичек сажи, красителей и т.д.) и крупных молекул.