Пассивный транспорт веществ через мембранные структуры

Практическое занятие № 3.

Структурные элементы биологических мембран.

Термин "мембрана" используют для обозначения клеточной границы, которой свойственна полупроницаемость, то есть, легкость проникновения сквозь нее одних веществ, при невозможности преодоления ее другими.

Каждая клетка окружена наружной мембраной, которая называется плазматической мембраной или плазмолеммой. Она представляет собой тончайшую (около 10 нм) пленку, покрывающую всю клетку. Плазмалемма состоит из молекул белков и фосфолипидов.

В структуре мембраны согласно жидкостно-мозаичной модели имеется двойной липидный слой, покрытый периферическими белками, кроме того в него погружаются полностью или частично интегральные белки.

Рис. Двойной липидный слой.(гидрофобные хвосты обращены внутрь, а гидрофильные головки – наружу).

Рис. Жидкостно-мозаичная модель мембранной структуры.

Основой мембраны является липидный бислой; с ним связаны белки, либо погруженные в бислой, либо присоединенные к цитоплазматической поверхности. Интегральные мембранные белки жестко закреплены в липидном бислое. Некоторые из этих белков пронизывают бислой и называются трансмембранными(проинизывающие), другие погружены либо в наружный, либо во внутренний слой. Белки, слабо связанные с внутренней поверхностью мембраны, называются периферическими.

Пассивный транспорт веществ через мембранные структуры.

Большинство процессов жизнедеятельности, таких, как всасывание, выделение, проведение нервного импульса, мышечное сокращение, синтез АТФ, поддержание постоянства ионного состава и содержания воды связано с переносом веществ через мембраны. Этот процесс в биологических системах получил название транспорта.

Если перенос вещества не требует затрат энергии, то такой транспорт называется пассивным. В его основе лежит разность концентраций и зарядов веществ. При этом вещества всегда перемещаются из области с более высокой концентрацией в с более низкой т.е. по градиенту концентрации. Его разновидностями являются простая диффузия(перемещение веществ в сторону меньшей концентрации например O2, CO2, N2 , вирусы, бактерии Н2О диффузия воды через мембраны называется осмос и т. д) и фильтрация(просачивание веществ поры (белковые каналы ) в сторону меньших значений давления). Через белковый канал в клетку попадают заряженные ионы и молекулы , Для некоторых веществ появились специфические мембранные каналы и мембранные переносчики, которые способствуют повышению скорости переноса и, кроме того, осуществляют селективный транспорт. Пассивный транспорт веществ с помощью белков переносчиков или транспортных белков называется облегченной диффузией. Транспортные белки переносят через мембраны полярные мо­лекулы небольшого размера. Для транспорта крупных молекул, на­пример белков, полинуклеотидов, полисахаридов, существуют дру­гие механизмы — эндоцитоз и экзоцитоз. (глюкоза, аминокислоты). Переносчики обеспечивают транспорт веществ, которые сами по себе проникают через мембрану крайне медленно из-за высокой гидрофильности. Существуют переносчики для некоторых аминокислот, углеводов, пуриновых и пиримидиновых оснований, нуклеозидов. Таким образом, например, происходит всасывание многих пищевых продуктов в кишечнике, процессы реабсорбции в почках.

УРАВНЕНИЕ ФИКА

Математическое описание процесса диффузии дал в 1855 году немецкий физиолог Адольф Евгений Фик

Диффузия - это процесс, в ходе которого молекулы (или ионы) переходят из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.

Скорость этого перехода описывается законом Фика, согласно которому плотность потока вещества (J) пропорциональна градиенту концентрации (dс/dx):

J= -D dс/dх,

Плотность потока вещества (J) – это величина, численно равная количеству вещества, перенесенного за единицу времени через единицу площади поверхности. Под градиентом (dс/dx)понимают разность величин, приходящуюся на единицу длины.

D в уравнении Фика - константа, называемая коэффициентом диффузии [м²/с]. Коэффициент диффузии зависит от природы вещества и от температуры. Он характеризует способность вещества к диффузии. Отрицательный знак в правой части означает, что поток направлен из области высокой концентрации вещества в область с более его низкой.