Часть I. Общая физиология

3.1. Проницаемость мембраны

Мембранный бислой разделяет две водные фазы. Так, плазматическая мембрана отделяет межклеточную (интерстициальную) жидкость от цитозоля, а мембраны лизосом, пероксисом, митохондрий и других мембранных внутриклеточных органелл - их содержимое от цитозоля. Биологическая мембрана - полупроницаемый барьер.

Полупроницаемая мембрана. Биологическую мембрану определяют как полупроницаемую, то есть барьер, не проницаемый для воды, но проницаемый для растворенных в ней веществ (ионы и молекулы).

Полупроницаемые тканевые структуры. К полупроницаемым тканевым структурам относят стенку кровеносных капилляров и различные барьеры [например, фильтрационный барьер почечных телец, аэрогематический барьер респираторного отдела легкого, гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) и многие другие, хотя в состав таких барьеров, помимо биологических мембран (цитолемма), входят и немембранные компоненты (табл. 3.1)].

Газы и неполярные вещества (например, водонерастворимые холестерол и его производные) свободно проникают через биологические мембраны. В частности, именно по этой причине рецепторы стероидных гормонов расположены внутри клетки (рис. 3.1).

Полярные вещества (например, ионы Na⁺, K⁺, С1^-, Са²⁺ ; различные небольшие, но полярные метаболиты, а также сахара, нуклеотиды, макромолекулы белка и нуклеиновых кислот) сами по себе не проникают через биологические мембраны. Именно поэтому рецепторы полярных молекул (например, пептидных гормонов) встроены в плазматическую мембрану, а передачу гормонального сигнала к другим клеточным компартментам осуществляют вторые посредники.

Таблица 3.1. Показатели вне- и внутриклеточной среды

Рис. 3.1. Особенности транспорта различных веществ через мембрану

Избирательная проницаемость - это проницаемость биологической мембраны по отношению к конкретным химическим веществам. Она важна для поддержания клеточного гомеостазиса, оптимального содержания в клетке ионов, воды, метаболитов и макромолекул. Перемещение конкретных веществ через биологическую мембрану называют трансмембранным транспортом.

3.2. Трансмембранный транспорт

Вид транспорта, при котором вещества движутся по концентрационному и/или электрическому градиенту без затраты энергии, называется пассивным. В случае если движение веществ осуществляется против градиента, на их перенос затрачивается энергия АТФ, и такой вид транспорта называется активным.

Некоторые транспортные белки могут обеспечивать перенос только одного вещества, такой способ транспорта называются унипортом. Вид транспорта, когда один переносчик обеспечивает движение двух и более веществ, называется сопряженным. При этом если вещества переносятся через мембрану в одном направлении (например, оба из внеклеточного пространства во внутриклеточное), транспорт называется симпортом, а если в противоположных (одно вещество из внеклеточной среды во внутриклеточную, а другое - наоборот) - антипортом (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Унипорт и сопряженный транспорт: S, S₁, S₂ - различные вещества

3.2.1. Пассивный транспорт

К пассивному транспорту относятся простая и облегченная диффузия, а также осмос.

3.2.1.1. Простая диффузия

Простая диффузия - движение небольших неполярных и полярных молекул в обоих направлениях по градиенту концентрации (разность химического потенциала) или по электрохимическому градиенту (транспорт заряженных веществ - электролитов). Осуществляется без затрат энергии и характеризуется низкой специфичностью. Пример - диффузия газов при дыхании.

Концентрационный градиент. Определяющий фактор диффузии газов - их парциальное давление (например, парциальное давление кислорода - pO₂ и парциальное давление углекислого газа - pCO₂.

Электрохимический градиент. Пассивный транспорт заряженного растворенного вещества X зависит от разности концентраций вещества в клетке (|Х|_в)и вне (снаружи) клетки (|Х|_с) и от разницы электрического потенциала вне (Ψ_с) и внутри клетки (Ψ_в). Следовательно, движущей силой пассивного транспорта электролитов является электрохимический градиент - разность электрохимического потенциала (Δ?х) по обе стороны биологической мембраны.

Простая диффузия может происходить сквозь клеточную мембрану двумя способами:

► через межмолекулярные промежутки липидного бислоя, если диффундирующее вещество растворимо в жирах;

► через заполненные водой каналы, пронизывающие некоторые крупные транспортные белки.

Диффузия жирорастворимых веществ через липидный бислой. Одним из наиболее важных факторов, определяющих скорость диффузии вещества через липидный бислой, является его растворимость в липидах. Например, кислород, азот, углекислый газ и спирты имеют более высокую растворимость в липидах, поэтому могут непосредственно растворяться в липидном бислое и диффундировать через клеточную мембрану точно так же, как диффундируют водорастворимые вещества в водных растворах.

Диффузия через белковые каналы. Белковые каналы отличаются двумя важными особенностями:

► они часто избирательно проницаемы для определенных веществ;

► многие каналы могут открываться или закрываться с помощью ворот.

3.2.1.2. Облегченная диффузия

Транспорт небольших гидрофильных молекул осуществляется посредством облегченной диффузии, то есть с помощью белков-переносчиков. Этот вид транспорта относится к унипорту. Переносчик представляет собой трансмембранный белок, в котором имеются две воротные единицы: одна ближе к наружной поверхности мембраны, другая - к внутренней. Между воротными единицами в средней части молекулы расположен центр связывания диффундирующего вещества (рис. 3.3). В отличие от ионных каналов в переносчиках обе воротные единицы не бывают открыты одновременно (см. ниже).