Перенос нейтральных частиц через мембраны. Уравнение простой диффузии. Так как внутренняя часть липидного слоя клетки гидрофобна, он представляет собой практически непроницаемый барьер для большинства полярных молекул

Так как внутренняя часть липидного слоя клетки гидрофобна, он представляет собой практически непроницаемый барьер для большинства полярных молекул. Вследствие наличия этого барьера, предотвращается утечка содержимого клеток, однако из-за этого клетка была вынуждена создать специальные механизмы для транспорта растворимых в воде веществ через мембрану. Перенос малых водорастворимых молекул осуществляется при помощи специальных транспортных белков. Это особые трансмембранные белки, каждый из которых отвечает за транспорт определенных молекул или групп родственных молекул. В клетках существуют также механизмы переноса через мембрану макромолекул (белков) и даже крупных частиц. При опытах с искусственными липидными бислоями было ус- тановлено, что чем меньше молекула и чем меньше она образует водородных связей, тем быстрее она диффундирует через мембрану. Итак, чем меньше молекула и чем более она жирорастворима (гидрофобна или неполярна), тем быстрее она будет проникать через мембрану. Малые неполярные молекулы легко растворимы и быстро диффундируют. Незаряженные полярные молекулы при небольших размерах также растворимы и диффундируют. Важно, что вода очень быстро проникает через липидный бислой несмотря на то, что она относительно нерастворима в жирах. Это происходит из-за того, что ее молекула мала и электрически нейтральна. Итак, мембраны могут пропускать воду и неполярные молекулы за счет простой диффузии. Но клетке необходимо обеспечить транспортировку таких веществ как сахара, аминокислоты, нуклеотиды, а также многих других полярных молекул. Как уже говорилось, за перенос подобных веществ ответственны специальные мембранные транспортные белки. Каждый из них предназ- начен для определенного класса молекул а иногда и для определенной разновидности молекул. Все изученные транспортные белки являются трансмембранными белками, полипептидная цепь которых пересекает липидный бислой несколько раз. Все они обеспечивают перенос молекул через мембрану, формируя в ней сквозные проходы. В основном, транспортные белки делятся на белки-переносчики и каналообразующие белки. Первые взаимодействуют с молекулой переносимого вещества и каким-либо способом перемещают ее сквозь мембрану. Если молекула не заряжена, то направление ее диффузии определяется разностью концентраций по обеим сторонам мембраны или градиентом концентрации. Учитывая концентрационный и электрический градиенты все каналообразующие белки и многие белки-переносчики позволяют растворенным веществам проходить через мембраны только пассивно, то есть, в направлении электрохимического градиента. Такой вид транспорта называется пассивным (облегченная диффузия), и не требует затрат энергии. Процесс, с помощью которого белки-переносчики связывают и транспортируют растворенные молекулы, напоминает ферментативную реакцию. В белках-переносчиках всех типов имеются участки связывания для транспортируемой молекулы. Когда белок насыщен, скорость транспортировки максимальна. Молекулярный механизм работы белков переносчиков пока не известен. Предполагается, что они переносят молекулы, претерпевая обратимые конформационные изменения, которые позволяют их участкам связывания рас- полагаться попеременно то на одной, то на другой стороне мембраны. Происходит транспорт вещества по электрохимическому градиенту. Некоторые транспортные белки просто переносят какое-либо растворенное вещество с одной стороны мембраны на другую. Такой перенос называется унипортом. Другие белки являются контранс- портными системами. В них происходит: а) перенос одного вещества зависит от одновременного / последовательного переноса другого вещества в том же направлении (симпорт). б) перенос одного вещества зависит от одновременного / последовательного /переноса другого вещества в противоположном направлении (антипорт). Например, большинство животных клеток поглощает глюкозу из внеклеточной жидкости, где ее концентрация высока путем пассивного транспорта, осуществляемого белком, который работает как унипорт.

Диффузия-движение частиц среды, приводящее к переносу вещества и выравниванию концентраций или установлению равновесного распределения концентраций частиц данного вещества в среде.

Уравнение простой диффузии обычно записывают в виде уравнения Фика:

J-плотность потока вещества, D-коэффициент диффузии, dC/dx-градиент концентрации.

Знак «-« показывает, что суммарная плотность потока вещества при диффузии направлена в сторону уменьшения концентрации(в сторону, противоположную градиенту концентрации).

Применительно к биологической мембране

dC/dx =С наружной мембраны-С внутренней мембраны / l

l-толщина мембраны

Перенос ионов через мембраны. Уравнение электродиффузии. Уравнение Нернста-Планка

Вещества спсобные переноситьионы через мембраны наз-ся-ионофорами.

Перенос ионов через мембраны: электродиффузия, облегченная диффузия и Активный транспорт.

Уравнение Нернста-Планка: .

Поток, обусловленный разностью концентраций(Ф_ΔС): - D *

Поток, обусловленный разностью потенциалов(Ф_Δ :

Z – валентность электронов.

C – молярная концентрация.

U – подвижность ионов. U=V_{упор.движ.чатиц}/F.

F – число Фарадея ( F=96500 Кл/Моль)