Биологические мембраны. Пассивный транспорт

1.      Цитоплазма включает в себя цитозоль (гиалоплазму), мембранные и немембранные компоненты.

2.      Мембранными компонентами являются такие структуры, как плазмалемма (плазматическая мембрана), ядро, вакуолярная система из одномембранных органоидов (ЭПС, все виды вакуолей, лизосомы, аппарат Гольджи, пероксисомы) и двумембранные хлоропласты, митохондрии.

3.      Немембранные компоненты клетки — рибосомы, хромосомы, клеточный центр и центриоли, микрофиламенты, реснички и жгутики, а также включения в виде капель, гранул, кристаллов.

Строение мембран

Двойной слой фосфолипидов и его строение

1.      Полярные головки (с отрицательно заряженным остатком фосфорной кислоты). Гидрофильные

2.      Неполярные углеводородные хвосты из цепей жирных кислот. Гидрофобные.

3.      Следовательно, эти два вида связей (гидрофильные и гидрофобные) дают фосфолипидам возможность взаимодействовать и с водой, и с неполярными соединениями.

Белки в пределах бислоя фосфолипидов

1.      Периферические мембранные белки. Они присоединены к полярным головкам фосфолипидов.

2.      Погруженные белки. Часто являются ферментами. По погруженным белкам, как по конвейеру, идет продукт реакции.

3.      Пронизывающие белки. Образуют мембранные каналы для транспорта различных соединений.

Мембранный транспорт

Каждая маленькая клетка является частью большого целого и сообщается с ним. Каким образом вещества проникают в клетку и выводятся из нее? Происходит это безостановочное движение «туда» и «обратно» с помощью клеточной (плазматической) мембраны, или же плазмалеммы.

Главнейшее свойство плазмалеммы — ее способность пропускать в клетку и выпускать из клетки различные вещества. Такое свойство имеет решающее значение для саморегуляции клетки, сохранения постоянства ее состава, иначе говоря, физико-химического гомеостаза.

Так что же, поступать в клетку и «убегать» из клетки могут любые вещества? Нет, потому что мембране свойственна избирательная проницаемость, она способна надежно отграничивать систему-клетку от внешней среды и пропускать именно то, что важно для жизнедеятельности этой системы.

Транспорт различных веществ через клеточную мембрану, или мембранный транспорт,   бывает активным (при котором энергия затрачивается) и пассивным (без затрат энергии). Пассивный транспорт представлен диффузией и осмосом.

Диффузия

Транспорт вещества по градиенту концентрации из большей концентрации в сторону меньшей называется диффузией.

1.      При простой диффузии мельчайшие частицы веществ проникают через билипидный слой, причем направление их перемещения диктуется только разностью концентрации веществ внутри и снаружи плазмалеммы. С помощью простой диффузии сквозь мембрану проникают кислород, азот, бензол, а также маленькие молекулы таких веществ, как углекислый газ, вода, мочевина. При такой диффузии в клетку не способны проникнуть крупные молекулы (аминокислоты, моносахариды), а также макромолекулы (ДНК, белки) и заряженные частицы (ионы).

2.      Существует также облегченная диффузия, при которой транспорту помогает какой-нибудь переносчик или система переносчиков. При этом белки-переносчики могут осуществлять и пассивный, и активный транспорт. Путем облегченной диффузии перемещаются, во-первых, глюкоза и большинство аминокислот, имеющие крупные молекулы, а также некоторые ионы (через каналы). Облегченная диффузия проходит без энергетических затрат только в том случае, если концентрация вещества, например, глюкозы, вовне выше, чем внутри, и глюкоза идет «вниз», внутрь клетки по градиенту концентрации. В противном случае, при движении против градиента концентрации, потребуется расход энергии, — и это будет уже активный транспорт.

3.      Диффузия через ионные каналы является частным примером облегченной диффузии. Ионные каналы — это порообразующие белки, через которые происходит транспорт. Существуют натриевые, хлорные, калиевые, кальциевые, протонные (водородные) каналы. Надо иметь в виду, что есть исключение — большая часть ионов калия и натрия переносятся через канал белка путем активного транспорта, с затратой энергии АТФ, так как идет против градиента концентрации.

Для переносчиков характерны различные способы «работы» в мембране.

1.      Совершение челночных движений в бислое фосфолипидов — характерно для погруженных белков.

2.      Встраивание в мембрану и образование каналов (через которые происходит диффузия) — характерно для различных белков, антибиотиков. Так, перенос лактозы обеспечивают транспортные белки — пермеазы. Они представляют собой ферменты в мембране, причем лактоза для них — субстрат. Такие белки просто меняют конформацию, образуя канал.

Осмосом называют процесс односторонней диффузии молекул вещества-растворителя сквозь полупроницаемую (проницаемую не для всех веществ) мембрану в сторону более высокой концентрации растворенного вещества (то есть меньшей концентрации самого растворителя). Проще говоря, осмос — это движение растворителя из той области, где его много, в область, где его мало.

В 1837 году французский физиолог Рене Дютроше провел следующий опыт. Он взял животный мочевой пузырь (игравший роль мембраны), наполнил его раствором сахара и погрузил в воду. Началось засасывание воды в пузырь сквозь стенки, и он раздувался. Раствор из пузыря поднимался вверх по присоединенной стеклянной трубке. Если отводной стеклянной трубки не было, то мешок попросту разрывался. Так Дютроше доказал наличие осмотического давления, а прибор с отводной трубкой впоследствии получил названия осмометра.