U – подвижность вещества в мембране

В связи с этим долгое время полагали, что молекулы проникают через липидную часть мембраны благодаря своей способности растворяться в липидах. И действительно, хорошо растворимые в фосфолипидной фазе мембраны неполярные вещества, например органические жирные кислоты, эфиры хорошо проникают через липидную фазу мембраны.

Липофильные соединения проходят через бислойную мембрану, растворяясь в ее липидах и двигаясь по законам диффузии в вязкой среде. Такой транспорт зависит от величины и формы проникающих молекул, а также от вязкости мембраны. Естественно, что скорость трансмембранного переноса жирорастворимых веществ испытывает сильную за­висимость от температуры. Определив зависимость мембранной проницаемости для тех или иных агентов от температуры (слайд 5), находят энергию активации транспорта их через бислойную мембрану. Оказалось, что энергия активации для этиленгликоля (60 кДж∙моль-1), глицерина (77 кДж∙моль^-1), эритрита (87 кДж∙моль^-1) близко совпадают с энергией дегидратации этих спиртов. По-видимому, прежде чем войти в липидный слой мембраны, молекулы неэлектролитов подвергаются дегидратации. Только после освобождения от водной оболочки они внедряются в жидкокристаллическую структуру бислойной липидной мембраны и диффундируют в ней. Интересно, что транспорт глицерина через плазмолемму эритроцитов человека и крысы отличается высокой скоростью и гораздо более низкой энергией активации по сравнению с энергией дегидратации. По-видимому, здесь нет нужды в предварительной дегидратации и, следовательно, глицерин не диффундирует сквозь липидный бислой эритроцитарных мембран человека и крысы. Вероятно, в них присутствуют специальные переносчики глицерина. Любопытно, что их нет даже в столь близких мем­бранных системах, как плазмолемма эритроцитов свиньи, овцы, коровы. У этих животных экспериментальные значения энергии активации транспорта глицерина через эритроцитарные мембраны соответствуют его энергии дегидратации.

Вспомним, что молекулярные компоненты клеточной мембраны непрерывно перемещаются в пределах своего слоя (латеральная диффузия), задерживаясь на одном месте около 10^-7 с. Поэтому существуют мгновения, когда освободившееся место оказывается еще не занятым соседними молекулами мембраны. Этот про­цесс аналогичен возникновению «вакансий» в кристаллической решетке. Однако в жидких кристаллах вероятность образования вакансий на несколько порядков выше, чем в твердых.

Молекулы неэлектролитов могут занять под действием физико-химических градиентов возникшую на миг вакансию в липидном слое бислойной мембраны. Разумеется, такое вторжение в ее жидкокристаллическую структуру возможно только в том случае, если диффундирующая молекула по геометрическим параметрам укладывается в размеры вакантного места (ячейки). Если же калибр проникающих молекул при­ходится на диапазон от одного до двух диаметров ячейки, то для продвижения на 1 шаг такая молекула должна выждать момент, когда одновременно станут сво­бодными две соседние ячейки, смежные с тем местом, где она находится. Подоб­ное событие совершается значительно реже, чем образование одиночной вакан­сии, но в жидком кристалле оно вероятно. Еще меньшую, но реальную вероят­ность имеет одномоментное возникновение трех смежных вакансий по соседству с местонахождением диффундирующей молекулы, размеры которой втрое больше диаметра одиночной ячейки.

Следовательно, чем крупнее частицы проникающего через мембрану вещества, тем меньше вероятность его проникновения сквозь нее (при одинаковых прочих условиях). Это отражается на скорости трансмембранного переноса веществ: крупные молекулы дольше ждут того момента, когда смогут продвинуться на один шаг, и поэтому проходят БМ медленнее. У низкомолекулярных неэлектролитов скорость мембранного транспорта обратно пропорциональна квадратному корню, а у высокомолекулярных — кубическому корню из молекулярной массы. Показа­телем скорости перемещения веществ через БМ служит коэффициент диффузии (D).

Частицы диффундирующего вещества перемещаются в бислойной мембране не непрерывно, а дискретно — скачками (от одного вакантного места к другому, выжидая его образование), в силу чего изложенная схема транспортного процесса получила назва­ние гипотезы скачков. Она основана на положениях статистической физики. В зарубежной литературе эта схема фигурирует под названием гипотезы кинков. Кинками называют лабильные (временно существующие) и непрерывно переме­щающиеся структурные дефекты в углеводородной части бислойной мембранфы, за счет образования между жирнокислотными хвостами фосфолипидных молекул при их тепловом движении небольших свободных по­лостей - кинков (от англ. kink - петля), образованных гош-транс-гош-конфигурацией липидных молекул (слайд 5).

Вследствие теплового движения хвостов кинки могут перемещаться поперек мембраны. Ими определяется на­личие в мембране свободных объемов (вакансий, временных дырок). Согласно гипо­тезе кинков, в такую вакансию могут встраиваться мелкие молекулы неэлектроли­тов (в том числе ассоциаты воды) и мигрировать вместе с ней. Поэтому о кинках говорят как о «кинетических каналах» мембраны. Коэффициент диффузии кинков вместе с захваченными ими молекулами проникающего вещества довольно высок — до 10^--9 м² • с^-1. Следовательно, кинки обеспечивают быструю диффузию. Между гипотезами скачков и кинков (в их классических вариантах) все же есть небольшие различия в деталях (например, относительно возможности транспорта воды), но в принципиальных положениях они сходны и объясняют механизм трансмембранного переноса жирорастворимых соединений.

Плохо проходят через липидный бислой полярные, водорастворимые вещества: соли, основания, сахара, аминокислоты, спирты.

Для проницаемости вещества через мембрану, например для диффузии кислорода в клетку, важна его диффузия не только через гидрофобный слой липидов и белков, но и через неподвижные слои воды, примыкающие к мембране.

Однако малые гидрофильные молекулы могут проникать через поры в мембране.

Для проникновения неэлектролитов из воды в гидрофобную часть мембраны или узкую мембранную пору необходима частичная или полная дегидратация молекул, то есть затраты энергии на преодоление взаимодействий полярных групп (–COOH–, –OH–, – NH₂–) c диполями воды. Необходимость дегидратации молекул является причиной сильной температурной зависимости коэффициента проницаемости мембраны для ряда неэлектролитов. Хотя через биологические мембраны диффундируют самые разные соединения, в то же время даже сравнительно небольшие молекулы аминокислот и моносахаридов практически не проникают через клеточные мембраны большинства клеток за счёт диффузии.

Гидрофильные вещества не способны перейти из водного раствора (интерстиция или цитозоля) в липидный каркас клеточной мембраны. Для трансмембранного переноса у них есть две возможности:

1)одеться в гидрофобный «чехол» и в таком виде раствориться в липидной фазе мембраны (наподобие транспорта ионов калия валиномицином) - так происходит транспорт гидрофильных веществ при помощи переносчиков;

2)пройти через такие места в биомембране, где е велика; заметим, что такую жевеличину, как в интерстиции и в цитозоле, s имеет в сквозных порах, заполненных водой, т. е. в мембранных каналах - так происходит транспорт гидрофильных веществ по каналам в биомембране.