Вопрос 7

Транспорт веществ через мембрану. Осмос и Диффузия

Хотя толщина плазматических мембран составляет обычно всего около 7 нм, они служат барьером для ионов и молекул, в особенности для полярных (водорастворимых) молекул, таких как глюкоза или аминокислоты, поскольку неполярные (гидрофобные) липиды мембран эти вещества отталкивают. Барьер не дает водному содержимому клетки ускользнуть из нее. Тем не менее по ряду причин транспорт через мембраны все же должен идти, поскольку необходимо обеспечивать:

1) доставку питательных веществ;

2) удаление конечных продуктов обмена («отходов»);

3) секрецию различных полезных веществ;

4) создание ионных градиентов, весьма важных для нервной и мышечной деятельности;

5) поддержание в клетке соответствующего рН и надлежащей ионной концентрации, которые нужны для эффективной работы клеточных ферментов.

Диффузией называют перемещение веществ из области с высокой их концентрацией в область с низкой концентрацией по диффузионному градиенту. Это пассивный процесс, не требующий затрат энергии и протекающий спонтанно. Каждый тип молекул перемещается по своему собственному диффузионному градиенту независимо от других молекул.

На скорость диффузии влияют в первую очередь три фактора.

1. Крутизна диффузионного градиента, т. е. различие в концентрации между пунктом А и пунктом В; чем круче градиент, тем выше скорость диффузии. Клетке выгодно поддерживать крутой диффузионный градиент, если требуется быстрая доставка тех или иных веществ. В легких, например, этого можно достичь за счет ускорения тока крови, проходящей через них, или за счет усиленного дыхания.

2. Чем больше площадь поверхности мембраны, через которую диффундирует вещество, тем быстрее идет диффузия. Для клеток, форма которых близка к сферической, площадь поверхности по отношению к объему тем меньше, чем крупнее клетка. Это налагает ограничения на размеры клеток. Очень крупная аэробная клетка не могла бы, например, достаточно быстро получать кислород, если бы он поступал в нее только за счет диффузии. Некоторые животные клетки для увеличения площади поверхности, через которую идет поглощение, снабжены микроворсинками.

3. Скорость диффузии быстро снижается с увеличением расстояния (она обратно пропорциональна квадрату расстояния). Диффузия, следовательно, эффективна лишь на очень коротких отрезках пути. Это тоже налагает ограничения на размеры клеток. Диффузия служит клеткам для внутреннего транспорта молекул, поэтому диаметр большинства клеток не превышает 50 мкм и любая часть клетки отстоит от ее поверхности не более, чем на 25 мкм.

--------------------

Диффузия воды через полупроницаемые мембраны из области с высокой ее концентрацией в область с низкой концентрацией называется осмосом. Молекулы растворенного вещества слишком велики, чтобы пройти через поры в мембране, так что равновесие может быть достигнуто только за счет перемещения молекул воды. В растворе А концентрация воды выше, поэтому реальный обусловленный осмосом поток воды направлен от А к В. По достижении равновесия реальный поток будет равен нулю.

Стремление молекул воды перемешаться из одного места в другое измеряется водным потенциалом; обозначается эта величина греческой буквой у («пси»). Вода всегда движется из области с высоким водным потенциалом в область с низким потенциалом. Молекулы растворенного вещества снижают водный потенциал (в сущности, они «разбавляют» воду!). Степень этого снижения называют осмотическим потенциалом.