Kompendium_po_biofizike_1

Рисунок 33. Механизм осмоса

Явление осмоса наблюдается, когда два соляных раствора с разными концентрациями разделены полупроницаемой мембраной. Полупроницаемая мембрана пропускает молекулы и ионы определенного размера, но служит барьером для веществ с молекулами большего размера. Например, молекулы воды способны проникать через мембрану, а молекулы растворенных в

воде солей − нет.

Если по разные стороны полупроницаемой мембраны находятся растворы солей с разной концентрацией (см. рисунок 33), то молекулы воды (растворителя) будут перемещаться через мембрану из слабо концентрированного раствора в более концентрированный, вызывая в последнем повышение уровня жидкости. Из-за явления осмоса процесс проникновения воды

	через мембрану наблюдается
Рисунок 34. Подъѐм жидкости под
действием осмотического давления	даже в том случае, когда оба
	раствора	находятся	под

одинаковым внешним давлением.

Разница в высоте уровней двух растворов разной концентрации пропорциональна силе, под действием которой

91

вода проходит через мембрану. Эта сила называется "осмотическим давлением". Таким образом, осмотическое давление возникает в растворах с разной концентрацией, разделенных полупроницаемой мембраной, градиент осмотического давления направлен из раствора меньшей концентрации в сторону раствора с большей концентрацией1.

Проделаем следующий опыт. В воронку, раструб которой затянут бычьим пузырем (бычий пузырь обладает полупроницаемыми свойствами – пропускает молекулы воды и не пропускает молекулы сахара), нальем слабый водный раствор сахара и опустим в сосуд с чистой водой так, чтобы уровни жидкостей в воронке и сосуде совпали. Через некоторое время уровень раствора в воронке начнет медленно повышаться (см. рисунок 34). Процесс продолжится до тех пор, пока гидростатическое давление столба жидкости высотой h не будет препятствовать дальнейшему поступлению воды из сосуда. Величина гидростатического давления, создаваемого столбом жидкости высотой h, равна gh, где g – ускорение свободного падения, − плотность жидкости. Давление, уравновешивающее гидростатическое, называется осмотическим давлением. Повышение уровня раствора в воронке происходит по следующей причине: так как концентрация молекул воды в сосуде больше концентрации молекул воды в воронке, то через полупроницаемую перегородку диффундируют молекулы воды из сосуда в воронку. Молекулы же сахара не могут перейти из воронки в сосуд. Пусть молярная концентрация молекул сахара в сосуде равна нулю, а в воронке С. Избыточная концентрация молекул сахара и создаст парциальное давление растворенного вещества, уравновешиваемое гидростатическим давлением ρgh.

Так как осмотическое давление есть результат бомбардировки полупроницаемой мембраны молекулами растворенного вещества (см. рисунок 35), то величина осмотического давления может быть рассчитана по формуле идеального газа:

1 Здесь термин «градиент осмотического давления» используется в нетрадиционной, медицинской трактовке (пояснения см. в разделе «Простая диффузия»).

92

V RT CRT ,

где − число молей растворенного вещества, V – объем раствора, С – молярная концентрация раствора.

Применение теории идеального газа к растворам позволило химику Вант-Гоффу получить прекрасные результаты для растворов многих веществ. Однако для растворов некоторых веществ полученные результаты между измеренными и расчетными значениями осмотических давлений давали расхождение в 2 и более раз. Осмысление возможных причин такого расхождения между теорией и практикой привело ученого С. Аррениуса к открытию явления диссоциации.

	Рисунок 35.	Единомышленник Вант-Гоффа шведский
	Бомбардировка
		исследователь С. Аррениус догадался, что
	мембраны молекулами
		если измеренное осмотическое давление
	растворѐнного вещества
		раствора поваренной соли в два разе

больше расчетного, то и число частиц в растворе в два раза больше, чем молекул NaCl.

Следовательно, величина осмотического давления прямо пропорциональна молярной концентрации растворенного в растворителе вещества, которое лишено возможности участвовать в диффузии вследствие наличия полупроницаемой мембраны и температуре раствора:

iCRT ,

где множитель i учитывает процессы возможного распада (диссоциации) молекул в растворе. Для растворов неэлектролитов i = 1, при диссоциации молекул электролитов на ионы i > 1, при ассоциации i < 1.

Растворы с одинаковыми осмотическими давлениями

называют изотоническими. Физиологические растворы должны быть изотоническими относительно внутренних жидкостей

93

организма − в противном случае происходит либо обезвоживание, либо пересыщение организма водой.

Если один раствор по сравнению с другим имеет более высокое осмотическое давление, его называют гипертоническим, а имеющий меньшее давление −

гипотоническим.

Осмотическое давление крови человека составляет 7,6 105

– 7,8 105 Па. Такое же осмотическое давление имеет физиологический раствор, т.е. 0,86% раствор NaCl. Для сравнения нормальное атмосферное давление равно 105 Па. Осмотическое давление в клетках с/х животных составляет (6,8 - 7,3)105 Па, и оно создает так называемый тургор клетки, придает ей определенную форму.

Основная часть осмотического давления обусловлена растворенными в плазме крови или в цитоплазме солями, но часть его определяется содержащимися в них белками (альбумин, глобулин и др.) и называется онкотическим давлением. Несмотря на его малую величину, оно играет важную роль в распределении воды между тканями и кровью.

Если клетка организма граничит с концентрированным водным раствором вещества, для которого мембрана клетки непроницаема, то вода переходит из клетки в этот раствор. Происходит осмотическое высасывание воды из клетки. Им, в частности, обусловлено чувство жажды, возникающее при приеме сладкой пищи.

В крови позвоночных животных находится специальный белок – сывороточный альбумин, который поддерживает постоянное осмотическое давление в кровеносной системе. Шок при сильных кровотечениях обусловлен не столько потерей крови, сколько резким падением осмотического давления, ведущим к клеточному коллапсу. Поэтому при больших потерях крови необходимо ввести заменители крови, благодаря которым восстанавливается осмотическое давление.

6. Активный транспорт ионов. Механизм активного транспорта вещества на примере натрий-калиевого насоса.

94

Пассивный транспорт стремится выровнять величины осмотических давлений, концентраций, электрических потенциалов по разные стороны мембраны, т.е. свести к нулю величины этих градиентов. Если бы в клетках существовал только пассивный транспорт, то рано или поздно концентрации, давления и другие величины вне и внутри клетки сравнялись бы.

Следовательно, существует другой механизм, работающий в направлении против

электрохимического

Рисунок 36. Механизм работы Na-K насоса градиента и происходящий с затратой энергии клеткой. Перенос молекул и

ионов против электрохимического градиента, осуществляемый клеткой за счет энергии метаболических процессов называют активным транспортом.

Активный транспорт присущ только биологическим мембранам. Активный перенос вещества через мембрану против соответствующих градиентов происходит за счет свободной энергии, высвобождающейся в ходе химических реакций внутри клетки. У высших организмов (например, у человека) такие активные процессы используют значительную часть потребляемой организмом энергии – примерно 30-40%.

Активный транспорт в организме создает градиенты концентраций, электрических потенциалов, давлений и т.д., то есть поддерживает жизнь в организме.

95

В настоящее время более или менее изучены три основные системы активного транспорта, которые обеспечивают перенос ионов натрия, калия, кальция и водорода через мембрану. Существует также активный перенос ионов кальция,

сахаров, аминокислот, нуклеотидов, но кинетика этих процессов исследована недостаточно. Не обнаружено активного переноса анионов, которые, очевидно, попадают внутрь клетки путем пассивного переноса. Тем не менее, анионы, в особенности ионы хлора, играют значительную роль в жизни клетки.

Рассмотрим механизм активного транспорта на примере натрий-калиевого насоса. Ионы К+ и Na+ неравномерно распределены по разные стороны мембраны: концентрация ионов Na+ снаружи больше, чем концентрация ионов К+, тогда как внутри клетки концентрация ионов К+ больше, чем ионов Na+

(см. рисунок 36). Эти ионы диффундируют через мембрану по направлению электрохимического градиента, что приводит к его выравниванию. Очевидно, что если бы не было противодействия этим процессам со стороны механизма натрий-калиевого насоса, то по разные стороны мембраны создалась бы обратная разность концентраций.

Натрий-калиевые насосы входят в состав цитоплазматических мембран и работают за счет энергии гидролиза молекул АТФ с образованием молекул АДФ и неорганического фосфата Фн:

АТФ=АДФ+Фн

Натрий калиевый насос работает обратимо: градиенты концентраций ионов способствуют синтезу молекул АТФ из молекул АДФ и Фн:

АДФ+Фн = АТФ

Натрий-калиевый насос переносит из клетки во внешнюю среду три иона натрия в обмен на перенос двух ионов калия внутрь клетки. На кинетику натрий-калиевого насоса могут оказывать влияние некоторые вещества. Например, под действием цианистого калия натрий перестает откачиваться из клетки, его концентрация внутри нервных клеток и волокон

96

возрастает, клетки перестают проводить нервные импульсы и это приводит к смерти живого организма.

7. Cпособы проникновения веществ через биологические мембраны.

Одной из важнейших характеристик клеточных мембран является избирательная проницаемость. КМ избирательно снижает скорость передвижения молекул в клетку и из нее. Она определяет, каким молекулам можно проникнуть в клетку, а каким нужно оставаться за ее пределами.

Известно, что в липидной фазе мембраны хорошо растворимы неполярные вещества, например: органические и жирные кислоты, эфиры. Поэтому такие вещества сравнительно легко проходят через клеточные мембраны, обладая повышенным сродством к липидной фазе мембран. Из выражения для коэффициента проницаемости (P=Dk/L) КМ следует, что коэффициент проницаемости мембраны для таких молекул тем больше, чем больше коэффициент диффузии D, чем тоньше мембрана (чем меньше L) и чем лучше вещество растворяется в липидной фазе мембраны (чем больше k).

При опытах с искусственными липидными бислоями было установлено, что чем меньше молекула, и чем меньше она образует водородных связей, тем быстрее она диффундирует через мембрану. Следовательно, чем меньше молекула и чем

более она жирорастворима (гидрофобна или неполярна), тем быстрее она будет проникать через мембрану. Малые

неполярные молекулы легко растворимы в липидах КМ и быстро диффундируют.

Так как внутренняя часть КМ гидрофобна, то липидный бислой КМ 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 – через поры в мембране и посредством

транспортных белков-переносчиков молекул.

97

Молекулы воды очень быстро проникают через КМ посредством наполненных водой белковых и липидных пор, образованных в мембранах клеток. Однако в последнее время помимо гидрофильных пор проникновение через мембрану мелких полярных молекул связывают с образованием между жирнокислотными хвостами фосфолипидных молекул при их тепловом движении небольших свободных полостей − кинков (от англ. kink − петля). Вследствие теплового движения хвостов молекул фосфолипидов кинки могут перемещаться поперек мембраны и переносить попавшие в них мелкие молекулы, в первую очередь молекулы воды.

Через гидрофильные липидные и белковые поры сквозь мембрану проникают молекулы нерастворимых в липидах веществ и водорастворимые гидратированные ионы,

окруженные молекулами воды. Для жиронерастворимых веществ и ионов мембрана выступает как молекулярное сито: чем больше размер частицы, тем меньше проницаемость мембраны для этого вещества.

Избирательность переноса обеспечивается набором в мембране пор определенного радиуса, соответствующих размеру проникающей частицы. Это распределение зависит от мембранного потенциала. Так, избирательные для ионов калия поры в мембране эритроцитов имеют сравнительно низкий коэффициент проницаемости, равный 4 пм/с при мембранном потенциале 80 мВ, который уменьшается в четыре раза с понижением потенциала до 40 мВ.

Проницаемость мембраны аксона кальмара для ионов калия при уровне потенциала возбуждения определяется калиевыми каналами, радиус которых численно оценивается как сумма кристаллического радиуса иона калия и толщины одной гидратной оболочки (0,133 нм + 0,272 нм = 0,405 нм). Следует отметить, что селективность ионных каналов не абсолютна, каналы доступны и для других ионов, но с меньшими значениями Р.

Максимальная величина коэффициента проницаемости Р соответствует ионам калия. Ионы с большими кристаллическими радиусами (рубидий, цезий) имеют меньшие Р, по-видимому,

98

потому, что их размеры с одной гидратной оболочкой превышают размер канала.

Перенос малых водорастворимых молекул осуществляется также при помощи специальных транспортных белков. Это особые трансмембранные белки, каждый из которых отвечает за транспорт определенных молекул или групп родственных молекул.

Но клетке необходимо обеспечить транспортировку таких веществ, как сахара, аминокислоты, нуклеотиды, а также многих других полярных молекул. За перенос подобных веществ ответственны специальные мембранные транспортные белки.

Каждый из них предназначен 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 белкипереносчики и каналообразующие белки. Первые взаимодействуют с молекулой переносимого вещества и какимлибо способом перемещают ее сквозь мембрану. Каналообразующие белки, напротив, формируют в мембране водные поры, через которые (когда они открыты) могут проходить вещества (обычно неорганические ионы подходящего размера и заряда).

Облегченная диффузия происходит при участии молекулпереносчиков. Известно, например, что антибиотик валиномицин − переносчик ионов калия. Валиномицин является пептидом с молекулярной массой 1111. В липидной фазе молекула валиномицина имеет форму манжетки, устланной внутри полярными группами, а снаружи неполярными гидрофобными остатками молекул валина.

Особенности химического строения валиномицина позволяют образовывать комплекс с ионами калия, попадающими внутрь молекулы-манжетки, и в то же время валиномицин растворим в липидной фазе мембраны, так как снаружи его молекула неполярна. Ионы калия удерживаются внутри молекулы за счет сил ион-дипольного взаимодействия.

99

Молекулы валиномицина, оказавшиеся у поверхности мембраны, могут захватывать из окружающего раствора ионы калия. Диффундируя в мембране, молекулы переносят калий через мембрану и отдают ионы в раствор по другую сторону мембраны. Таким образом, происходит челночный перенос ионов калия через мембрану.

Отличия облегченной диффузии от простой диффузии:

1.перенос ионов с участием переносчика происходит значительно быстрее по сравнению со свободной диффузией;

2.облегченная диффузия обладает свойством насыщения − при увеличении концентрации с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;

3.при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда одним переносчиком переносятся разные вещества, при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других;

4.есть вещества, блокирующие облегченную диффузию, они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика, препятствуя дальнейшему переносу.

Разновидностью облегченной диффузии является транспорт с помощью неподвижных молекул переносчиков, фиксированных определенным образом поперек мембраны. При этом молекула переносимого вещества передается от одной молекулы переносчика к другой по типу эстафеты.

Осмос − преимущественное движение молекул воды через полупроницаемые мембраны (непроницаемые для растворенного вещества и проницаемые для воды) из мест с меньшей концентрацией растворенного вещества в места с большей концентрацией. Осмос, по сути, диффузия воды из мест с ее большей концентрацией в места с меньшей концентрацией. Осмос играет большую роль во многих биологических явлениях. Явление осмоса обусловливает гемолиз эритроцитов в гипотонических растворах и тургор в растениях.

100