Основы биохимической инженерии Часть 1 - Бейли Дж., Оллис Д. 1989
Стехиометрия и энергетика метаболических превращений
Транспорт через клеточные мембраны
Пассивная диффузия и сопряженный транспорт
Пассивная диффузия представляет собой транспорт вещества через мембрану из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (рис. 5.17). Скорость диффузии пропорциональна общей движущей силе, которой в данном случае является разность концентраций по обе стороны мембраны. Термодинамический анализ показывает, что пассивная диффузия спонтанна, поскольку транспорт вещества из области с концентрацией с2 в область с концентрацией с1 сопровождается изменением свободной энергии ∆G°, равным
Так как c1 меньше с2, то ∆C° в случае пассивной диффузии всегда отрицательно. Если транспортируемое вещество заряжено, то уравнение (5.41) следует видоизменить следующим образом:
где Z1 — заряд транспортируемых молекул; ℱ — число Фарадея [23,062 ккал/(В∙моль)]; ∆ψ — разность потенциалов на мембране, В.
В силу специфичности структуры плазматических мембран, окружающих любые клетки и органоиды эукариот, не все соединения проникают через мембрану одинаково легко. Существует корреляция между скоростью диффузии большинства сравнительно объемных молекул и их растворимостью в липофильных средах (рис. 5.18). Это и неудивительно, поскольку основой плазматических мембран, как полагают, является главным образом липидный бислой (вспомните рис. 2.2). Аномально высокую скорость диффузии воды и других очень малых молекул объясняет другая модель, предусматривающая наличие в мембранах пор небольшого диаметра.
РИС. 5.17. Различные механизмы транспорта через мембрану: а — диффузия; б — сопряженный транспорт; в — активный транспорт (S — транспортируемое вещество; С — белок-переносчик; CS — комплекс).
Для ионизированных и полярных веществ характерна очень низкая растворимость в липофильных растворителях, поэтому такие вещества практически не транспортируются через мембрану за счет пассивной диффузии. Важность этого обстоятельства мы уже не раз подчеркивали; промежуточные метаболиты большей частью представляют собой ионизированные соединения и поэтому удерживаются внутри клетки. Впрочем, некоторые полярные вещества очень легко преодолевают мембранный барьер.
Одним из механизмов, объясняющих такое аномальное поведение полярных веществ, является механизм сопряженного транспорта. Как схематично показано на рис. 5.17, согласно этому механизму субстрат на наружной поверхности мембраны соединяется с молекулой-переносчиком; образующийся комплекс далее «диффундирует» к другой поверхности мембраны и там расщепляется, выделяя перенесенную молекулу во внутренний объем клетки. Такой способ биологического транспорта имеет ряд характерных особенностей. Так, скорость транспорта вещества в этом случае изменяется в зависимости от разности концентраций не линейно, а достигает некоторого максимума (уровня насыщения), после которого дальнейшее повышение разности концентраций вещества не изменяет скорость его транспорта.
РИС. 5.18. Способность многих веществ проникать через мембрану водорослей Chara коррелирует с их растворимостью (коэффициентом распределения) в липофильных растворителях. Размеры точек примерно пропорциональны размерам соответствующих молекул. (По данным Коллайдера, 1947.)
Зная уравнение Михаэлиса — Ментен и другие математические модели кинетики ферментативного катализа, нетрудно понять, почему изображенный на рис. 5.17,6 процесс назван сопряженным транспортом.
Другие важные свойства сопряженного транспорта также напоминают особенности ферментативного катализа; так, через мембрану транспортируются только определенные вещества, а специфические ингибиторы замедляют процесс. Специфичность и кинетические характеристики свидетельствуют о том, что носители представляют собой белки. Многие из носителей удалось выделить и охарактеризовать; их называют пермеазами. Вероятно, самым известным примером сопряженной диффузии является транспорт глюкозы в эритроцитах (красных кровяных тельцах) человека. Подробные сведения об этой системе и дополнительную информацию о сопряженном транспорте читатель может найти в литературе.