Химия как раздел естествознания Основные задачи современной химии (стр. 65 из 68)
Лекция 18. Теоретические основы мембранных технологий
Мембранами называются перегородки, разделяющие различные по составу жидкие или газообразные фазы, и способные, под действием приложенной движущей силы, селективно (раздельно) переносить компоненты разделяемых фаз.
Мембранные технологии основаны на свойстве мембран действовать как полупроницаемые перегородки, то есть пропускать сквозь себя одни вещества и не пропускать другие. Термин «мембрана» для окружающей клетку невидимой плѐнки, служащей барьером между содержимым клетки и внешней средой и, одновременно, полупроницаемой перегородкой, через которую могут проходить вода и некоторые растворенные в ней вещества, был впервые использован немецкими ботаниками фон Молем и К. фон Негели (1817-1891) в 1855 году. В 1877 году ботаник В. Пфеффер (1845-1920) опубликовал свой труд «Исследования осмоса», где предположил существование клеточных мембран, основываясь на сходстве между клетками и осмометрами, имеющими искусственные полупроницаемые мембраны, которые были изготовлены незадолго до этого М. Траубе. Дальнейшее изучение осмотических явлений в растительных клетках датским ботаником X. де Фризом (1848-1935) послужило фундаментом при создании физико-химических теорий осмотического давления и электролитической диссоциации датчанином Я. Вант-Гоффом (1852-1911) и шведским ученым С. Аррениусом (1859-1927). В 1888 году немецкий физхимик В. Нернст (1864-1941) вывел уравнение диффузионного потенциала. В 1890 году немецкий физхимик и философ В. Оствальд (1853-1932) отметил возможность участия мембран в биоэлектрических процессах. В 1895-1902 гг. Э. Овертон (1865-1933) измерил проницаемость клеточной мембраны для большого числа соединений и показал прямую зависимость между способностью этих соединений проникать через мембраны и их растворимостью в липидах (жирах). Это позволяло сделать вывод, что именно липиды формируют плѐнку, через которую проходят в клетку вещества из окружающего раствора. В 1925 году Гортер и Грендел показали, что площадь монослоя липидов, экстрагированных из мембран эритроцитов (клеток крови), в два раза больше суммарной площади эритроцитов. Гортер и Грендел экстрагировали липиды из эритроцитов ацетоном, затем выпаривали раствор на поверхности воды и измеряли площадь образовавшейся мономолекулярной пленки липидов. На основе этих исследований было сделано предположение, что липиды в мембране располагаются в виде бимолекулярного слоя. Вместе с тем имелись экспериментальные данные, которые свидетельствовали о том, что биологическая мембрана содержит в своем составе и белковые молекулы. Эти противоречия экспериментальных результатов были устранены Даниелли и Давсоном, предложившими в 1935 году «бутербродную» модель строения биологических мембран. Согласно этой модели, между фосфолипидными слоями в мембранах располагаются белки.
18.1. Строение биомембран
Клеточная или цитоплазматическая мембрана окружает каждую клетку. Во всех живых клетках биологические мембраны выполняют функцию барьера, отделяющего клетку от окружающей среды, и разделяющего внутренний объем клетки на сравнительно изолированные отсеки. Ядро окружено двумя ядерными мембранами: наружной и внутренней. Все внутриклеточные структуры: рибосомы, митохондрии, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы представляют собой замкнутые мембранные пузырьки.
Все биомембраны построены одинаково (см. Рис. 18.1); они состоят из двойного слоя липидных молекул (который часто называют липидным бислоем) толщиной около 6 нм, в которые встроены многочисленные беловые молекулы и молекулярные комплексы.
Рис. 18.1 Строение биомембраны
В состав липидов мембран входят в основном фосфолипиды, гликолипиды и холестерин. Некоторые мембраны содержат, кроме того, углеводы, связанные с липидами и белками. Сами по себе, мембраны практически непроницаемы для ионов и полярных молекул, растворимых в воде. Однако одни встроенные в липидный бислой белковые молекулы или комплексы обладают свойствами селективных (т. е. избирательных) каналов для ионов и молекул, а другие служат «насосами», способных активно перекачивать ионы через мембрану. Барьерные свойства мембран и работа мембранных «насосов» приводят к неравновесному распределению ионов между клеткой и внеклеточной средой; это свойство лежит в основе процессов внутриклеточной регуляции и передачи сигналов между клетками в форме электрического импульса.
Белки мембран подразделяются на цельные (интегральные) и периферические. На поверхности цельных белков имеются обширные гидрофобные участки, поэтому эти белки нерастворимы в воде. С липидами мембран они связаны гидрофобными связями и частично погружены в толщу липидного бислоя, а часто пронизывают бислой, оставляя на его поверхности сравнительно небольшие гидрофильные участки. Отделить эти белки от мембраны удается только с помощью таких веществ, которые разрушают липидный слой и переводят белок в растворимую форму. Периферические белки связаны с поверхностью липидного бислоя электростатическими силами, их можно отмыть от мембраны солевыми растворами.
Любая мембрана служит матрицей, на которой располагаются в определенном порядке белки и белковые ансамбли, участвующие в процессах переноса электронов, запасания энергии в форме аденозинтрифосфорной кислоты, регулирования внутриклеточных процессов поступающими извне гормонами и внутриклеточными медиаторами, узнавания других клеток и чужеродных белков, реагирования на свет и механические воздействия и т.д.
18.2. Процессы переноса
Такие низкомолекулярные нейтральные вещества, как газы, вода, аммиак, глицерин и мочевина, свободно диффундируют через биомембраны. Однако с увеличением размера молекулы теряют способность проникать через биомембраны. Например, биомембраны непроницаемы для глюкозы и других сахаров. Проницаемость биомембран зависит также от полярности веществ. Такие неполярные вещества, как бензол, этанол, диэтиловый эфир и многие наркотики, способны легко проходить через биомембраны в результате диффузии. Напротив, для гидрофильных, особенно заряженных, частиц биомембраны непроницаемы. Перенос таких веществ осуществляется специализированными транспортными белками.
Простейшей формой переноса вещества через биомембраны является свободная диффузия (облегченная диффузия). Диффузия часто облегчается определенными мембранными белками, которые можно разделить на две группы:
1. Канальные белки образуют в биомембранах заполненные водой поры, проницаемые для определенных ионов. Например, имеются специфические каналы для ионов Na+, К+, Са2+ и Cl-.
2. В отличие от ионных каналов транспортные белки избирательно связывают молекулы субстрата, перенося их через мембрану. В этом отношении транспортные белки (белки-переносчики) похожи на ферменты. Единственное различие состоит в том, что они «катализируют» направленный перенос, а не какую-либо реакцию. Транспортные белки, или группы транспортных белков, специфичны по отношению к субстратам, подлежащим переносу.
Свободная диффузия и процессы переноса, которые обеспечиваются ионными каналами и переносчиками, осуществляются по градиенту концентрации или градиенту[22] электрического заряда (или по совместному электрохимическому градиенту). Такие процессы называются «пассивным переносом». Например, по такому механизму в клетки поступает глюкоза из крови, где ее концентрация гораздо выше. В отличие от пассивного переноса, активный перенос идет против градиента концентрации или заряда, поэтому активная транспортировка требует притока дополнительной энергии, которая обычно обеспечивается за счет гидролиза аденозинтрифосфорной кислоты АТФ (см. Рис. 19.2). Некоторые процессы переноса осуществляются за счет световой энергии. Активный перенос может сочетаться с другим, спонтанно идущим транспортным процессом (это так называемый вторичный активный перенос). Так, к примеру, происходит в эпителиальных клетках кишечника и почек, где глюкоза переносится против концентрационного градиента за счет того, что одновременно с глюкозой из кишечника и почек переносятся ионы натрия Na+. Здесь движущей силой для транспортировки глюкозы является градиент концентрации катионов натрия.
Рис. 18.2. Схема активного переноса: «натриево-калиевый насос»
1.
Транспортный белок мембраны связывает катион натрия Na+, присутствующий в цитоплазме клетки, что приводит к превращению АТФ в АДФ[23] с высвобождением фосфатной группы (происходит фосфорилирование белковой молекулы).2. В результате фосфорилирования белок изменяет свою конфигурацию.
3. Вследствие изменения конфигурации белка ионы натрия выходят за пределы клетки, а транспортный белок связывает катионы калия К+, находящиеся в межклеточной жидкости.
4. Связывание катионов калия приводит к высвобождению из белковой молекулы фосфатных групп.
5. Потеря фосфатных групп заставляет белок вернуться к первоначальной конфигурации; катионы калия высвобождаются в цитоплазму клетки, и белок вновь начинает связывать катионы натрия.
6. Цикл повторяется.
Эта система активного переноса «накачивает» ионы против градиента концентрации, в результате чего три катиона натрия выводятся из клетки, а два катиона калия внедряются в неѐ из межклеточной жидкости. С помощью подобных транспортных систем осуществляется регулировка ионного состава цитоплазмы, объѐма клеток, величины рН и т.д. Благодаря системам переноса клетки накапливают вещества, необходимые для обеспечения энергетического цикла и метаболических процессов, а также выводят в окружающую среду токсины. Транспортные системы поддерживают ионные градиенты, что имеет большое значение для стимуляции мышечных и нервных клеток. Активный транспорт может идти по механизму унипорта (облегченной диффузии), когда через биомембрану в одном направлении переносится только одно вещество с помощью канальных или транспортных белков (например, транспорт глюкозы в клетках печени). Активный транспорт может протекать по механизму сопряженного переноса (симпорта), когда два вещества переносятся одновременно в одном направлении как, например, транспорт аминокислот или глюкозы вместе с ионами натрия в кишечных эпителиальных клетках, либо в противоположном направлении (антипорт, или обменная диффузия), как, например, обмен гидрокарбонат-анионов НСО3- на хлорид-анионы Cl-, который происходит в мембранах эритроцитов.