Живі клітини, як і організм в цілому - відкрита система з постійним обміном речовини і енергії. В процесі цього обміну відбувається проникнення речовин в клітині і з клітки.
З утворенням в клітинах електричних потенціалів, порушення клітинної проникність призводить до патологічних змін, лікувальну дію лікаря з призначенням препарату пов'язана з проникненням цих речовин в клітку і вплив на її функціональні властивості.
- Вивчення механізму проникнення речовин через мембрану
- Визначення розподілу речовин між внутрішньоклітинної і позаклітинної середовищем.
Методи вивчення проникності
- Об'ємний метод. Заснований на явищі осмосу. Визначення маси клітин до і після поміщення їх у гіпертонічний розчин досліджуваного речовини. Речовина проникає в клітину і збільшується обсяг (через воду). Метод центрифугування - визначення еритроцитарної маси за допомогою нього. При фотометрії змінюється показник проникнення речовин в клітку.
- Індикаторний метод. Він зводиться до визначення прижиттєвої забарвлення. Якісний метод, тому що надходження речовини визначається по зміні забарвлення індикатора, який попередньо вводиться в клітину. Використовується для кислот і лугів. Метод колориметрии може дати не тільки якісну, але і кількісну оцінку. Недолік - малі концентрації погано уловлюються, а великі - згубні для клітини.
- Хімічний метод - досліджує якісне і кількісне визначення речовин в клітинах і навколишньому середовищу.
- Ізотопний метод вивчення проникності. Він дозволяє вивчити потоки будь-яких речовин надходять як в клітку, так і з неї. Метод дозволяє працювати на живих об'єктах і використовувати малі концентрації досліджуваних речовин. Дозволяє вивчати проникнення не тільки чужорідних речовин, але і речовин - компонентів даної клітини.
- Метод вимірювання електропровідності. Застосовується для вимірювання іонів. За зміною низькочастотного струму дозволяє судити про проникності.
Фізичні фактори, що зумовлюють пасивне проникнення речовин через мембрану.
- Концентраційний (хімічний) градієнт
- електрохімічний градієнт
- Електростатичний градієнт (для процесів фільтрації)
- осмотичний градієнт
- Градієнт розчинності на кордоні двох змішуються фаз, наприклад ліпідної і водної
Вони забезпечують пасивне рух речовин.
Активна проникність, йде з витратами енергії, перенесення здійснюється проти градієнта концентрації.
Основним видом пасивного транспорту буде дифузія - проста (через пори в ліпідному Біслі, через білкову пору, або через пори в ліпідному Біслі) і полегшена з (фіксованим або рухомим переносником). До пасивного транспорту відноситься осмос і фільтрація - переміщення речовини та розчинника.
Дифузія є основним шляхом перенесення речовин. Дифузія - мимовільний процес проникнення речовин з області більшої в область з меншою концентрацією в результаті теплового хаотичного руху атомів і молекул. Кінетична енергія - mV2 / 2.
Якщо частка має заряд включається ще електрохімічний градієнт.
Jm = URT dC / dx - UCZF dф / dx
U - рухливість частинок
С - концентрація
R - газова постійна
Z - заряд іона
F - число Фарадея
Dx - товщина мембрани
dC / dx - градієнт концентрації
dф / dx - градієнт електрохімічного потенціалу
Jm = -D dC / dx Jm = P (C1-C2)
Якщо немає заряду.
P - коефіцієнт проникності мембрани
K - коефіцієнт розподілу
Речовини в процесі дифузії проходять через пори мембрани - водорозчинні, полярні сполуки і електроліти. Органічні речовини проходять за рахунок розчинення в ліпідах. Залежність розчинення речовин в ліпідах досліджувалося Овертон. Він показав якщо є карбоксильні, гідроксильні та аміногрупи, то це погіршує проникнення через мембрану. Присутність же метилових, етилових і фенільних груп навпаки полегшує проникнення речовин в клітку. Вони не полярні і це збільшує розчинення цих речовин в ліпідах.
Коефіцієнт розподілу показує відношення розчинності речовин в жирах до розчинності цих речовин у воді. Чим вище цей коефіцієнт, тим легше проникають речовини в клітину, незалежно від розмірів молекули. Якщо речовини мають однаковий коефіцієнт розподілу, то більш дрібні молекули будуть проникати легше ніж великі.
Водорасстворімие речовини проходять через пори мембран. Для того щоб пройти через пору, речовина повинна подолати певні сили, які перешкоджають цьому. Речовина має звільниться від водної або сольватной оболонки, розсунути поверхневий молекулярний шар на кордоні клітини та омиває розчину, подолати взаємодія своїх полярних груп і полярних груп пори мембран, подолати енергетичний бар'єр, який створюється на поверхні цитоплазми іонами і колоїдами.
Проникність іонів через мембрану.
Вона залежить від наступних факторів.
- Розмір кристалічного радіуса
- Розмір гідратної оболонки і її міцності
- Від валентності іона, яка визначається величиною заряду
- Від фазових переходів мембрани з рідкокристалічного стану в гель і назад. Радіус гідратірвоанного іона буде визначатися кристалічним радіусом і наявністю однієї або декількох гідратних оболонок. Водна оболонка у аніонів на 18% компактніше ніж у катіонів. Аніони краще проходять через мембрану. При проходженні через пору іон зберігає одну гідрадну оболонку, а інші заміщуються стінками пори. Легше це відбувається, якщо менше енергія гідратації.
На проникнення в клітину впливатиме заряд, тому що відбувається взаімодейтсвіе з часом. Одновалентні іони краще ніж 2х і чим 3х. Натрій, калій краще, кальцій, магній - краще, зовсім погано - залізо.
Стан мембрани. Пори рідкого кристала і гелю. Кристал (займає велику щільність, за рахунок розсування жирних хвостів - 0,58 і 3,9). Гель - жирні хвости паралельно розташовані і площа зменшується до 0,48, але збільшується товщина збільшується до 4,7. Транс конфігурація - витягнуті і відхилення хвостів в Гош-транс-гош конфігурації.
У жідкокрсіталіческом стані в мембрані є мікропорожнини - kink петля. ці мікропорожнини захоплюються іони, вода і вони можуть переміщатися уздовж мембрани і мембрана здійснює перенесення.
Процес дифузії може сприяти у виконанні цього за рахунок наявності переносників. Особливість полегшеної дифузії, також як по градієнту концентрації, тільки швидше. Має властивість транспортного максимуму - наростання швидкості проникності речовини залежить від вільних переносників, але коли все переносники зайняті, швидкість зменшується. Збільшення швидкості полегшеної дифузії йде до певного моменту. Можлива конкуренція переносите речовин, коли до переносники приєднуються різні речовини.
Процес фільтрації - бачення розчину через пору в мембрані під дією градієнта тиску.
Підпорядковується уравенную Пуазейля
dV / dt = пі R4 (p1-p2) / 8lή
dV / dt = (p1-p2) / w W = 8lή / пі R4
r4 - радіус пори
ή - в'язкість рідини
V - об'єм фільтрованої рідини
W - гідлравліческое опір
У капілярах клубочків нирок - булки не можуть пройти через фільтр, вони залишаються в плазмі і створюють осмотичний тиск. Фільтрована рідина - створює гідростатичний тиск, перешкод фільтрації.
Велике значення в організмі має осмос. Вода за законами осмосу з розчину з меншою концентрацією речовин в розчин з більшою концентрацією. Осмос - це дифузія молекул води. Ідеї по градієнту осмотичного тиску (пі)
Пі = iRCT i-ізотонічний коефіцієнт дисоціації молекул.
При визначенні концентрації розчину в показниках чатсіц замість гарммов - осмолу.
Один осмолу є 1 грам-молекулою розчиненої речовини.
Розчин містить 1 осмолу розчиненої речовини в кожному кілограмі води має осмоляльнсоть 1 осмолу на кг.
Розчин, який містить 1/1000 осмол на 1 кг води, має осмоляльність 1 міліосмоль (мосм) на 1 кг. Нормальна осмоляльність позаклітинної і внутрішньоклітинної рідини дорівнює приблизно 300 мосм на 1 кг
У зв'язку зі складністю вимірювання води в розчині в кілограмах, що необхідно для визначення осмоляльності. замість цього використовую осмолярність - концентрацію відображену числом засмолений на 1 л розчину, а не на 1 кг.
Відмінності в покащателях осмоляльности і осмолярності складають менше 1%
Проникність мембран для води
- осмотичний градієнт
- Гідрсотатіческій градієнт
- електричний градієнт
- Онкотичноготиск білків. Забезпечує аномальний осмос.
Неоднакова швидкість проникнення катіонів та аніонів створює диффузионную різниця потенціалів. Ця різниця потенціалів може впливати на проникнення води. Аномальний осмос може бути позитивним і негативним. При позитивному осмосі - вода рухається по осмотичного градієнту, але з додатковим прискоренням, а при негативному аномальному осмосу вода переноситься проти осмотичного градієнта, але по градієнту електричної різниці потенціалу.
Теорії транспорту води
Теорія Вант-Гофа - проникнення води через пори тепловим рухом її молекул.
Проникнення води в вигляді пари.
Мембрани добре проникні для газів незалежно від їх природи. Гази не мають заряд. Гази можуть розчинятися в ліпідах.
Проникність для кислот і лугів залежить від ступеня їх дисоціації. Проникність алкалоїдів теж. Чи не діссоцііруемие - добре проходять через мембрану, тому що розчиняються в ліпідах, а діссоцііруемие не можуть пройти через пори мембран через велику величини.
Активний транспорт - пов'язаний з витратою енергії, і проти градієнта.
Первинно активний і вдруге активний транспорт.
Первинно активний транспорт - насосні механізми для перенесення іонів мембран.
Фермент може находітcя в 2х конформаційних станах - E1 / E2. Може приєднається до альфа суб одиниці в стані Е1 три одиниці. Відбувається розпад АТФ до АДФ і неорганічного фосфату. Фосфатна група переноситься на аспарагін в 376 положенні. Білок при фосфолілірованіі здійснює поворот і три іона зсередини виявляються зовні. Альфа суб одиниця після повороту набуває спорідненість до калію. І захоплює 2 іона калію. Алеї дефосфолілірованіе і нове конформационное зміна перехід в Е2 і 2 калію повертається всередину.
Цей транспорт підтримує нормальний розподіл натрію і калію у внутрішньоклітинної і поза рідини. Також + заряд на зовнішній поверхні мембрани. З винесенням 3х іонів натрію з клітини видаляється вода, тобто підтримується водний баланс клітини.
Вторчіно активний транспорт використовується для перенесення органічних сполук, необхідних для клітини і цей вдруге активний транспорт здійснюється за допомогою переносників = 2 натрій + глюкоза (наприклад). Рухається в клітці по градієнту натрію в клітку. Тут енергія не витрачається, але глюкоза з клітки повинна піти в кров - шляхом простої дифузії, а натрій з клітки видаляється натрій-калій АТФазой. Це потрібно для підтримання концентраційного градієнта.
Активні процеси транспорту речовини пов'язані також з ендоцитозу - фагоцити - перенесення щільних частинок і пиноцитоз - якщо переносяться рідини. Цей процес може бути специфічним і не. Специфічний - якщо мембрана сама відбирає за допомогою спеціальних рецепторних білком мембрани. Мембрана утворює складку, яка замикається і переходить в пляшечку, він створює первинну ендосом, в яку включені речовина, білок. З первинної ендосоми видаляється білок (клатріна) і первинна ендосомамі переходить у вторинну ендосом, і вона зливається з лизосомой.
Гормони, які не можуть проходити через мембрану, взаємодіють з рецепторами. А ін. Частина гормонів, розчинних в жирах, проникає всередину клітини і взаємодіють з цитозольними рецепторами.