Строение мембраны клетки, поступление веществ к месту действия, типы переноса

Для проявления эффекта биологически активных веществ им необходимо быть доставленными к «месту действия». Лекарству необходимо проникнуть через различные мембраны, «охраняющие» клеточное пространство от чужеродных соединений к системам, воспринимающим их в качестве лигандов.

Клеточная мембрана представляет собой двойной слой (бислой) молекул класса липидов, большинство из которых представляет собой так называемые сложные липиды — фосфолипиды. Молекулы липидов имеют гидрофильную («головка») и гидрофобную («хвост») часть. При образовании мембран гидрофобные участки молекул оказываются обращены внутрь, а гидрофильные — наружу. Мембраны — структуры инвариабельные, весьма сходные у разных организмов. Некоторое исключение составляют, пожалуй, археи, у которых мембраны образованы глицерином и терпеноидными спиртами. Толщина мембраны составляет 7-8 нм.

Изображение клеточной мембраны. Маленькие голубые и белые шарики соответствуют гидрофильным «головкам» липидов, а присоединённые к ним линии — гидрофобным «хвостам». На рисунке показаны только интегральные мембранные белки (красные глобулы и желтые спирали). Желтые овальные точки внутри мембраны — молекулы холестерола Желто-зеленые цепочки бусинок на наружной стороне мембраны — цепочки олигосахаридов, формирующие гликокаликс

Биологическая мембрана включает и различные белки: интегральные (пронизывающие мембрану насквозь), полуинтегральные (погруженные одним концом во внешний или внутренний липидный слой), поверхностные (расположенные на внешней или прилегающие к внутренней сторонам мембраны). Некоторые белки являются точками контакта клеточной мембраны с цитоскелетом внутри клетки, и клеточной стенкой (если она есть) снаружи. Некоторые из интегральных белков выполняют функцию ионных каналов, различных транспортеров и рецепторов.

Среди функций мембран отметим две:

барьерная — обеспечивает регулируемый, избирательный, пассивный и активный обмен веществ с окружающей средой. Например, мембрана пероксисом защищает цитоплазму от опасных для клетки пероксидов. Избирательная проницаемость означает, что проницаемость мембраны для различных атомов или молекул зависит от их размеров, электрического заряда и химических свойств. Избирательная проницаемость обеспечивает отделение клетки и клеточных компартментов от окружающей среды и снабжение их необходимыми веществами.

транспортная — через мембрану происходит транспорт веществ в клетку и из клетки. Транспорт через мембраны обеспечивает: доставку питательных веществ, удаление конечных продуктов обмена, секрецию различных веществ, создание ионных градиентов, поддержание в клетке соответствующего pH и ионной концентрации, которые нужны для работы клеточных ферментов.

Частицы, по какой-либо причине не способные пересечь фосфолипидный бислой (например, из-за гидрофильных свойств, так как мембрана внутри гидрофобна и не пропускает гидрофильные вещества, или из-за крупных размеров), но необходимые для клетки, могут проникнуть сквозь мембрану через специальные белки-переносчики (транспортеры) и белки-каналы или путем эндоцитоза.

 

При пассивном транспорте вещества пересекают липидный бислой без затрат энергии, путем диффузии. Вариантом этого механизма является облегчённая диффузия, при которой веществу помогает пройти через мембрану какая-либо специфическая молекула. У этой молекулы может быть канал, пропускающий вещества только одного типа.

 

Активный транспорт требует затрат энергии, так как происходит против градиента концентрации. На мембране существуют специальные белки-насосы, в том числе АТФаза, которая активно вкачивают в клетку ионы калия (K⁺) и выкачивают из неё ионы натрия (Na⁺).

 

Таким образом вещество может попасть в клетку тремя способами

Простая диффузия. - в этом случае скорость переноса определяется различием концентраций вещества (или веществ) по обе стороны мембраны и процесс может протекать только до уравнивания концентраций, т. е. до достижения равновесия. Скорость проникновения вещества через мембрану зависит, как правило, от липофильности соединения и тем выше, чем более жирорастворимо переносимое через мембрану вещество (до определенного предела). По первому варианту не могут проникать гидрофильные частицы и ионы.

Для второго варианта характерно наличие специфической системы, облегчающей перенос соединения через мембрану, т. е. способствующей диффузии. И в этом случае равенство концентраций приводит к остановке процесса проникновения. В этом случае также отсутствует потребление энергии при транспорте. Однако, различие с первым вариантом заключается в том, что возможен перенос, причем облегченный перенос соединений, которые без переносчика проникнуть через мембрану не могут. Например, диффузия молекулы холина (средство для лечения заболеваний печени) по первому варианту практически невозможна из-за наличия тетраалкиламмониевой группы, но специфический переносчик быстро доставляет его в эритроциты и другие клетки.

Перенос вещества по второму варианту остановится в случае насыщения переносчика даже если имеются различия в концентрациях переносимого вещества по обе стороны мембраны.

Третий вариант используется для переноса ионов натрия калия кальция и магния, которые используются для передачи нервных импульсов.