Пути проникновения растворенных веществ

В КЛЕТКУ

Градиенты, по которым осуществляется перенос веществ, являются энергетическим условием для переноса. Кроме энергетического фактора, важное значение для транспорта веществ имеет путь, по которому осуществляется проникновение веществ.

При всем многообразии строения и физико-химических свойств молекул проникающих веществ существует два пути их проникновения через клеточную мембрану: 1) проникновение за счет растворения проникающих веществ в липидах клеточной мембраны; 2) проникновение через поры клеточной мембраны, соединяющие цитоплазму клеток с внешней средой. Первый способ проникновения присущ водонерастворимым органическим соединениям, а второй характерен для молекул водорастворимых веществ и ионов.

Зависимость проникающей способности веществ от
их растворимости в липидах впервые установил Овер-
тон в 1895 — 1899 гг. Он сформулировал два эмпирических правила:

1) проницаемость клеток для органических молекул уменьшается по мере возрастания в молекулах количества гидроксильных, карбоксильных и аминных групп. Чем больше молекулы вещества содержат групп –СООН, -NH₂ и -ОН, тем хуже это вещество проникает в клетку;

2) проницаемость клеток для органических молекул возрастает по мере увеличения в молекулах количества метиловых, этиловых и фенильных групп.

Впоследствии Джекобс (1924), исходя из теории электрического строения молекул, дал объяснение правилам Овертона. Он показал, что все химические соединения, а также отдельные, входящие в их состав радикалы, делятся на две большие группы: полярные и неполярные соединения.

Неполярные молекулы электрически симметричны — их центры положительных и отрицательных зарядов сов-

151

падают. Метиловые, этиловые и фенильные группы являются неполярными. Неполярные соединения имеют низкую диэлектрическую проницаемость и не растворяются в полярных растворителях (воде, спиртах), поскольку растворение в полярном растворителе в основном обусловлено взаимодействием полярных групп вещества с полярными молекулами растворителя. Зато неполярные вещества (вернее, малополярные) хорошо растворяются в неполярных растворителях (липидах, хлороформе, ацетоне), так как им легко разрушить структуру неполярного растворителя. При этом растворимость вещества будет тем выше, чем менее полярны его молекулы. При увеличении количества неполярных групп полярность всей молекулы в целом уменьшается — эти группы как бы маскируют полярность, имеющуюся у отдельных частей молекулы. Соответственно повышается их растворимость в липидах и облегчается их диффузия через клеточную мембрану.

Гидроксильные, карбоксильные и аминные группы относятся к полярным соединениям — центры их положительных и отрицательных зарядов не совпадают из-за полярности и несимметричности химических связей между атомами. Полярные соединения имеют высокую диэлектрическую проницаемость, хорошо растворяются в воде и других полярных растворителях и плохо растворяются в неполярных растворителях. При увеличении в молекулах органических веществ количества полярных групп их растворимость в липидах понижается, что приводит к уменьшению проницаемости клеток для этих соединений.

К веществам, проникающим в клетку путем растворения в липидах клеточной мембраны, относятся липиды, органические жирные кислоты, различные эфиры и другие малополярные органические соединения. Для веществ, проникающих в клетку путем растворения в липидах клеточной мембраны, размер молекул не имеет существенного значения. Более крупные, но менее полярные молекулы будут проникать лучше, чем более полярные, имеющие меньший размер. При этом, вероятно, белковые молекулы, образующие сплетения на поверхности липидных слоев в мембране, не служат препятствием для проникающих молекул.

Второй путь проникновения веществ в клетку — через поры клеточной мембраны — открыт для молекул

152

водорастворимых веществ. К таким веществам относятся минеральные кислоты, соли и основания, а также органические вещества, молекулы которых содержат полярные группы: сахара, аминокислоты, спирты, мочевина и другие полярные органические соединения.

Так как поры в мембранах имеют ограниченные размеры, то через них могут проникать молекулы и ионы только в том случае, если их диаметр не превышает диаметра пор (0,35—0,8 нм). Между размером молекул и их диффузионной способностью через мембрану существует обратное отношение. Товертом было показано, что коэффициент диффузии D молекул, диаметр которых не превышает диаметра гексоз, обратно пропорционален квадратному корню их молекулярной массы М:

(6)

Таким образом, клеточная мембрана для неполярных соединений служит растворителем для полярных — молекулярным ситом.

Максимальной проникающей способностью через мембрану обладают вода и растворенные в ней газы, например кислород и азот; на другом конце шкалы проницаемости находятся ионы. Коэффициент проницаемости мембраны для воды составляет 10^-4 см/с, что в 10 000 раз меньше скорости диффузии молекул воды через водный слой толщиной 7,5 нм. На основе этого заключили, что площадь пор составляет очень малый процент от площади всей мембраны. Расчеты Соломона показали, что диаметр пор в мембране эритроцитов равен 0,7 — 0,85 нм и что они занимают только 0,06% всей поверхности эритроцита. Это говорит о том, как сильно изолирована клетка от окружающей среды. Например, мочевина, которая считается относительно легко проникающим веществом, поступает в клетку в 10⁵ раз медленнее воды, а некоторые ионы проникают сквозь клеточную мембрану в 10⁵ раз медленнее мочевины.

Проницаемость клеточной мембраны для катионов и анионов различна; как правило, клетки более проницаемы для катионов. Исключение представляют эритроциты — анионы проникают в них почти в миллион раз быстрее, чем катионы.

Для того чтобы молекула или ион водорастворимого вещества могли проникнуть через мембрану, они долж-

153

ны обладать определенным запасом кинетической энергии, аналогичным энергии активизации при вступлении в химическую реакцию. Эта энергия расходуется на преодоление ряда энергетических барьеров. Так, молекуле или иону, для того чтобы войти в пору, необходимо оторваться от окружающей их гидратной оболочки; при прохождении через пору необходимо преодолеть электрическое взаимодействие своих полярных групп с заряженными полярными группами стенки поры, представляющими собой фиксированные заряды в порах. Это главные барьеры.

Предполагают, что основное значение в возникновении фиксированных зарядов в порах и на мембране имеют диссоциирующие полярные группы белков: карбоксильные и аминные. При диссоциации карбоксильной группы возникает отрицательный фиксированный заряд, а при диссоциации аминной группы — положительный. Знак заряда поры и мембраны будут определяться соотношением числа положительных и отрицательных зарядов. Заряд пор может быть обусловлен не только наличием полярных ионогенных групп в мембране, но и адсорбцией ионов из раствора поверхностью мембраны и стенками пор. Впервые на значение фиксированных зарядов в мембране в процессе проникновения веществ через нее было указано Михаэлисом в 1933 г.

Особенно большой барьер существует для проникновения через мембрану ионов. Это обусловлено значительным электрическим взаимодействием ионов с заряженными группами пор. Если частица приближается к одноименно заряженной поре, то при этом она испытывает отталкивание и проникает через мембрану только в том случае, если обладает кинетической энергией, достаточной для преодоления этого отталкивания. Если частица и поверхность поры заряжены противоположно, то частица испытывает притяжение к центру поры и ее проникновение во многих случаях может облегчаться. Но так как ион притягивается к электрическому центру поры, то в некоторых случаях он может оказаться в потенциальной яме, как бы фиксируясь в центре поры и препятствуя поступлению остальных ионов.

Если плотность фиксированных зарядов одного знака в мембране достигает большой величины, то такая мембрана обладает избирательной проницаемостью по

154

отношению к катионам и анионам. Она хорошо пропускает ионы, знак заряда которых противоположен знаку фиксированных в мембране зарядов, и плохо пропускает одноименно заряженные ионы. В настоящее время искусственно получают мембраны, называемые ионообменными, которые обладают очень высокой степенью избирательности. Такие мембраны пропускают ионы одного знака и практически не пропускают ионы другого знака.

И. Тасаки, исследуя изотопным методом диффузию различных ионов через мембрану аксона в состоянии покоя, установил, что скорость диффузии одновалентных катионов превышает приблизительно в 10 раз скорость диффузии анионов при равных условиях. Это дает основание предполагать, что в мембране аксона существует слой с относительно высокой концентрацией фиксированных отрицательных зарядов. Этот слой уменьшает потоки анионов и придает мембране катионообменные свойства. Это подтверждают и данные, полученные при изучении электрохимических свойств клеточных поверхностей методом электрофореза и электроосмоса. Согласно этим данным, все биологические поверхности в норме имеют отрицательный электрический заряд, обусловленный или диссоциацией ионогенных групп, или адсорбцией ионов (см. главу 8).

Ионы водорода и гидроксила, несмотря на свой относительно малый ионный радиус, практически не проникают в клетку. Это обусловлено высокой химической активностью данных ионов, благодаря которой они захватываются концевыми химическими группами поверхности мембраны еще до поступления внутрь последней. В результате этого поверхностные группы приобретают соответствующий заряд, который препятствует приближению к мембране других ионов, заряженных одноименно.

Сказанным объясняется тот факт, что сильные кислоты и сильные основания, дающие при диссоциации ноны водорода и гидроксила, вообще не проникают в нормальную неповрежденную клетку. Эти вещества могут проникнуть в клетку только в том случае, если ее мембрана предварительно повреждена в результате действия или самих сильных кислот и оснований, или других повреждающих факторов. Так, в известных опытах С.С.Чахотина помещение яиц морского ежа, в ко-

155

торые предварительно был введен индикатор — нейтральный красный, в слабый раствор серной кислоты не приводило к изменению окраски яиц. Но если на клетку направляли тонкий пучок ультрафиолетовых лучей, то в месте лучевого «микроукола» возникало резкое изменение окраски, свидетельствующее о проникновении кислоты в месте повреждения.

В отличие от сильных кислот и оснований слабые кислоты и основания легко проникают в клетки. Они имеют низкую степень диссоциации и в недиссоциированном виде сравнительно хорошо растворяются в липидах, что и служит причиной их способности проникать через мембраны. Если слабые кислоты и основания находятся в диссоциированном виде, то они не могут проникать через мембраны по той же причине, по которой не могут проникать сильные кислоты и основания. Из сказанного следует, что проницаемость для слабых кислот и оснований зависит от рН среды. Изменение рН среды, вызывающее уменьшение степени диссоциации этих соединений, будет приводить к повышению проницаемости клеток для них. И наоборот, изменение этого фактора, вызывающее увеличение степени диссоциации, приведет к понижению проницаемости клеток для рассматриваемых соединений.

Так, Овертон еще в 1897 г. показал, что если поместить головастиков в воду, в которую добавлен азотнокислый стрихнин (до концентрации 0,01%), то гибели животных не происходит. Однако если к этому раствору добавить небольшое количество соды, что для головастиков само по себе совершенно безвредно, то животные быстро погибают. Причина этого эффекта ясна: в отсутствие соды стрихнин находился в диссоциированной форме — в виде катиона; после добавления соды он образует с гидроксилом, возникающим при гидролизе соды, слабодиссоциирующее основание, которое легко диффундирует через покровные ткани животного и вызывает его гибель.

Следует отметить, что причиной повышения или понижения проницаемости мембран при изменении рН среды может служить не только уменьшение и увеличение степени диссоциации проникающего вещества, но и изменение степени диссоциации ионогенных групп поверхности мембраны и пор, которые обусловливают возникновение фиксированных зарядов в мембране.

156

Если рН клетки и среды имеют разные значения, то молекулы слабых электролитов после их поступления в клетку могут диссоциировать на ионы. Последние, обладая зарядом, уже с трудом выходят наружу, оказываясь как бы попавшими в ловушку. Таким образом, различие в рН между содержимым клетки и внешней средой может обусловливать явление односторонней проницаемости слабых электролитов и их накопление в клетке.

Согласно Д. Л. Рубинштейну (теория мембранных градиентов), в основе любого процесса односторонней проницаемости лежит различие в численном значении физико-химических параметров среды и клетки. При этом односторонняя проницаемость может приводить к накоплению определенных веществ в клетке в концентрациях более высоких, чем в среде. Для пассивного накопления вещества достаточно, чтобы молекулярное состояние проникающего вещества подвергалось в клетке какому-либо изменению. Оно может в клетке диссоциировать, окисляться или восстанавливаться, аминироваться или ацетилироваться и т. д. Если в результате любого из этих превращений получается вещество, хуже проникающее через клеточную мембрану, оно будет накапливаться в клетке. Накопление является результатом перехода проникающего вещества в другое молекулярное состояние, для которого клеточная мембрана менее проницаема. Напротив, если внутриклеточные реакции переводят вещество в форму, лучше проникающую через мембрану, то его концентрация в клетке может поддерживаться на пониженном уровне. Следует иметь в виду, что во всех случаях перенос вещества осуществляется по градиенту, который поддерживается на постоянном уровне, поскольку вещество после проникновения через мембрану переходит в другую форму. Так как градиенты поддерживаются на постоянном уровне за счет энергии клеточного метаболизма, обеспечивающего различие и значении физико-химических параметров среды и клетки, то в конечном счете накопление вещества уже является активным процессом.