Методи вивчення проникності
1. Об'ємний метод. Заснований явище осмосу. Визначення маси клітин до і після поміщення їх у гіпертонічний розчин речовини, що вивчається. Речовина проникає в клітину і збільшується обсяг (через воду). Метод центрифугування - Визначення еритроцитарної маси за допомогою нього. При фотометрії змінюється показник проникнення речовин у клітину.
2. Індикаторний метод. Він зводиться до визначення прижиттєвого забарвлення. Якісний спосіб, т.к. надходження речовини визначається зміною забарвлення індикатора, який попередньо вводиться в клітину. Використовується для кислот та лугів. Метод колориметрії може дати як якісну, а й кількісну оцінку. Недолік – малі концентрації погано вловлюються, а великі – згубні клітини.
3. Хімічний метод – досліджує якісне та кількісне визначення речовин у клітинах та навколишньому середовищі.
4. Ізотопний метод вивчення проникності. Він дозволяє вивчити потоки будь-яких речовин, що надходять як у клітину, так і з неї. Метод дозволяє працювати на живих об'єктах і використовувати малі концентрації речовин, що вивчаються. Дозволяє вивчати проникнення як чужорідних речовин, а й речовин – компонентів цієї клітини.
5. Метод виміру електропровідності. Застосовується вимірювання іонів. По зміні низькочастотного струму дозволяє будувати висновки про проникності.
Фізичні фактори, що зумовлюють пасивне проникнення речовин через мембрану.
1. Концентраційний (хімічний) градієнт
2. Електрохімічний градієнт
3. Електростатичний градієнт (для процесів фільтрації)
4. Осмотичний градієнт
5. Градієнт розчинності на межі двох фаз, що не змішуються, наприклад ліпідної і водної
Вони забезпечують пасивний рухречовин.
Активна проникність, що йде з витратами енергії, перенесення здійснюється проти градієнта концентрації.
Основним видом пасивного транспорту буде дифузія - проста (через пори в ліпідному бислое, через білкову пору, або через пори в ліпідному бислое) і полегшена з (фіксованим або рухомим переносником). До пасивного транспорту відноситься осмос та 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 хаотичного теплового руху атомів і молекул. Кінетична енергія – mV2/2.
Якщо частка має заряд, включається ще електрохімічний градієнт.
Рівняння Нернста-Планка
Jm = URT dC/dx – UCZF dф/dx
U – рухливість частинок
R – постійна газова
F – число Фарадея
Dx – товщина мембрани
dC/dx – градієнт концентрації
dф/dx - градієнт електрохімічного потенціалу
Закон Фіка
Jm = -D dC/dx Jm = P(C1-C2)
Якщо немає заряду.
P – коефіцієнт проникності мембрани
K – коефіцієнт розподілу
Речовини у процесі дифузії проходять через пори мембрани – водорозчинні, полярні сполуки та електроліти. Органічні речовини проходять за рахунок розчинення у ліпідах. Залежність розчинення речовин, у ліпідах досліджувалося Овертоном. Він показав якщо є карбоксильні, гідроксильні та аміногрупи, то це погіршує проникнення через мембрану. Присутність метилових, етилових і фенільних груп навпаки полегшує проникнення речовин у клітину. Вони не полярні і це збільшує розчинення цих речовин у ліпідах.
КоефіцієнтРозподіл показує відношення розчинності речовин у жирах до розчинності цих речовин у воді. Що цей коефіцієнт, тим легше проникають речовини в клітину, незалежно від розмірів молекули. Якщо речовини мають однаковий коефіцієнт розподілу, то дрібніші молекули проникатимуть легше ніж великі.
Водорозчинні речовини проходять через пори мембран. Для того, щоб пройти через пору, речовина має подолати певні сили, які перешкоджають цьому. Речовина повинна звільнитися від водної або сольватної оболонки, розсунути поверхневий молекулярний шар на межі клітини та розчину, що омиває, подолати взаємодію своїх полярних груп і полярних груп пори мембран, подолати енергетичний бар'єр, створюваний на поверхні цитоплазми іонами і колоїдами.
Проникність іонів через мембрану.
Вона залежить від таких факторів.
1. Розмір кристалічного радіусу
2. Розмір гідратної оболонки та її міцності
3. Від валентності іона, що визначається величиною заряду
4. Від фазових переходів мембрани з рідкокристалічного стану гель і назад. Радіус гідратірованного іона визначатиметься кристалічним радіусом та наявністю однієї або декількох гідратних оболонок. Водна оболонка у аніонів на 18% компактніша, ніж у катіонів. Аніони краще проходять через мембрану. При проходженні через пору іон зберігає одну гідратну оболонку, інші заміщаються стінками пори. Легше це відбувається, якщо менша енергія гідратації.
На проникнення у клітину впливатиме заряд, т.к. відбувається взаємодія з часом. Одновалентні іони краще ніж 2х і 3х. Натрій, калій кращий, кальцій, магній – краще, зовсім погано – залізо.
Стан мембрани. Пори рідкогокристала та гелю. Кристал (займає велику щільність, за рахунок розсування жирних хвостів – 0,58 та 3,9). Гель - жирні хвости паралельно розташовані і площа зменшується до 0,48, але товщина збільшується до 4,7. Транс конфігурація – витягнуті та відхилення хвостів у Гош-транс-гош конфігурації.
У рідкокристалічному стані в мембрані є мікропорожнина – kink петля. ці мікропорожнини захоплюються іони, вода і можуть переміщатися вздовж мембрани і мембрана здійснює перенесення.
Процес дифузії може полегшуватись за рахунок наявності переносників. Особливість полегшеної дифузії, як і за градієнтом концентрації, лише швидше. Має властивість транспортного максимуму - наростання швидкості проникності речовини залежить від вільних переносників, але коли всі переносники зайняті, швидкість зменшується. Збільшення швидкості полегшеної дифузії йде до певного моменту. Можлива конкуренція речовин, що переносяться, коли до переносника приєднуються різні речовини.
Процес фільтрації – бачення розчину через пору в мембрані під впливом градієнта тиску.
Підпорядковується рівнянню 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 – гідравлічний опір
У капілярах клубочків нирок – білки не можуть пройти через фільтр, вони залишаються у плазмі та створюють осмотичний тиск. Фільтрована рідина – створює гідростатичний тиск, що перешкоджає фільтрації.
Велике значення у організмі має осмос. Вода за законами осмосу з розчину з меншою концентрацією речовин розчин з більшою концентрацією. Осмос – це дифузія молекул води. Іде градієнтом осмотичноготиску (пі)
Пі=iRCT i-ізотонічний коефіцієнт дисоціації молекул.
Осмоляльність. Осмоль.
При визначенні концентрації розчину у показниках чатиць замість гармів – осмоль.
Один осмоль є 1 г молекулою розчиненої речовини.
Розчин містить 1 осмоль розчиненої речовини в кожному кілограмі води має осмоляльнсоть 1 осмоль на кг.
Розчин, який містить 1/1000 осмолю на 1 кг води, має осмоляльність 1 міліосмоль(мосм) на 1 кг. Нормальна осмоляльність позаклітинної та внутрішньоклітинної рідини дорівнює приблизно 300 мосм на 1 кг.
Осмолярність
У зв'язку зі складністю вимірювання води в розчині в кілограмах, що необхідно для визначення осмоляльності, натомість використовую осмолярність - концентрацію виражається числом осмолів на 1 л розчину, а не на 1 кг.
Відмінності у показниках осмоляльності та осмолярності становлять менше 1%
Проникність мембран для води
1. Осмотичний градієнт
2. Гідрсотатичний градієнт
3. Електричний градієнт
4. Онкотичний тиск білків. Забезпечує аномальний осмос.
Неоднакова швидкість проникнення катіонів та аніонів створює дифузійну різницю потенціалів. Ця різниця потенціалів може проводити проникнення води. Аномальний осмос може бути позитивним та негативним. При позитивному осмосі вода рухається по осмотичному градієнту, але з додатковим прискоренням, а при негативному аномальному осмосі 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 як пари.
Мембранидобре проникні для газів незалежно від їхньої природи. Гази немає заряд. Гази можуть розчинятися у ліпідах.
Проникність для кислот та лугів залежить від ступеня їх дисоціації. Проникність алкалоїдів також. Чи не дисоційовані - добре проходять через мембрану, т.к. розчиняються в ліпідах, а дисоційовані не можуть пройти через пори мембран з-за великої величини.
Активний транспорт– пов'язані з витратою енергії, і проти градієнта.
Первинно активний та вдруге активний транспорт.
Спочатку активний транспорт – насосні механізми для перенесення іонів мембран.
Фермент може знаходитись у 2х конформаційних станах – E1/E2. Може приєднатися до альфа суб одиниці може Е1 три одиниці. Відбувається розпад АТФ до АДФ та неорганічного фосфату. Фосфатна група переноситься на аспарагін у 376 положенні. Білок при фосфолілюванні здійснює поворот і три іони зсередини виявляються зовні. Альфа суб одиниця після повороту набуває спорідненості до калію. І захоплює 2 іони калію. Алеє дефосфолілювання та нова конформаційна зміна перехід у Е2 та 2 калію повертається всередину.
Цей транспорт підтримує нормальний розподіл натрію та калію у внутрішньоклітинній та поза рідиною. Також + заряд на зовнішній поверхні мембрани. З виносом 3х іонів натрію із клітини видаляється вода, тобто. підтримується водяний баланс клітини.
Вторинно активний транспорт використовується для перенесення органічних сполук, необхідних клітини і цей вторинно активний транспорт здійснюється за допомогою переносників = 2 натрій + глюкоза (наприклад). Рухається у клітині по градієнту натрію у клітину. Тут енергія не витрачається, але глюкоза з клітини повинна піти в кров шляхом простої дифузії, а натрій з клітини видаляється натрій-калій АТФазою.Це необхідно підтримки концентраційного градієнта.
Активні процеси транспорту речовини пов'язані також із ендоцитозом – фагоцито – перенесення щільних частинок і піноцитоз – якщо переносяться рідини. Цей процес може бути специфічним та не. Специфічний – якщо мембрана сама відбирає за допомогою спеціальних рецепторних білків мембрани. Мембрана утворює складку, яка замикається і переходить у пляшечку, він створює первинну ендосому, в яку включені речовину, білок. З первинної ендосоми видаляється білок (клатрин) і первинна ендосома переходить у вторинну ендосому, і вона зливається з лізосомою.
Гормони, які можуть проходити через мембрану, взаємодіють з рецепторами. А ін частина гормонів, розчинних у жирах, проникає всередину клітини і взаємодіють з цитозольними рецепторами.