. Поэтому перенос веществ путем диффузии имеет значение только в клеточных масштабах.

4.2.1.2. Диффузия через мембрану происходит более медленно,

так как липиды мембраны служат препятствием, ограничивающим скорость.

Согласно теории двух путей (теории липидного фильтра), вещества, растворимые в липидах, могут диффундировать через липидный слой, в то время как остальным веществам приходится использовать крошечные «поры» (3.4.1) в слое липидов. Поэтому скорость прохождения более крупных частиц (диаметром .более 0,5 нм) не только зависит от их молекулярной массы, но и пропорциональна их растворимости в липидах, L (коэффициент проницаемости KocL-M-1), в то время как очень мелкие частицы (например, ионы К+ — диаметр гидратирован-ного иона 0,34 нм) через поры проходят быстрее, чем предсказывает это уравнение.

4.2.1.3. Химический, электрохимический и водный потенциалы.

Диффузия, в частности диффузия через мембрану, происходит в направлении химического потенциала щ, который зависит от температуры и концентрации (1.2.1).

На заряженные частицы (ионы), кроме того, влияют электрические потенциалы Ч' (например, мембранный потенциал, 9.1.1). Их диффузия идет по направлению электрохимического потенциала fit, который складывается из Ц| и Ч': MJ = u.'4-Zrf -Ч/ (zi — заряд иона, F — число Фарадея).

. Вода перемещается по градиенту водного потенциала V (пси). В чистой воде при стандартных условиях Ч/ = 0, в биологических системах Ч/<С0. Движение воды направлено к наименьшему, т. е. наиболее отрицательному, V. Величина Ч' имеет размерность давления.

Водный потенциал Чг вычисляют из химического потенциала воды p.w:

(pw—Цо»)/о» [How — химический стандартный потенциал для воды (1.2.1),

»„ — парциальный молекулярный объем воды]. _

4.2.1.4. Осмос — это диффузия воды через полупроницаемую

мембрану, например плазматическую. Такие мембраны хорошо

пропускают воду, но мало проницаемы для растворенных в ней

веществ. В моделях клетки в качестве полупроницаемой мембраны используют, в частности, мочевой пузырь свиньи или

мембрану из осадка гексацианоферрата меди в порах глиняного

цилиндра (камера Пфеффера, рис. 4.3,Л).

Если поместить клетку в чистую воду, то создается градиент водного потенциала: снаружи 100% воды, т. е. Ч/ = 0, а внутри меньше 100% (остальное — растворенное вещество, рис. 4.3,Л), т. е. 4/Понижение «концентрации свободной воды» в клетке имеет две причины: осмотическое влияние растворенных веществ (см. выше) и действие структурированных компонентов (макромолекулы, капилляры клеточной стенки и т. д.). Вода связывается капиллярными силами или же в виде гидратационной воды. Соответственно водный потенциал (отрицательный) складывается из осмотической компоненты, осмотического потенциала Ч/я, и структурной компоненты, потенциала матрикса Ч/т: ' ^Ч'я +44 (все компоненты отрицательны).

Часто *Рт мало н им можно пренебречь. Осмотический потенциал можно* вычислить из концентрации с раствора. Для разбавленных растворов неэлектролитов имеем

Ч,п = с-Й-Г, или ЧГя = — с-22,7 (при 0°С)

(Ч'яв барах, с в моль/л; Т — абсолютная температура, R — газовая постоянна» (0,083 Л'бар-К-1,моль-1). В случае электролитов число частиц из-за диссоциации больше и поэтому Ч*я ниже, т. е. более отрицательно.

Осмотическое поглощение воды ведет к увеличению объема клетки. Эритроциты в чистой воде разбухают до тех пор, пока не лопаются.

В зрелых растительных клетках главным «осмотическим пространством» является центральная вакуоль с ее высококонцентрированным клеточным соком (рис. 4.3,Л). Плазматическую мембрану и тонопласт упрощенно можно рассматривать как единую полупроницаемую мембрану; величиной Ч'я можно пренебречь. Благодаря прочной и эластичной стенке клетка лишь ненамного увеличивается в размерах, и осмотическое поглощение воды ведет к созданию высокого гидростатического давления в вакуоли — тургорного давления, или потенциала давления Ч/р; это давление противодействует поглощению воды, повышает водный потенциал и является положительной компонентой Ч/р. Отсюда получается уравнение водного потенциала:

? = Ч'я-г-Тх + Ч'р

(рис. 4.3,5). Это уравнение применимо для любой системы, содержащей воду,— для воздуха, почвы, клетки, протоплазмы и т. д. Величина Ч/— это отрицательное давление, под которым вода проникает в систему из окружающей среды, состоящей

10—207

из чистой воды (Ч^О). Из какой-либо системы (например, клетки) с Ч/=— 20 бар в другую систему (например, соседнюю клетку) с Чг=— 30 бар вода будет проникать под давлением 10 бар.

В гипертоническом растворе (^„.„р, < вода под действием осмотических сил выходит из клетки. Эритроциты в таком растворе сморщиваются. В растительной клетке прн этих условиях вакуоль уменьшается и протоплазма отстает от клеточной стенкн (явление плазмолиза, рис. 4.3, В).

4.2.2. ТРАНСПОРТ С ПЕРЕНОСЧИКОМ

4.2.2.1, Переносчик. Плазматическая мембрана содержит транспортные белки, которые в качестве переносчиков связывают субстраты и транспортируют их через мембрану. Протомеры этих олигомерных белков (2.2.3.2.3) образуют закрывающийся гидрофильный канал (пору с «клапаном», рис. 4.4, А и 5). При изменении конформации участок, связывающий субстрат, перемещается с одной стороны мембраны на другую и таким образом переносит субстрат; при этом может изменяться сродство связывающего участка к субстрату (рис. 4.4). Существуют различные переносчики с разным механизмом действия и разной субстратной специфичностью.

4.2.2.2. Катализируемый перенос (облегченная диффузия) — это пассивный транспорт с переносчиком по градиенту электрохимического потенциала. Связывание субстрата ведет к изменению конформации переносчика (рис. 4.4,А). Таким образом сахара, аминокислоты и другие вещества проходят через мембрану, обычно мало проницаемую для них. Это главный механизм избирательной проницаемости мембран (4.2).

4.2.2.3. Сопряженный транспорт — это особый случай катализируемого переноса. Некоторые переносчики транспортируют два разных субстрдта вместе либо в одном направлении (параллельный транспорт, например перенос протонов и лактозы у Escherichia coll), либо в противоположных направлениях [(анти148 Глава 4

Обмен веществ и энергии в клетке 149

параллельный транспорт), в частности перенос Н+ и Na+ через мембраны митохондрий (рис. 4.4,Л)]. Субстрате более крутым концентрационным градиентом перемещается по этому градиенту, а другой субстрат транспортируется вместе с ним, независимо от направления его собственного градиента, и находится в энергетической зависимости от градиента концентрации первого.

4.4.2.4. Активный транспорт осуществляется против градиента химического или электрохимического потенциала. Транспортные АТРазы — это высокомолекулярные транспортные белки (липо-протеиды, мол. масса 200000—700 000), способные расщеплять АТР с освобождением энергии. Расщепление АТР ведет к изменению конформации транспортной АТРазы, которое часто бывает связано с ее временным фосфорилированием. Этот процесс служит «двигателем» активного транспорта (рис. 4.4,Б).

Таким способом через мембрану переносятся протоны (протонный насос) или неорганические ионы (ионный насос). Примеры:- секреция НО в желудке млекопитающих, поглощение ионов клетками корней у растений, широко распространенный Na+/K+-Hacoc, который перекачивает калий в клетку, а натрий—из нее.

В мембранах, содержащих цепь транспорта электронов (например, в плазматической мембране бактерий), эта цепь может вместо АТР служить прямым источником энергии для активного транспорта (см. рис. 4.9, Б).

С помощью протонных и ионных насосов создаются неравновесные состояния — электрохимические потенциалы. Они часто используются для того, чтобы осуществлять параллельный (или антипараллельный) транспорт и переносить различные субстраты против их концентрационных градиентов (например, транспортировать в одном направлении Na+ и сахар в животных клетках, Н+ и сахар в растительных клетках (рис. 4.4, Г).

4.3. ДИССИМИЛЯЦИЯ КАК ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

Диссимиляция представляет собой расщепление органических субстратов с использованием их химической энергии (4.0).

4.3.1. ОБЗОР ПРОЦЕССОВ ДИССИМИЛЯЦИИ

При дыхании субстрат без остатка расщепляется до бедных энергией неорганических веществ с соответственно высоким выходом энергии. При брожении субстрат разрушается неполностью — до органического конечного продукта, еще богатого энергией, и выход энергии здесь соответственно невелик.

Дыхание — аэробный окислительный процесс, для него необходим кислород. Большинство видов брожения — анаэробные процессы. Высшие животные и растения дышат. Брожение свойственно главным образом микроорганизмам (бактерии, дрожжи), но при недостатке кислорода может встречаться также в клетках высших растений и животных.

4.3.1.1. Субстраты дыхания и брожения. Важнейшими субстратами для дыхания и большинства брожений служат углеводы.

Кроме того, при дыхании могут использоваться жиры и белки.

У большинства гетеротрофных клеток тип субстрата зависит от

имеющихся питательных, веществ.

Субстратами для брожения могут также быть спирты, органические кислоты и другие вещества. Из-за малого выхода энергии (см. выше) клетки, осуществляющие брожение, должны расходовать большие количества субстрата, чем дышащие клетки.

4.3.1.2. Суммарные уравнения. Дыхание складывается из двух

частичных процессов:

1) постепенного расщепления субстрата с отнятием водорода, который связывается с коферментами (символ [Н2]), и

2) постепенного окисления [Н2] в результате переноса его на кислород.

Для углеводов:

Расщеплеине субстрата: CeHlsOe -f 6Н20 >- 6С02 + 12[Н2]

Окисление водорода: 12 [На] + 60а . >- 12НаО

С6Н12Ов + 6Н20 + 602 ? 6СОа + ]2Hft

AG0' -=—2875 кДж/моль.

Аналогичное уравнение имеем для аэробного уксуснокислого брожения (субстрат — этиловый спирт; сбраживание до уксусной кислоты, например вина в уксус):

СН3СН20Н + На0 у СН3СООН + 2[Н2]

21Нг)+Ог ?>