Механизмы всасывания (способы проникновения веществ через биологические мембраны)

Попробуйте представить нашу кожу в виде сетки для волейбола, а молекулы косметического средства – в виде волейбольного мяча. Как вы думаете, сможет ли крем, как заявляет реклама, проникнуть сквозь мелкую сетку и произвести обещанный чудный эффект? Какие современные методы и технологии способны доставить комплекс чудесных компонентов к глубоким слоям кожи, минуя эпидермальный барьер? Стоит ли тратиться на дорогую элитную косметику или все обещания – не более чем мошенническая уловка? И насколько глубоко обычный крем может проникнуть в кожу?

Чтобы понять, работают ли косметические средства и их ингредиенты, нужно вспомнить основы. А именно – как устроена кожа, из каких слоев она состоит, каковы особенности ее клеток.

Как устроена наша кожа?

Кожа – самый большой орган тела человека. Состоит из трех слоев:

Эпидермис (0,1-2,0 мм).

Дерма (0,5-5,0 мм).

Гиподерма или подкожно-жировая клетчатка (2,0-100 мм и более).

Первый слой кожи – эпидермис, его мы обычно и называем кожей. Этот слой самый интересный для косметологов. Именно здесь работают компоненты кремов. Дальше проникают только препараты, которые вводятся в виде инъекций.

Эпидермис и эпидермальный барьер: преграда на пути полезных веществ или надежный союзник?

Эпидермис, в свою очередь, состоит из 5 слоев – базального, шипового, зернистого, рогового. Роговой слой выложен 15-20 рядами корнеоцитов – мертвых роговых клеток, в которых не более 10% воды, нет ядра, а весь объем заполняет прочный белок кератин.

Корнеоциты крепко, как верные друзья, держатся друг за друга с помощью белковых перемычек, а липидная прослойка скрепляет эти клетки крепче, чем цемент – кирпичи в кладке.

Корнеоциты образуют эпидермальный барьер, который, как панцирь черепахи, защищает кожу от внешних воздействий – и полезных, и вредных. Однако лазейка есть! Чтобы проникнуть внутрь, к живым клеткам эпидермиса и дермы, вещества косметики должны двигаться вдоль жировой прослойки! Которая, напомним, состоит из жиров и проницаема только для жиров и веществ, в этих жирах растворимых.

Барьер рогового слоя непроницаем (точнее слабопроницаем) для воды и водорастворимых веществ. Вода не может проникнуть извне, но и выйти наружу тоже неспособна. Так наша кожа предотвращает обезвоживание.

Это еще не все!

Кроме того, что вещества должны растворяться в жире, их молекулы должны быть маленькими. Клетки-корнеоциты располагаются на расстоянии, измеряемом в миллионных долях миллиметра. Просочиться между ними сможет только крохотная молекула.

Получается, что хорошее, работающее косметическое средство – то, в котором полезные компоненты а) жирорастворимые; б) могут преодолеть (но не разрушить!) эпидермальный барьер

Было бы замечательно, если бы в тюбики и баночки фасовали жирорастворимые вещества и микромолекулы!

Имеет ли смысл тратиться на омолаживающий или увлажняющий крем с ценным коллагеном?

Для начала уточним, где вырабатывается коллаген и эластин и зачем они нужны коже.

В нижнем слое эпидермиса – базальном, граничащем с дермой, – рождаются новые клетки эпидермиса. Они отправляются вверх, по пути постепенно стареют, становятся жестче. Когда они достигнут поверхности, связи между ними ослабеют, клетки-старушки начнут слущиваться. Так наша кожа обновляется.

Если деление клеток замедлится или они не отшелушатся вовремя (это называется гиперкератоз), кожа потускнеет, утратит красоту. В первом случае помогут ретиноиды – производные витамина А (они ускорят механизм регенерации). Во втором – отшелушивающие препараты (пилинги).

Вернемся к эластину и коллагену и узнаем, чем же они полезны

Нам говорят, что коллаген и эластин помогают коже оставаться упругой и молодой, без морщин. Что имеется в виду?

Коллаген и эластин – два основных белка дермы, состоящие из аминокислот и скрученные в нити. Коллагеновые волокна имеют форму спиралей (пружин) и образуют подобие каркаса, который делает кожу прочной. А тонкие эластиновые волокна помогает ей растягиваться и снова возвращаться в исходное состояние.

Чем качественнее коллагеновые и эластиновые волокна, тем эластичнее кожа.

Коллагеновые волокна необходимы для нормальной регенерации, т.к. помогают новым клеткам быстрее подняться из базального к поверхностным слоям кожи. Другая функция коллагена – впитывать и удерживать влагу в клетках. Одна молекула коллагена способна удержать воду в объеме, в 30 раз превышающий размер самой молекулы!

Если пружины коллагена ослабеют и не смогут удерживать влагу, кожа обвиснет или растянется под действием силы тяжести. Брыли, носогубные складки, морщины и сухость – это внешние проявления негативных внутренних изменений.

Кроме коллагеновых и эластиновых волокон, в дерме находятся клетки-фибробласты и вещества гликозаминогликаны. Что они делают?

Знакомый нам всем гликозаминогликан – гиалуроновая кислота, заполняющая межклеточные промежутки и образующая сеть, в которой удерживается влага – получается гель. Пружинки коллагена и эластина словно плавают в бассейне, заполненном гелеобразной гиалуроновой кислотой.

Итак, коллагеновые и эластиновые волокна образуют прочный упругий каркас, водный гель гиалуроновой кислоты отвечает за наполненность кожи.

А что делают фибробласты?

Фибробласты относятся к основным клеткам дермы и содержатся в межклеточном веществе, между коллагеновыми и эластиновыми волокнами. Именно эти клетки вырабатывают коллаген, эластин и гиалуроновую кислоту, разрушая и синтезируя их снова и снова.

Чем человек старше, тем пассивнее ведут себя фибробласты – и, соответственно, тем медленнее обновляются молекулы коллагена и эластина. Точнее, замедляется только синтез новых молекул, зато процессы разрушения идут прежним темпом. В дерме появляется склад поврежденных волокон; кожа утрачивает эластичность и становится суше.

Фибробласты – фабрика коллагена и эластина. Когда «фабрика» работает плохо, кожа начинает стареть.

Можно ли ускорить синтез или восполнить нехватку белков коллагена и эластина?

Вот задача, которую косметологи пытаются решить не первый год! Сейчас пользуются несколькими способами:

Самое дорогое и одновременно самое эффективное решение – инъекционные процедуры . В салоне вам предложат мезотерапию – введение под кожу коктейлей с гиалуроновой кислотой и коллагеном.
Хорошие результаты дает RF-лифтинг (Термолифтинг) – горячая мера, основанная на прогревании кожи радиочастотным излучением (Radio Frequency) на глубину до 2-4 мм. Прогревание стимулирует активность фибробластов, коллагеновый каркас становится прочнее, кожа разглаживается и омолаживается.
Метод попроще и подешевле – применение кремов с коллагеном, эластином и гиалуроновой кислотой.

Нет ли здесь противоречия?

Как и какие активные вещества, способные вызвать регенеративные процессы в коже, проникнут в глубокие слои?

Как вы помните, на пути любой косметики, с коллагеном, эластином или «гиалуронкой», стоит эпидермальный барьер. Также вы помните, что миновать барьер могут жирорастворимые вещества и в незначительном количестве – водорастворимые, но только с самой маленькой молекулой.

Начнем с вкусного – коллагена и эластина

Коллаген и эластин – протеины, они не растворяются ни в воде, ни в жире. К тому же их молекулы настолько велики, что они не могут протиснуться между кератиновыми чешуйками! Вывод – косметический коллаген (и эластин тоже) абсолютно никуда не проникают, остаются на поверхности кожи, образуя воздухопроницаемую пленку.

Продвинутые пользователи косметики наверняка слышали про гидролизованный коллаген и гидролизованный эластин. Эту форму легко опознать по слову hydrolyzed в составе косметического средства. Для получения гидролизата коллагена используют ферменты (энзимы), для гидролизат эластина – щелочи. Плюс дополнительные факторы – высокая температура и давление.

В таких условиях прочный белок распадается на составляющие – аминокислоты и пептиды, которые – и это правда! – просачиваются внутрь кожи. Однако не все так гладко с отдельными аминокислотами, ведь они:

не являются полноценным протеином;
не обладают свойствами исходного вещества;
не способны заставить фибробласты синтезировать собственный коллаген (или эластин).

Таким образом, даже протиснувшись внутрь кожи, «неродные» протеины не будут вести себя, как свои, «родные». То есть попросту бесполезны в борьбе со старением кожи и морщинами. Чем крем с коллагеном точно полезен, так это способностью восстановить нарушенный эпидермальный барьер и разгладить поверхностные морщинки.

Все остальные обещания – жульничество, маркетинговая уловка стоимостью в ползарплаты.

А зачем нужна гиалуроновая кислота в кремах?

Гиалуроновая кислота растворима в воде, поэтому она дружит с остальными ингредиентами косметических средств. Бывает двух видов – высоко- и низкомолекулярная.

Высокомолекулярная гиалуроновая кислота – сложная по составу, с огромной молекулой. В косметику добавляют «гиалуронку» животного происхождения. Размер молекулы позволяет ей притягивать влагу в большом количестве (супер-увлажнитель!), но мешает самостоятельно проникать внутрь кожи.

Чтобы доставить высокомолекулярную кислоту, используют инъекции . Это те самые филеры, которыми косметологи заполняют морщины.

Низкомолекулярная кислота – модифицированная. Ее молекулы невелики, поэтому она не лежит на поверхности эпидермиса, а проваливается дальше и работает в глубине.

Для модификации «гиалуронки»:

разбивают ее молекулы гидролизом на фракции;
синтезируют в лабораториях.

Этим продуктом обогащают кремы, сыворотки, маски.

Еще один продукт – гиалуронат натрия. Для его получения молекулы исходного вещества очищают, удаляя жиры, протеины и некоторые кислоты. На выходе получают вещество с крохотной молекулой.

Низкомолекулярная гиалуроновая кислота может самостоятельно добраться туда, куда нужно. Высокомолекулярную приходится применять наружно либо вводить в виде инъекций.

Хитрые производители стараются не использовать баснословно дорогую низкомолекулярную «гиалуронку». Да и с высокомолекулярной они жадничают, добавляя порой 0,01% – ровно столько, чтобы можно было упомянуть вещество на этикетке.

Неинвазивные способы введения активных веществ в кожу

Итак, мы приближаемся к финалу и уже выяснили, что крем будет работать только на поверхности кожи, не проникая даже вглубь эпидермиса. К дерме дойдут активные вещества либо с микромолекулой, либо в виде внутрикожных (интрадермальных) инъекций.

Альтернатива – безынъекционные аппаратные и лазерные методы, которые позволяют обойтись без иголок и при этом «вбить» гиалуроновую кислоту в глубокие слои кожи.

Пример – лазерная биоревитализация . В основе технологии лежит обработка высокомолекулярной кислоты, нанесенной на кожу, и превращение ее из полимера длиной в тысячи звеньев в короткие цепочки длиной до 10 звеньев. В таком виде «разрушенная» кислота проникает вглубь эпидермиса, а по мере продвижения к дерме цепочки «сшиваются» лазером.

Преимущества лазерной биоревитализации – неинвазивность, комфорт для пациента, отсутствие побочных реакций и реабилитационного периода. Недостаток – низкая эффективность (не более 10%). Поэтому для достижения желаемого результата оба метода – инъекционную и лазерную биоревитализацию – нужно комбинировать.

Инъекционные методы – самые разумные. Это гарантия, что вещество отправилось по адресу (в дерму) и будет работать.

1. Чем различаются оболочки животной и растительной клеток?

Растительная клетка кроме клеточной мембраны покрыта еще клеточной стенкой из клетчатки, что придает ей прочность.

2. Чем покрыта клетка гриба?

Клетки грибов кроме клеточной мембраны покрыты твёрдой оболочкой - клеточной стенкой, которая состоит из полисахаридов на 80-90% (у большинства это хитин).

Вопросы

1. Каковы функции наружной мембраны клетки?

Клеточная мембрана отделяет внутреннее содержание клетки от внешней среды. Она защищает цитоплазму и ядро от повреждений, обеспечивает связь клеток между собой, избирательно пропускает внутрь клетки необходимые вещества и выводит из клетки продукты обмена.

2. Какими способами различные вещества могут проникать внутрь клетки?

Специальные белки образуют тончайшие каналы, по которым внутрь клетки или из неё могут проходить ионы калия, натрия, кальция и некоторые другие ионы, имеющие маленький диаметр. Однако более крупные частицы через мембранные каналы пройти не могут. Молекулы пищевых веществ - белки, углеводы, липиды - попадают в клетку при помощи фагоцитоза или пиноцитоза.

3. Чем пиноцитоз отличается от фагоцитоза?

Пиноцитоз отличается от фагоцитоза лишь тем, что в этом случае впячивание наружной мембраны захватывает не твёрдые частицы, а капельки жидкости с растворёнными в ней веществами.

4. Почему у растительных клеток нет фагоцитоза?

Так как клетки растений поверх наружной клеточной мембраны покрыты плотным слоем клетчатки, они не могут захватывать вещества при помощи фагоцитоза.

Задания

1. Составьте план параграфа.

1. Общее представление о строении клетки.

2. Функции клеточной мембраны.

3. Строение клеточной мембраны.

4. Способы транспортировки веществ через клеточную мембрану.

2. Проанализировав текст параграфа и рисунки 22 и 23, установите взаимосвязь между строением и функциями клеточной мембраны.

Основу плазмалеммы составляет слой липидов, имеющий два ряда молекул. Динамические свойства мембраны обусловлены подвижностью ее молекулярной организации. Белки и липиды взаимосвязаны в мембране непостоянно и образуют подвижную, гибкую, временно связанную в единое целое структуру, способную к структурным перестройкам. При этом легко изменяются, например, взаиморасположение компонентов мембраны. Благодаря этому мембраны могут изменять свою конфигурацию, т. е. обладают текучестью. Это обеспечивает возможность фаго- и пиноцитоза.

Липиды нерастворимы в воде, поэтому в клетке они создают барьер, препятствующий движению воды и водорастворимых веществ из одного компартмента в другой.

Молекулы белка, однако, делают мембрану проницаемой для разных веществ с помощью специализированных структур, называемых порами.

Вопрос 1. Каковы функции наружной мембраны клетки?

Наружная клеточная мембрана состоит из двойного липидного слоя и молекул белков, часть которых расположена на поверхности, а некоторые пронизывают оба слоя липидов насквозь.

Наружная клеточная мембрана выполняет защитную функцию, отделяя клетку от внешней среды, препятствует повреждению ее содержимого.

Кроме того, наружная клеточная мембрана обеспечивает транспорт веществ внутрь клетки и из нее, позволяет клеткам взаимодействовать между собой.

Вопрос 2. Какими способами различные вещества могут проникать внутрь клетки?

Сквозь наружную клеточную мембрану вещества могут проникать несколькими способами.

Во-первых, через тончайшие каналы, образованные молекулами белков, могут проходить внутрь клетки ионы веществ, имеющие небольшие размеры, например ионы натрия, калия, кальция.

Во-вторых, в клетку могут попасть вещества путем фагоцитоза или пиноцитоза. Таким путем обычно проникают пищевые частицы.

Вопрос 3. Чем пиноцитоз отличается от фагоцитоза?

При пиноцитозе выпячивание наружной мембраны захватывает капельки жидкости, а при фагоцитозе - твердые частицы.

Вопрос 4. Почему у растительных клеток нет фагоцитоза?

При фагоцитозе в том месте, где пищевая частица прикасается к наружной мембране клетки, образуется впячивание, и частица попадает внутрь клетки, окруженная мембраной. У растительной клетки поверх клеточной мембраны имеется плотная непластичная оболочка из клетчатки, что препятствует фагоцитозу.

Как скачать бесплатное сочинение? . И ссылка на это сочинение; Общие сведения о клетках. Клеточная мембрана уже в твоих закладках.

Дополнительные сочинения по данной теме

транспортную систему

хромосомным набором

мультимедийная презентация

структурный компонент

Популярные эссе

>> Общие сведения о клетках

Общие сведения о клетках.

1. Чем различаются оболочки животной и растительной клеток?
2. Чем покрыта клетка гриба?

Клетки, несмотря на свои малые размеры, устроены очень сложно. Они содержат структуры для потребления питательных веществ и энергии, выделения ненужных продуктов обмена, размножения. Все эти стороны жизнедеятельности клетки должны быть тесно увязаны друг с другом.

Содержание урока конспект уроку и опорный каркас презентация урока акселеративные методы и интерактивные технологии закрытые упражнения (только для использования учителями) оценивание Практика задачи и упражнения,самопроверка практикумы, лабораторные, кейсы уровень сложности задач: обычный, высокий, олимпиадный домашнее задание Иллюстрации иллюстрации: видеоклипы, аудио, фотографии, графики, таблицы, комикси, мультимедиа рефераты фишки для любознательных шпаргалки юмор, притчи, приколы, присказки, кроссворды, цитаты Дополнения внешнее независимое тестирование (ВНТ) учебники основные и дополнительные тематические праздники, слоганы статьи национальные особенности словарь терминов прочие Только для учителей
Все клетки отделены от окружающей среды плазматической мембраной. Клеточные мембраны не являются непроницаемыми барьерами. Клетки способны регулировать количество и тип проходящих через мембраны веществ, а часто и направление движения.

Транспорт через мембраны жизненно важен, т.к. он обеспечивает:

соответствующее значение рН и концентрации ионов
доставку питательных веществ
выведение токсичных отходов
секрецию различных полезных веществ
создание ионных градиентов, необходимых для нервной и мышечной активности.

Регуляция обмена веществ через мембраны зависит от физических и химических свойств мембран и идущих через них ионов или молекул.
Вода - основное вещество, поступающее в клетки и выходящее из них.

Движение воды как в живых системах, так и в неживой природе подчиняется законам объёмного потока и диффузии.

Диффузия всем знакомое явление. Если несколько капель духов разбрызгать в одном углу комнаты, запах постепенно заполнит всю комнату, даже если воздух в ней неподвижен. Это происходит потому, что вещество движется из области с более высокой концентрацией в область с более низкой. Иными словами диффузия - это распространение вещества в результате движения их ионов или молекул, которые стремятся выровнять свою концентрацию в системе.

Признаки диффузии: каждая молекула движется независимо от других; эти движения хаотичны.
Диффузия - процесс медленный. Но она может быть ускорена в результате тока плазмы, метаболической активности.
Обычно вещества синтезируются в одном участке клетки, а потребляются в другом. Т. о. устанавливается концентрационный градиент, и вещества могут диффундировать по градиенту из места образования к месту потребления.
Органические молекулы, как правило, полярны. Поэтому они не могут свободно диффундировать через липидный барьер клеточных мембран. Однако двуокись углерода, кислород и другие вещества, растворимые в липидах, проходят через мембраны свободно. В обе стороны проходит вода и некоторые мелкие ионы.

Клеточная мембрана.

Клетка со всех сторон охвачена плотно прилегающей мембраной, которая приспосабливается к любому изменению её формы с кажущейся лёгкой пластичностью. Эта мембрана называется плазматической мембраной, или плазмалеммой (греч. plasma - форма; lemma - оболочка).

Общая характеристика клеточных мембран:

Разные типы мембран различаются по своей толщине, но в большинстве случаев толщина мембран составляет 5 - 10 нм; например, толщина плазматической мембраны равна 7,5 нм.
Мембраны - это липопротеиновые структуры (липид + белок). К некоторым липидным и белковым молекулам на внешних поверхностях присоединены углеводные компоненты (гликозильные группы). Обычно на долю углевода в мембране приходится от 2 до 10%.
Липиды образуют бислой. Это объясняется тем, что их молекулы имеют полярные головы и неполярные хвосты.
Мембранные белки выполняют различные функции: транспорт веществ, ферментативная активность, перенос электронов, преобразование энергии, рецепторная активность.
На поверхностях гликопротеинов находятся гликозильные группы - разветвлённые олигосахаридные цепи, напоминающие антенны. Эти гликозильные группы связаны с механизмом распознавания.
Две стороны мембраны могут отличаться одна от другой и по составу, и по свойствам.

Функции клеточных мембран:

ограничение клеточного содержимого от окружающей среды
регуляция обменных процессов на границе "клетка - окружающая среда"
передача гормональных и внешних сигналов, контролирующих рост и дифференцировку клеток
участие в процессе клеточного деления.

Эндоцитоз и экзоцитоз.

Эндоцитоз и экзоцитоз - это два активных процесса, посредством которых различные материалы транспортируются через мембрану либо в клетки (эндоцитоз), либо из клеток (экзоцитоз).
При эндоцитозе плазматическая мембрана образует впячивания или выросты, которые затем, отшнуровываясь, превращаются в пузырьки или вакуоли. Различают два типа эндоцитоза:
1. Фагоцитоз - поглощение твёрдых частиц. Специализированные клетки, осуществляющие фагоцитоз, называются фагоцитами.

2. Пиноцитоз - поглощение жидкого материала (раствор, коллоидный раствор, суспензия). Часто при этом образуются очень мелкие пузырьки (микропиноцитоз).
Экзоцитоз - процесс, обратный эндоцитозу. Таким способом выводятся гормоны, полисахариды, белки, жировые капли и другие продукты клетки. Они заключаются в пузырьки, ограниченные мембраной, и подходят к плазмалемме. Обе мембраны сливаются, и содержимое пузырька выводится в среду, окружающее клетку.

Типы проникновения веществ в клетку через мембраны.
Молекулы проходят через мембраны благодаря трём различным процессам: простой диффузии, облегчённой диффузии, активному транспорту.

Простая диффузия - пример пассивного транспорта. Его направление определяется только разностью концентраций вещества по обеим сторонам мембраны (градиентом концентрации). Путём простой диффузии в клетку проникают неполярные (гидрофобные) вещества, растворимые в липидах и мелкие незаряженные молекулы (например, вода).
Большинство веществ, необходимых клеткам, переносится через мембрану с помощью погружённых в неё транспортных белков (белков-переносчиков). Все транспортные белки, по-видимому, образуют непрерывный белковый проход через мембрану.
Различают две основные формы транспорта с помощью переносчиков: облегчённая диффузия и активный транспорт.
Облегчённая диффузия обусловлена градиентом концентрации, и молекулы движутся соответственно этому градиенту. Однако если молекула заряжена, то на её транспорт влияет как градиент концентрации, так и общий электрический градиент поперёк мембраны (мембранный потенциал).
Активный транспорт - это перенос растворённых веществ против градиента концентрации или электрохимического градиента с использованием энергии АТФ. Энергия требуется потому, что вещество должно двигаться вопреки своему естественному стремлению диффундировать в противоположном направлении.

Na-K насос.

Одной из важнейших и наиболее изученных систем активного транспорта в клетках животных является Na-K насос. Большинство клеток животных поддерживают разные градиенты концентрации ионов натрия и калия по разные стороны плазматической мембраны: внутри клетки сохраняется низкая концентрация ионов натрия и высокая концентрация ионов калия. Энергия, необходимая для работы Na-K насоса, поставляется молекулами АТФ, образующимися при дыхании. О значении этой системы для всего организма свидетельствует тот факт, что у находящегося в покое животного более трети АТФ затрачивается на обеспечение работы этого насоса.

Модель работы Na-K насоса.

А. Ион натрия в цитоплазме соединяется с молекулой транспортного белка.
Б. Реакция с участием АТФ, в результате которой фосфатная группа (Р) присоединяется к белку, а АДФ высвобождается.
В. Фосфорилирование индуцирует изменение конформации белка, что приводит к высвобождению ионов натрия за пределами клетки
Г. Ион калия во внеклеточном пространстве связывается с транспортным белком (Д), который в этой форме более приспособлен для соединения с ионами калия, чем с ионами натрия.
Е. Фосфатная группа отщепляется от белка, вызывая восстановление первоначальной формы, а ион калия высвобождается в цитоплазму. Транспортный белок теперь готов к выносу другого иона натрия из клетки.

Понравилась статья? Поделитесь ей

Распечатать статью