Одна из главных функций мембран – участие в переносе веществ. Этот процесс обеспечивается при помощи трёх основных механизмов:

• простой диффузией,
• облегчённой диффузией,
• активным транспортом.

Рассмотрим важнейшие особенности этих механизмов и примеры транспортируемых веществ в каждом случае.

Механизмы транспорта молекул через мембрану

Простая диффузия - перенос веществ через мембрану без участия специальных механизмов. Транспорт происходит по градиенту концентрации без затраты энергии. Путём простой диффузии транспортируются малые биомолекулы – Н₂О, СО₂, О₂, мочевина, гидрофобные низкомолекулярные вещества. Скорость простой диффузии пропорциональна градиенту концентрации.

Облегчённая диффузия - перенос веществ через мембрану при помощи белковых каналов или специальных белков-переносчиков. Осуществляется по градиенту концентрации без затраты энергии. Транспортируются моносахариды, аминокислоты, нуклеотиды, глицерол, некоторые ионы. Характерна кинетика насыщения – при определённой (насыщающей) концентрации переносимого вещества в переносе принимают участие все молекулы переносчика и скорость транспорта достигает предельной величины.

Активный транспорт – также требует участия специальных белков-переносчиков, но перенос происходит против градиента концентрации и поэтому требует затраты энергии. При помощи этого механизма через клеточную мембрану транспортируются ионы Na⁺ , K⁺, Ca²⁺ , Mg²⁺, через митохондриальную – протоны. Для активного транспорта веществ характерна кинетика насыщения.

Примером транспортной системы, осуществляющей активный транспорт ионов, является Na⁺,K⁺-аденозинтрифосфатаза (Na⁺,K⁺-АТФаза или Na⁺,K⁺-насос). Этот белок находится в толще плазматической мембраны и способен катализировать реакцию гидролиза АТФ. Энергия, выделяемая при гидролизе 1 молекулы АТФ, используется для переноса 3 ионов Na⁺ из клетки во внеклеточное пространство и 2 ионов К⁺ в обратном направлении. В результате действия Na⁺,K⁺-АТФазы создаётся разность концентраций между цитозолем клетки и внеклеточной жидкостью. Поскольку перенос ионов неэквивалентен, то возникает разность электрических потенциалов. Таким образом, возникает электрохимический потенциал, который складывается из энергии разности электрических потенциалов Δφ и энергии разности концентраций веществ ΔС по обе стороны мембраны.

Схема Na⁺, K⁺-насоса.