Трансмембранный перенос ионов и низкомолекулярных соединений.

Плазмалемма, как и другие липопротеидные мембраны клетки, является полупроницаемой (избирательная проницаемость): через неё с различной скоростью проходят разные молекулы и чем больше размер молекулы, тем меньше скорость прохождения её через мембрану. => мембрана как осмотический барьер.

Максимальной проникающей способностью обладает вода и растворённые в ней газы. Значительно медленнее (примерно в 10⁴ раз) проникают сквозь мембрану ионы. Поэтому, если клетку (к примеру, эритроцит) поместить в гипотонический раствор, вода устремится внутрь клетки, что приведёт к увеличению объёма клетки и к разрыву плазмалеммы ("гипотонический шок"). И наоборот, если клетку поместить в гипертонический раствор, вода выйдет из клетки, и та сморщится, уменьшится в объёме. В клеточной мембране, в её липопротеидном слое существуют специальные "поры" для проникновения воды и ионов.

Транспорт ионов через плазмалемму происходит благодаря мембранным транспортым белкам - пермеазам. Пермеазы могут транспортировать в одном направлении одно вещество (унипорт), несколько веществ одновременно (симпорт) или вместе с импортом одного вещества выводить из клетки другое (антипорт). К примеру, глюкоза может входить в клетку симпортно вместе с ионом Na ⁺ .

Транспорт ионов по градиенту концентрации  - пассивно без дополнительной затраты энергии. К примеру, в клетку проникает ион Na ⁺ из внешней среды, где его концентрация выше, чем в цитоплазме. В случае пассивного транспорта транспортные белки образуют молекулярные комплексы - каналы: растворённые молекулы проходят через мембрану за счёт просто диффузии по градиенту концентрации. Часть каналов открыта постоянно, а другая может закрываться из-за связывания с сигнальными молекулами или изменения внутриклеточной концентрации ионов. В других случаях мембранные белки-переносчики избирательно связываются с ионом и переносят его через мембрану (облегчённая диффузия). Белки-переносчики способны к симпортному транспорту, к примеру, переносить а/к и ионы одновременно.

Концентрация ионов в цитоплазме отличается от концентрации ионов во внешней среде и даже в плазме крови, омывающей клетки в организме животных.

Как видно из таблицы, суммарная концентрация катионов как внутри клеток, так и снаружи практически одинаковы (150 мМ), т.е. изотонична. Но в цитоплазме концентрация К⁺ почти в 50 раз выше, чем в плазме крови, а Na ⁺ - ниже. Это различие поддерживается только в живой клетке: если клетку убить или подавить в ней метаболические процессы, через некоторое время ионные различия по обе стороны от мембраны исчезнут. Можно охладить клетки до двух градусов по Цельсию, и через некоторое время концентрация K ⁺ и Na ⁺ по обе стороны станут одинаковы, пока клетку не нагреют. Белки-переносчики, работающие против градиента концентрации, затрачивают энергию за счёт гидролиза АТФ - активный транспорт, осуществляемый при помощи белковых ионных насосов. Двухсубъединичная молекула ( K ⁺ + Na ⁺ )-насос одновременно является АТФазой. Этот насос при работе откачивает из клетки 3 иона Na ⁺ , а закачивает 2 иона K ⁺ против градиента концентрации. При этом затрачивается одна молекула АТФ, идущая на фосфорилирование АТФазы. Так же происходит регуляция концентрации катионов Mg ²⁺ и Ca ²⁺ .

Постоянная работа пермеаз и насосов обеспечивает гомеостаз - постоянство концентраций осмотически активных веществ. Примерно 80% всей АТФ клетки идёт на поддержание гомеостаза.

Так, активный транспорт глюкозы, связанный с пассивным транспортом в клетку Na ⁺ , зависит от активности калиево-натриевого насоса. Если насос блокировать, разность концентраций ионов Na ⁺ по обе стороны исчезнет, сократится их диффузия внутрь клетки. При возобновлении работы насоса возникнет разница концентраций, ионы Na ⁺ продолжать транспортироваться внутрь клетки, а вместе с ними и глюкоза. По этому же принципу происходит симпортный транспорт аминокислот и ионов белками-переносчиками.

При транспорте белки "узнают" ионы, специфически связываются с ними, меняя свою конформацию (пространственное расположение атомов в молекуле), и функционируют, т.е. выступают как анализаторы, рецепторы.