Раздел 2. Физиология цитоплазматических мембран

Важную роль в функционировании клеток играют цитоплазматические мембраны.

Строение мембраны.

Основу мембраны составляет липидный бислой (двойной слой амфифильных липидов), которые имеют гидрофильную «головку» и два гидрофобных «хвоста».

В билипидном слое липидные молекулы пространственно ориентированы. Они обращены друг к другу гидрофильными «хвостами», а головки их обращены к наружной и внутренней стороне мембраны.

Липиды мембраны: фосфолипиды, сфинголипиды, гликолипиды, холестерин.

В состав мембраны входят белки. Их расположение в мембране может быть различным.

По расположению в мембране выделяют:

- периферические белки – они располагаются на наружной или внутренней поверхности билипидного слоя. Периферические белки выступают в роли мембранных рецепторов;

- интегральные белки - частично погружены в липидный слой, выступают в роли трансмембранных переносчиков;

- трансмембранные белки - пронизывают всю толщу мембраны, при чем некоторые белки проходят через мембрану один раз, а другие – многократно.

В состав мембраны входят углеводыв виде гликолипидов и гликопротеидов. Они формируют олигосахаридные цепи, которые располагаются на наружной поверхности мембраны.

Функции цитоплазматических мембран.

Цитоплазматические мембраны:

- отграничивают клетку от окружающей среды;

- осуществляют регуляцию обмена веществ между клеткой и микроокружением (трансмембранный обмен);

- производят распознавание и рецепцию раздражителей;

- принимают участие в образовании межклеточных контактов;

- обеспечивают прикрепление клеток к внеклеточному матриксу;

- формируют электрогенез (электрическую активность клетки).

Механизмы переноса веществ через мембрану
(трансмембранный транспорт).

Существует две группы механизмов транспорта веществ через мембрану:

– без специальных переносчиков – простая диффузия;

– с помощью переносчиков (транслоказ, транспортеров) – облегченная диффузия и активный транспорт.

Простая и облегченная диффузия обеспечивают перенос веществ через мембрану по градиенту концентрациии не требуют дополнительных затрат энергии.

Активный транспорт обеспечивает перенос веществ через мембрану против градиента концентрации.

По затратам энергии активный транспорт разделяется на:

- первично активный транспорт, осуществляемый за счет энергии расщепления АТФ

- вторично активный транспорт, осуществляемый за счет энергии, накапливаемой при транспорте одного вещества (чаще всего Na⁺) и расходуемой на транспорт другого вещества, транспортируемого против градиента концентрации.

Пассивный транспорт.

Осуществляется за счет 2-х процессов:

- осмос;

- диффузия.

Осмос это такой вид трансмембранного переноса, когда через мембрану движется растворитель (в организме – вода) из зоны с меньшей концентрацией веществ (низкое осмотическое давление) в зону с большей концентрацией веществ (высокое осмотическое давление).

Перемещение воды будет происходить до тех пор, пока осмотическое давление по обе стороны мембраны не уравняется. Осмос поддерживает объем и форму клетки.

Диффузия.

Осуществляется через мембраны с помощью простой диффузии и облегченной диффузии.

Простая диффузия.

Осуществляется без помощи специального переносчика непосредственно через липидный бислой в обоих направления.

Легче всего через мембрану за счет простой диффузии проходят:

- малые неполярные молекулы – O₂, стероиды, тиреодные гормоны, а так же жирные кислоты;

- малые полярные незаряженные молекулы – CO₂, NH₃, H₂O, этанол, мочевина.

Особенно активно простая диффузия осуществляется через межклеточные щели и поры (аквапорины, порины, перфорины, фенестры, кинки, коннексоны) в клеточных мембранах.

Заряженные полярные молекулы не проходят через липидный бислой за счет простой диффузии.

Облегченная диффузия.

Осуществляется за счет белковых структур, встроенных в мембраны – переносчиков (транспортеров, транслоказ), а так же за счет белков, формирующих в мембране поры и каналы.

Переносчики (транспортеры, транслоказы) транспортируют полярные молекулы по градиенту концентрации.

Существуют специальные белки-переносчики для аминокислот, углеводов, жирных кислот.В мембране имеются ионные обменники (транслоказы),которые осуществляют АТФ-независимую облегченную диффузию ионов: катионные обменники Na⁺/H⁺, K⁺/H⁺, Са²⁺/H⁺, Na⁺/^-Ca²⁺, катион-анионные обменники Na⁺/HCO^–₃, 2CI^–/Ca²⁺, анионные обменники CI^–/HCO^–₃.

Изолированный перенос одного вещества через мембрану обозначается термином унипорт.

Кроме того, может осуществляться сопряженный транспорт.

Если два вещества сопряженно перемещаются через мембрану в одном направлении, то такой перенос веществ называется симпорт.

Если два вещества сопряженно перемещаются через мембрану навстречу друг другу, то такой перенос веществ называется антипорт.

Облегченная диффузия с помощью транслоказ увеличивает скорость трансмембранного транспорта в десятки раз, по сравнению с простой диффузией.

Второй путь реализации облегченной диффузии - ионные каналы.

Ионные каналы.

Ионный канал состоит из нескольких белковых субъединиц.

Большая часть из них относятся к селективным, то есть к ионным каналам, пропускающим только один вид ионов (натриевые каналы, калиевые каналы, кальциевые каналы, анионные каналы).

Селективность канала определяется наличием избирательного фильтра. Некоторые из ионных каналов неселективные.

Сенсор ионного канала – чувствительная часть канала, которая воспринимает сигналы, природа которых может быть различна.

На этой основе выделяют:

- потенциалзависимые ионные каналы,

- рецепторуправляемые (лигандуправляемые, лигандзависимые) ионные каналы.

Ионные каналы, имеющие сенсор,называются управляемые.

У некоторых ионных каналов сенсор отсутствует. Такие каналы называют неуправляемые.

У ионного канала есть ворота, которые закрыты в состоянии покоя и открываются при воздействии сигнала.

По скорости проведения (проводимость) ионов по каналу выделяют:

- быстрые ионные каналы;

- медленные ионные каналы.

Потенциалзависимые ионные каналы. Потенциалзависимые ионные каналы изменяют свою проницаемость при изменении потенциала мембраны. При одних значениях потенциала мембраныпотенциалзависимые ионные каналы открываются, а при других - закрываются.

Ионные каналы.

Рецепторуправляемые (лигандуправляемые, лигандзависимые) ионные каналы.

Лигандуправляемые ионные каналы всегда совмещены с рецептором к биологически активному веществу (БАВ).

Взаимодействие БАВ (лиганда) с рецептором, ассоциированным с лигандуправляемым ионным каналом, вызывает активацию ионного канала.

Центр связывания в мембранном рецепторе может быть:

1. Доступен для лиганда с наружной поверхности мембраны.В этом случае в качестве лиганда выступают вещества, транспортируемые к клетке по межклеточной жидкости: гормоны и парагормоны и др.

2. Доступен для лигандов с внутренней поверхности мембраны.В этом случае в качестве лиганда выступают активированные протеинкиназы, вторые посредники, ионы кальция.

Активный транспорт.

Активный транспорт обеспечивает перенос веществ через мембрану против градиента концентрации.

По затратам энергии он разделяется на:

- первично активный транспорт, осуществляемый за счет энергии расщепления АТФ;

- вторично активный транспорт, осуществляемый за счет энергии, накапливаемой при транспорте одного вещества (чаще всего Na⁺) и расходуемой на транспорт другого вещества против градиента концентрации.

Первично-активный транспорт.

Первично-активный транспорт осуществляют ионные насосы (помпы).

Натрий, калиевый насос.

Натрий, калиевый насос:

- поддерживает высокий уровень К⁺ и низкий уровень Na⁺ в клетке;

- участвует в формировании мембранного потенциала покоя, в генерации потенциала действия;

- обеспечивает Na⁺сопряженный транспорт большинства органических веществ через мембрану;

- существенно влияет на гомеостаз H₂O.

За счет натрий, калиевого насоса при гидролизе 1 молекулы АТФ, происходит антипорт: перенос через мембрану 3 ионов натрия из клетки и 2 ионов калия в клетку.

Ca²⁺-насос.

В покое концентрация кальция составляет в цитоплазме клетки 10^-7 моль/л, а вне клетки –значительно больше10^-3 моль/л.

Такая значительная разница концентраций поддерживается за счет работы Ca²⁺-насосов цитоплазматической мембраны и мембраны эндоплазматического ретикулума.

При активации Ca²⁺-насосы цитоплазматической мембраны выкачивают избыток кальция из клетки, а Ca²⁺-насосымембраны эндоплазматического ретикулумавыкачивают избыток кальция из цитозоля в цистерны эндоплазматического ретикулума, в«депо» кальция в клетке.

Другие ионные насосы будут рассмотрены в нескольких разделах частной физиологии.

Вторично активный транспорт.

Вторично активный транспорт является сопряженным и обеспечивается АТФ зависимыми симпортом и антипортом.

В большинстве случаев к переносчику присоединяется натрий (иногда анион CI или HCO₃), который транспортируется по градиенту концентрации и второе вещество, которое транспортируется против градиента концентрации.

По механизму АТФ зависимого симпорта из внеклеточного пространства в клетку транспортируются глюкоза, многие аминокислоты.

Такой вид транспорта через мембрану называется Na⁺ зависимый транспорт.

По механизму АТФ зависимого антипорта, происходит обмен ионов (Na⁺ Ca⁺⁺ обменник, в котором один ион кальция обменивается на два иона натрия).

Эндоцитоз и экзоцитоз, как формы транспорта крупных молекул (высокомолекулярных соединений) через мембрану.

Эндоцитозэто поглощение (интернализация) клеткой веществ, частиц, микроорганизмов.Варианты эндоцитоза: пиноцитоз, эндоцитоз, опосредуемый рецепторами, фагоцитоз.

Пиноцитоз –процесс поглощения клеткой H₂O и растворенных в ней веществ с образованием небольших пузырьков (везикул).Везикулы формируются в специализированных областях мембраны– в окаймленных ямках.

Эндоцитоз, опосредуемый рецепторами, –связывание макромолекул на специфических рецепторах клеточной мембраны с последующим образованием шероховатых везикул.

Осуществляется при транспорте высокомолекулярных веществ, обладающих биологической активностью и имеющих высокое сродство к рецепторамв области окаймленной ямки мембраны.

Фагоцитоз –поглощение клетками крупных частиц, остатков клеток, микроорганизмов.Осуществляетсяфагоцитами.В ходе фагоцитоза образуютсяфагосомы –большие эндоцитозные пузырьки, которые сливаются с лизосомами, образуяфаголизосомы,в которых происходит гидролиз поглощенного.

Экзоцитоз – выделение веществ из клетки. Обеспечивает перенос из клетки высокомолекулярных соединений. Виды экзоцитоза: секреция, экскреция, рекреция.

Секреция –выделение из клеткирастворимых соединений,при чем такое выделение веществ является одной из специфических функций данной клетки.

Выделяют:

- гранулокринную секрецию. Типичные примеры – секреция гормонов, медиаторов;

- выделение части цитоплазмы, содержащихся в ней веществ путем краевого отделения части клетки - отпочковывание.

Экскреция обеспечивает выделение из клетки твердых частиц. Ненужная для организма частица находится в цитоплазматическом пузырьке,который, сливаясь с мембраной,обеспечивает переход частицы через мембрану во внеклеточное пространство.

Рецепторы.

Классификация мембранных рецепторов.

По локализации мембранные рецепторы делятся на:

- цитоплазматические рецепторы;

- ядерные рецепторы.

По механизму развития событий рецепторы делятся на:

- ионотропные;

- метаботропные.

Ионотропные рецепторы относят к быстро отвечающим рецепторам. Ответ возникает в течение миллисекунд.

Ионотропные рецепторы относятся к интегральным белкам, рецепторы содержат субъединицу, имеющую сенсор для сигнала.

Сенсоры у ионотропных рецепторов делятся на:

- потенциалзависимые сенсоры;

- механозависимые сенсоры;

- сенсоры для вне клеточных и внутриклеточных лигандов.

Ионотропные рецепторы либо ассоциированы с ионными каналами, либо, воспринимая действие раздражителя, сами конформируются в ионный канал.

Воздействие раздражителей на сенсоры ионотропных рецепторовсопровождается изменением проницаемости ассоциированных ионных каналов, и, как следствие, изменением биоэлектрической активности клеток.

Метаботропные рецепторы – медленно отвечающие рецепторы.

Метаботропные рецепторы делятся на 2 большие группы:

- метаботропные рецепторы, не связанные непосредственно с мембранными каналами.

Воздействие на эти рецепторы активирует один из внутриклеточных каскадных путей реализации сигнала (аденилатциклазный, гуанилатциклазный, фосфолипазный и др).
На последнем этапе внутриклеточного проведения сигнала происходит активация различных групп белков, что позволяет клетки реализовать свои функции.

- метаботропные рецепторы, связанные с ионными каналами.
К ним относятся такие метаботропные рецепторы, действие на которые вызывает активацию одного из путей внутриклеточной передачи сигнала (аденилатциклазный, гуанилатциклазный, фосфолипазный).

Активные элементы этих путей внутриклеточной передачи сигнала (вторые посредники, протеинкиназы) способны изменять состояние определенных ионных каналов и тем самым влиять на биоэлектрическую активность клеток, а значит и их функциональное состояние.