Структура мембраны возбудимых клеток
Решающую роль в функционировании возбудимых клеток играет плазматическая мембрана. Это эластичная структура толщиной от 7 до 11 нм. Согласно жидкостно-мозаичной модели Сингера-Николсона матрикс мембраны образуют липиды (гликолипиды, холестерол и фосфолипиды). Липиды имеют гидрофильную головку и гидрофобный хвост, поэтому в жидкой среде они располагаются в два ряда. Двухслойная пленка липидов непроницаема для большинства веществ. Главными функциональными элементами мембраны являются белки (25-75% по массе). Они пронизывают мембрану или закреплены в одном слое. Молекулы белка образуют:
- белки-каналы или белки-переносчики (осуществляют избирательную диффузию веществ через мембрану);
- белки-насосы (осуществляют активный транспорт веществ через мембрану);
- структурные белки (обеспечивают соединение клеток в ткани и органы);
- ферменты (облегчают или замедляют биохимические реакции);
- рецепторы («узнают» то или иное биологически активное вещество).
Различия состава внутриклеточной и интерстициальной жидкостей.
В организме различают несколько видов жидкостей. Внутриклеточная жидкость (ICF) отделена от внеклеточной жидкости (ECF) клеточной мембраной. ECF состоит из тканевой жидкости и плазмы крови в сосудистой системе. Интерстициальная жидкость отделяется от плазмы капиллярным эндотелием. Концепция внутренней среды в организме согласуется с понятием интерстициальной жидкости. Существует свободный обмен воды и растворенных веществ между межклеточной жидкостью и плазмой через кровеносные капилляры. С другой стороны, обмен основных веществ между тканевой жидкостью и внутриклеточной жидкостью строго регулируется и происходит через плазматическую мембрану клетки.
Трансцеллюлярная жидкость является частью ECF и включает в себя такие эпителиальные выделения, как спинномозговая и экстраокулярная жидкости.
Сложное строение мембраны обусловливает различия состава внутриклеточной и интерстициальной жидкостей. Внутриклеточная жидкость обладает высокой концентрацией [Na +], низкой концентрацией [K +] и высоким содержанием белка, в то время как обратное верно для внетриклеточной жидкости.
Механизмы мембранного транспорта
Клетки постоянно обмениваются растворенными веществами (например, питательными веществами, отходами, а также дыхательными газами) с тканевой жидкостью. Транспорт растворенных веществ через клеточные мембраны имеет основополагающее значение для выживания всех клеток, и таким образом, транспортные механизмы присутствуют во всех клетках. Специализации в механизмах мембранного транспорта часто лежат в основе функции ткани. Например, в возбудимых тканях возбудимость мембранных транспортных систем во многом составляют способность генерировать и распространять электрические сигналы.
Различия состава внутриклеточной и интерстициальной жидкостей обусловлены особым свойством мембраны – ее избирательной проницаемостью, т.е. способностью пропускать одни вещества, и не пропускать другие.
Электрохимический градиент
Перенос веществ через мембрану может происходить пассивно и активно. Активный транспорт требует затрат энергии, а пассивный осуществляется без затрат энергии. Активный транспорт всегда идет против электрохимического градиента. Пассивный транспорт растворенных веществ может происходить только по благоприятному электрохимическому градиенту. Электрохимический градиент иона - это движущая сила потока ионов, которая является комбинацией мембранного потенциала (электрический градиент) и градиента концентрации ионов (химический градиент). Электрический градиент характеризует движение только ионов и направлен в сторону их противоположного заряда. Химический градиент направлен из области высокой концентрации растворенного вещества в область низкой.
Системы транспорта растворенных веществ можно классифицировать на основе использованияклеточной энергии.
1.
1. Активный транспорт требует гидролиза аденозинтрифосфата (АТФ) (рис. 1-4).
• Первично активный транспорт идет через мембранные белки, которые как только соединяются с АТФ, гидролизуются для движения растворенного вещества. Пример Na + / K +-АТФаза (известный как "натриевый насос").
• Вторично активный транспорт соединяет транспорт двух или нескольких растворенных веществ вместе. Во вторично активном транспорте энергия используется для разработки благоприятной электрохимической движущей силы для одного растворенного вещества, которое затем используется для возможности перевозки других растворенных веществ (например, направленный внутрь Na+ градиент используется для поглощения глюкозы из кишечника). Котранспорт (симпорт) объединяет движение двух или более растворов в одном направлении. Пример Na+-переносчики включают котранспорт Na+ / глюкозы в кишечнике. Обменник (антипорт) объединяет движение двух растворенных веществ в противоположном направлении. Пример Na+-переносчики включают Na+/Ca2+ и Na+ /H+ обмен, которые являются важными для поддержания низких внутриклеточных [Ca2+] и [H+], соответственно.
Рисунок 1-4: Активный транспорт. А. Примеры первичных активных перевозчиков (АТФазы) в плазматических мембранах и органеллах. В. Примеры вторичных активных перевозчиков; котранспорт растворенных веществ в том же направлении, и обменники растворенных веществ в противоположных направлениях. АТФ - аденозинтрифосфата; AДФ аденозиндифосфата; МЛУ - множественная лекарственная устойчивость.
Пассивный транспортне требует гидролиза АТФ и не связан с переносом другого растворенного вещества.
•Дифффузия жирорастворимых веществ (например, газов) может произойтинепосредственно через плазматическую мембрану.
• Пассивный транспорт может происходить и через белки-переносчики, называемых унипорт,которые избирательно связываются одно растворенное вещество с одной стороны мембраны и претерпевают конформационные изменения, чтобы доставить его на другую сторону. Транспорт растворенных веществ через унипорт называетсяоблегченной диффузией,потому что это быстрее, чем простая диффузия.
•Транспорт ионов и небольших молекул чаще происходит через трансмембранные белки, которые служатпорамиили носителями через липидный бислой. Есть много примеров пассивного транспорта через мембранные поры и перевозчиков, самые многочисленные из которыхионные каналы.Ионные каналы имеют следующиеобщие компоненты:
1)область поры,через которые ионы диффундируют.
2)избирательный фильтр внутри поры,в результате чего канал весьма избирателен для определенных ионов (например, Na+ каналов).
3) ворота канала,которые открывают и закрывают канал.В закрытом состоянии, ионы не проходят через канал, но канал доступен для активации. В открытом состоянии ионы движутся согласно их электрохимического градиента. Ворота канала могут управляться одним из следующих механизмов: мембранные напряжения(потенциалзависимые каналы);химических веществ(хемозависимые каналы);механические силы в мембране(стрейчзависимые каналы).
• Осмос -это движение (диффузия) воды через мембрану, которое приводится в действие градиентом концентрации воды.Концентрация воды выражается в терминах общей концентрации растворенного вещества; чем более разбавлен раствор, тем ниже концентрации его растворенного вещества и воды концентрация выше.Когда два раствора, разделенныхполупроницаемой мембраной(то есть, которая допускает транспорт воды, но не растворенных вещества), по осмосу вода движется от более разбавленного раствора. Осмолярностьявляется выражением осмотической силы раствора и общей концентрации растворенного вещества.Два раствора одной и того же осмолярности называютсяизоосмотическими.Растворы с большей, чем осмолярность раствора сравнения называетсягиперосмотическими,а растворы с более низкой осмолярностью называются как гипоосмотическими.Изотонический раствор имеет такую же осмолярность, как функционирующие клетки и не вызывает движение чистой воды через их мембрану; гипотонический раствор имеет меньшую осмолярность, чем функционирующая клетка и заставляет клетки набухать, гипертонический раствор имеет большую осмолярность, чем клетки и заставляет клетки сжиматься. Например, если пациенту внутривенно вводятгипотонический раствор,тонус внеклеточной жидкости изначально уменьшается, и вода движется во внутриклеточную жидкость путем осмоса (клетки набухают). И наоборот, есливводят гипертонический раствор, тонус внеклеточной жидкости повышен, и вода выходит из внутриклеточной жидкости (клетки сморщиваются).
1. Активный транспорттребует гидролиза аденозинтрифосфата (АТФ).
• Первично активный транспортидет через мембранные белки, которые как только соединяются с АТФ, гидролизуются для движения растворенного вещества. Наиболее важный процесс активного транспорта связан с работой Na/K-насоса, непрерывно откачивающего Na+ из клетки в обмен на K+ с использованием энергии расщепления АТФ. На внутренней стороне мембраны 3 иона Na+ соединяется с молекулой белка-переносчика. Образовавшийся комплекс конформируется и ионы Na+ оказываются на наружной стороне мембраны. Комплекс распадается, а освободившийся переносчик соединяется с 2 ионами K+ и транспортирует их внутрь клетки. Ионы K+ освобождаются в цитоплазму, и цикл повторяется (до 200 раз в секунду). Таким образом, соотношение числа переносимых за один цикл работы фермента ионов Na+ и K+, и, соответственно, электрических зарядов, равно 3/2. Следовательно, ионный насос не только изменяет концентрацию, но и является электрогенным – создает поток положительных зарядов из клетки.
• Вторично активный транспортсоединяет транспорт двух или нескольких растворенных веществ вместе.Во вторично активном транспорте энергия используется для разработки благоприятной электрохимической движущей силы для одного растворенного вещества, которое затем используется для возможности перевозки других растворенных веществ (например, направленный внутрь Na+ градиент используется для поглощения глюкозы из кишечника).Котранспорт (симпорт)объединяет движение двух или более растворов в одном направлении. Пример Na+-переносчики включают котранспорт Na+ / глюкозы в кишечнике.Обменник (антипорт)объединяет движение двух растворенных веществ в противоположном направлении. Пример Na+-переносчики включают Na+/Ca2+ и Na+ /H+ обмен, которые являются важными для поддержания низких внутриклеточных [Ca2+] и [H+], соответственно.
· Везикулярный транспорт.Движение макромолекул происходит вограниченных мембраной пузырьках;макромолекулы проникают в клетки путемэндоцитозаи выходят из клеток путем экзоцитоза. Эндоцитозможно описать как прием внеклеточного материала для формирования эндоцитозных пузырьков внутри клетки. Есть три типа эндоцитоза: 1) Пиноцитозэто употребление малых частиц из ECF, он происходит в большинстве клеток. 2) Фагоцитозэто поглощение крупных частиц (например, микроорганизмов), которое происходит в специализированных иммунных клетках. 3) Рецептор-опосредованный эндоцитозэто поглощение специфических молекул, он происходит на специализированных областях мембраны клатриновых ямах (например, поглощение холестерина связан с липопротеинами низкой плотности).Экзоцитозэто экспорт растворимых белков в межклеточное пространство. Такие белки синтезируются в клетке и упаковывается во внутриклеточные везикулы. Когда пузырьки сливаются с плазматической мембраной, растворимые белки выделяются и мембраны пузырьков включаются в плазматическую мембрану.