Главная > Измена жены > Проницаемость и проводимость клеточной мембраны. Роль проницаемости клеточной мембраны и ее поверхностных зарядов


Проницаемость и проводимость клеточной мембраны. Роль проницаемости клеточной мембраны и ее поверхностных зарядов




Проницаемость - это способность тканей, клеток и субклеточных структур (ядра клетки и др.) пропускать газы, воду и различные вещества. Проникновение веществ через биологические мембраны происходит пассивно или путем активного переноса с участием специальных механизмов. Проницаемость мембран для различных агентов зависит как от физико-химических свойств последних, так и от особенностей самих мембран.

Нарушения проницаемости могут возникать в результате действия разнообразных повреждающих факторов: высокой и низкой температуры, облучения, некоторых веществ (например, ), недостатка кислорода, витаминов, гормонов и т. д. Нарушения проницаемости играют важную роль в патогенезе многих болезненных процессов: (см.), (см.), шока (см.), инфекционных заболеваний, нарушений выделительных процессов и др. Изменения проницаемости могут быть как проявлением защитной реакции, так и причиной многих тяжелых расстройств.

Проницаемость - это способность клеток и тканей пропускать и поглощать растворы и газы из окружающей среды и выделять их наружу. Проницаемость - общебиологическая проблема, связанная с взаимоотношением организма со средой, с обменом веществ и имеющая важное значение для физиологии и патологии.

Имеются следующие теории избирательной проницаемости клеток и тканей, по-разному трактующие субстрат и условия этого процесса. Согласно мембранной теории клеточной проницаемости распределение веществ между клеткой и средой объясняется наличием субмикроскопической мембраны, избирательно проницаемой для молекул и ионов. Протоплазма клеток считается коллоидом, в котором почти вся вода находится в свободном состоянии и обладает свойствами растворителя. В основе сорбционной теории проницаемости лежит представление о протоплазме как о несмешивающейся с водой фазе, в которой вода и ионы находятся в связанном состоянии. Поступление веществ в клетку регулируется всей протоплазмой и определяется факторами сорбции (растворимостью, химическим связыванием, адсорбцией и др.). По современным представлениям клеточные мембраны (см. Клетка) имеют общую толщину 70-80 А и состоят из двух параллельных слоев молекул липидов, ориентированных полярными группами к поверхности мембраны, с адсорбированными на них слоями белка. Кроме того, в цитоплазме имеется система мембранных образований, связанных с эндоплазматической сетью и митохондриями.

Низкомолекулярные вещества, вода, газы могут проникать в клетку под действием осмотических сил (см. Осмотическое давление), путем диффузии (см.) и ультрафильтрации (см.), без энергетических затрат (пассивный перенос). Для ионов проницаемость зависит от электрического заряда, градиента потенциала между наружной и внутренней поверхностью мембран.

Активным переносом обозначаются процессы, происходящие с затратой энергии, вырабатываемой в клетке в процессе метаболизма (фосфорилирование, дефосфорилирование, образование сложных комплексов веществ, наличие молекул-переносчиков, участие ферментов и т. д.). При этом вещества могут двигаться против градиента концентраций. Так, содержание ионов К в эритроцитах в 20 раз выше, чем ионов Na, однако ионы К накапливаются в них, а ионы Na выходят в плазму против 50-кратного градиента концентрации. Одним из способов проникновения веществ в клетку является пиноцитоз (см.). Процесс этот заключается в адсорбции веществ клеточной оболочкой, уменьшении ее поверхностного натяжения и впячивании внутрь цитоплазмы с образованием пиноцитарных вакуолей; впоследствии их оболочка разрушается, и вещества включаются в клеточный метаболизм.

Селективная проницаемость веществ зависит как от структуры и химического строения клеточных мембран, так и от размеров, электрического заряда, гидратации, растворимости веществ в липоидах. В отличие от сильных кислот и оснований, не проникающих в клетку, слабые кислоты и основания, в составе которых преобладают недиссоциированные молекулы, обладают большой проникающей способностью. При сдвиге активной реакции в кислую или щелочную сторону, сопровождающемся изменением степени диссоциации молекул, усиливается или ослабляется проникновение веществ в клетку. Так, установлено, что третичные аммониевые соединения, не несущие заряда, проникают в мозг, в отличие от ионизированных четвертичных аминов и их солей.

В организме многие ткани являются мембранами, обладающими избирательной проницаемостью (эндотелий капилляров и серозных полостей, кишечная стенка, эпителий кожи и др.). Проницаемость таких мембран зависит не только от составляющих их клеточных структур, но и от проницаемости межклеточного вещества. Важное значение имеет проницаемость гисто-гематических барьеров, регулирующих относительное постоянство внутренней среды органов и тканей (см. Барьерные функции).

Нарушения проницаемости являются существенным звеном в патогенезе многих патологических процессов (аллергия, воспаление, отек, шок), в механизме изменений всасывания (см.), секреции, экскреции, обмена веществ. Особое значение в клинической патологии имеют нарушения проницаемости капилляров, наблюдаемые при многих инфекционных, токсических, аллергических и других заболеваниях (дизентерия, бруцеллез, скарлатина, грипп, ревматизм, брюшной и сыпной тифы, тонзиллит, нефрит и др.). Нарушения проницаемости сосудов отмечены при заболеваниях сердечно-сосудистой системы (ревматический панкардит, миокардит, септический эндокардит, гипертоническая болезнь, атеросклероз), органов дыхания (эмфизема легких, пневмония, пневмосклероз), почек, печени, кожи, нервной системы. Изменения сосудистой проницаемости характерны для разных стадий лучевой болезни.

Важное значение в патогенезе ряда заболеваний имеют также нарушения проницаемости гисто-гематических барьеров. В частности, проницаемость гематоэнцефалического барьера увеличивается при черепно-мозговой травме, воспалении оболочек мозга, некоторых формах эпилепсии, нарушениях мозгового кровообращения, шоке, лучевой болезни и других патологических процессах. Имеются данные о влиянии различных лекарственных веществ на проницаемость капилляров, гематоэнцефалического и других гисто-гематических барьеров, что позволяет регулировать нарушения проницаемости в условиях патологии.

Клеточные мембраны

Клеточные мембраны

Изображение клеточной мембраны. Маленькие голубые и белые шарики соответствуют гидрофильным «головкам» липидов, а присоединённые к ним линии - гидрофобным «хвостам». На рисунке показаны только интегральные мембранные белки (красные глобулы и желтые спирали). Желтые овальные точки внутри мембраны - молекулы холестерола Желто-зеленые цепочки бусинок на наружной стороне мембраны - цепочки олигосахаридов , формирующие гликокаликс

Биологическая мембрана включает и различные белки : интегральные (пронизывающие мембрану насквозь), полуинтегральные (погруженные одним концом во внешний или внутренний липидный слой), поверхностные (расположенные на внешней или прилегающие к внутренней сторонам мембраны). Некоторые белки являются точками контакта клеточной мембраны с цитоскелетом внутри клетки, и клеточной стенкой (если она есть) снаружи. Некоторые из интегральных белков выполняют функцию ионных каналов, различных транспортеров и рецепторов .

Функции биомембран

  • барьерная - обеспечивает регулируемый, избирательный, пассивный и активный обмен веществ с окружающей средой. Например, мембрана пероксисом защищает цитоплазму от опасных для клетки пероксидов . Избирательная проницаемость означает, что проницаемость мембраны для различных атомов или молекул зависит от их размеров, электрического заряда и химических свойств. Избирательная проницаемость обеспечивает отделение клетки и клеточных компартментов от окружающей среды и снабжение их необходимыми веществами.
  • транспортная - через мембрану происходит транспорт веществ в клетку и из клетки. Транспорт через мембраны обеспечивает: доставку питательных веществ, удаление конечных продуктов обмена, секрецию различных веществ, создание ионных градиентов, поддержание в клетке соответствующего pH и ионной концентрации, которые нужны для работы клеточных ферментов.

Частицы, по какой-либо причине не способные пересечь фосфолипидный бислой (например, из-за гидрофильных свойств, так как мембрана внутри гидрофобна и не пропускает гидрофильные вещества, или из-за крупных размеров), но необходимые для клетки, могут проникнуть сквозь мембрану через специальные белки-переносчики (транспортеры) и белки-каналы или путем эндоцитоза .

При пассивном транспорте вещества пересекают липидный бислой без затрат энергии, путем диффузии. Вариантом этого механизма является облегчённая диффузия , при которой веществу помогает пройти через мембрану какая-либо специфическая молекула. У этой молекулы может быть канал, пропускающий вещества только одного типа.

Активный транспорт требует затрат энергии, так как происходит против градиента концентрации. На мембране существуют специальные белки-насосы, в том числе АТФаза , которая активно вкачивают в клетку ионы калия (K+) и выкачивают из неё ионы натрия (Na+).

  • матричная - обеспечивает определенное взаиморасположение и ориентацию мембранных белков, их оптимальное взаимодействие;
  • механическая - обеспечивает автономность клетки, ее внутриклеточных структур, также соединение с другими клетками (в тканях). Большую роль в обеспечение механической функции имеют клеточные стенки, а у животных - межклеточное вещество.
  • энергетическая - при фотосинтезе в хлоропластах и клеточном дыхании в митохондриях в их мембранах действуют системы переноса энергии, в которых также участвуют белки;
  • рецепторная - некоторые белки, находящиеся в мембране, являются рецепторами (молекулами, при помощи которых клетка воспринимает те или иные сигналы).

Например, гормоны, циркулирующие в крови, действуют только на такие клетки-мишени, у которых есть соответствующие этим гормонам рецепторы. Нейромедиаторы (химические вещества, обеспечивающие проведение нервных импульсов) тоже связываются с особыми рецепторными белками клеток-мишеней.

  • ферментативная - мембранные белки нередко являются ферментами. Например, плазматические мембраны эпителиальных клеток кишечника содержат пищеварительные ферменты.
  • осуществление генерации и проведения биопотенциалов.

С помощью мембраны в клетке поддерживается постоянная концентрация ионов: концентрация иона К+ внутри клетки значительно выше, чем снаружи, а концентрация Na+ значительно ниже, что очень важно, так как это обеспечивает поддержание разности потенциалов на мембране и генерацию нервного импульса .

  • маркировка клетки - на мембране есть антигены, действующие как маркеры - «ярлыки», позволяющие опознать клетку. Это гликопротеины (то есть белки с присоединенными к ним разветвленными олигосахаридными боковыми цепями), играющие роль «антенн». Из-за бесчисленного множества конфигурации боковых цепей возможно сделать для каждого типа клеток свой особый маркер. С помощью маркеров клетки могут распознавать другие клетки и действовать согласованно с ними, например, при формировании органов и тканей. Это же позволяет иммунной системе распознавать чужеродные антигены.

Структура и состав биомембран

Мембраны состоят из липидов трёх классов: фосфолипиды , гликолипиды и холестерол . Фосфолипиды и гликолипиды (липиды с присоединёнными к ним углеводами) состоят из двух длинных гидрофобных углеводородных «хвостов», которые связаны с заряженной гидрофильной «головой». Холестерол придаёт мембране жёсткость, занимая свободное пространство между гидрофобными хвостами липидов и не позволяя им изгибаться. Поэтому мембраны с малым содержанием холестерола более гибкие, а с большим - более жёсткие и хрупкие. Также холестерол служит «стопором», препятствующим перемещению полярных молекул из клетки и в клетку. Важную часть мембраны составляют белки, пронизывающие её и отвечающие за разнообразные свойства мембран. Их состав и ориентация в разных мембранах различаются.

Клеточные мембраны часто асимметричны, то есть слои отличаются по составу липидов, переход отдельной молекулы из одного слоя в другой (так называемый флип-флоп ) затруднён.

Мембранные органеллы

Это замкнутые одиночные или связанные друг с другом участки цитоплазмы , отделённые от гиалоплазмы мембранами . К одномембранным органеллам относятся эндоплазматическая сеть , аппарат Гольджи , лизосомы , вакуоли , пероксисомы ; к двумембранным - ядро , митохондрии , пластиды . Снаружи клетка ограничена так называемой плазматической мембраной. Строение мембран различных органелл отличается по составу липидов и мембранных белков.

Избирательная проницаемость

Клеточные мембраны обладают избирательной проницаемостью: через них медленно диффундируют глюкоза , аминокислоты , жирные кислоты , глицерол и ионы , причем сами мембраны в известной мере активно регулируют этот процесс - одни вещества пропускают, а другие нет. Существует четыре основных механизма для поступления веществ в клетку или вывода их из клеки наружу: диффузия , осмос , активный транспорт и экзо- или эндоцитоз . Два первых процесса носят пассивный характер, то есть не требуют затрат энергии; два последних - активные процессы, связанные с потреблением энергии.

Избирательная проницаемость мембраны при пассивном транспорте обусловлена специальными каналами - интегральными белками. Они пронизывают мембрану насквозь, образовывая своего рода проход . Для элементов K, Na и Cl есть свои каналы. Относительно градиента концентрации молекулы этих элементов движутся в клетку и из неё. При раздражении каналы натриевых ионов раскрываются, и происходит резкое поступление в клетку ионов натрия. При этом происходит дисбаланс мембранного потенциала. После чего мембранный потенциал восстанавливается. Каналы калия всегда открыты, через них в клетку медленно попадают ионы калия .

Ссылки

  • Bruce Alberts, et al. Molecular Biology Of The Cell . - 5th ed. - New York: Garland Science, 2007. - ISBN 0-8153-3218-1 - учебник по молекулярной биологии на англ. языке
  • Рубин А.Б. Биофизика, учебник в 2 тт. . - 3-е издание, исправленное и дополненное. - Москва: издательство Московского университета, 2004. - ISBN 5-211-06109-8
  • Геннис Р. Биомембраны. Молекулярная структура и функции: перевод с англ. = Biomembranes. Molecular structure and function (by Robert B. Gennis). - 1-е издание. - Москва: Мир, 1997. - ISBN 5-03-002419-0
  • Иванов В.Г., Берестовский Т.Н. Липидный бислой биологических мембран. - Москва: Наука, 1982.
  • Антонов В.Ф., Смирнова Е.Н., Шевченко Е.В. Липидные мембраны при фазовых переходах. - Москва: Наука, 1994.

См. также

  • Владимиров Ю. А., Повреждение компонентов биологических мембран при патологических процессах

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Клеточные мембраны" в других словарях:

    У этого термина существуют и другие значения, см. Мембрана Изображение клеточной мембраны. Маленькие голубые и белые шарики соответствуют гидрофильным «головкам» липидов, а присоединённые к ним линии гидрофобным «хвостам». На рисунке показаны… … Википедия

    - (от лат. membrana кожица, перепонка), сложные высокоорганизованные надмоле кулярные структуры, ограничивающие клетки (клеточные, или плазматич., мембраны) и внутриклеточные органоиды митохондрии, хлоропласты, лизосомы и др. Представляют собой… … Химическая энциклопедия

    У этого термина существуют и другие значения, см. Мембрана Изображение клеточной мембраны. Маленькие голубые и белые шарики соответствуют гидрофильным «головкам» липидов, а присоединённые к ним линии гидрофобным «хвостам». На рисунке показаны… … Википедия

А. Терминология. В настоящее время различные авторы по-разному трактуют термины «проницаемость» и «проводимость». Под проницаемостью клеточной мембраны мы понимаем ее спо­собность пропускать воду и частицы - заряженные (ионы) и неза­ряженные согласно законам диффузии и фильтрации. Проницае­мость клеточной мембраны определяется следующими факторами: 1) наличием в составе мембраны различных ионных каналов -управляемых (с воротным механизмом) и неуправляемых (каналы утечки); 2) размерами каналов и размерами частиц; 3) растворимо­стью частиц в мембране (клеточная мембрана проницаема для рас­творимых в ней липидов и непроницаема для пептидов).

Термин «проводимость» следует использовать только приме­нительно к заряженным частицам. Следовательно, под проводи­мостью мы понимаем способность заряженных частиц (ионов) проходить через клеточную мембрану согласно электрохимиче­скому градиенту (совокупность электрического и концентрацион­ного градиентов).

Как известно, ионы, подобно незаряженным частицам, перехо­дят через мембрану из области с высокой концентрацией в об­ласть с низкой концентрацией. При большом градиенте концен­трации и хорошей проницаемости мембраны, разделяющей соот­ветствующие растворы, проводимость ионов может быть высо­кая, при этом наблюдается односторонний ток ионов. Когда кон­центрация ионов по обе стороны мембраны уравняется, проводи­мость ионов уменьшится, односторонний ток ионов прекратится, хотя проницаемость сохранится прежней - высокой. Кроме того, проводимость иона при неизменной проницаемости мембраны зависит и от заряда иона; одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются, т.е. важную роль в проводимости иона играет его электрический заряд. Возможна ситуация, когда при хорошей проницаемости мембраны проводимость ионов че­рез мембрану оказывается низкой или нулевой, - в случае отсут­ствия движущей силы (концентрационного и /или электрического градиентов).

Таким образом, проводимость иона зависит от его электрохи­мического градиента и от проницаемости мембраны; чем они больше, тем лучше проводимость иона через мембрану. Перемеще­ния ионов в клетку и из клетки согласно концентрационному и электрическому градиентам в состоянии покоя клетки осуществля­ются преимущественно через неуправляемые (без воротного меха­низма) каналы (каналы утечки). Неуправляемые каналы всегда от­крыты, они практически не меняют своей пропускной способности при электрическом воздействии на клеточную мембрану и ее воз­буждении. Неуправляемые каналы подразделяются на ионоселективные каналы (например, калиевые медленные неуправляемые каналы) и иононеселективные каналы. Последние пропускают различные ионы; К+, Ка + , С1".



Б. Роль проницаемости клеточной мембраны и различных ионов в формировании ПП (рис. З.2.).

Сосуд разделен полупроницаемой мем­браной. Обе его половины заполнены раствором Кг5О4 различной концентрации (С| и Сг), причем С] < С2. Мембрана проницаема для иона К + и непроницаема для 8С>4 2 ~. Ионы К + перемещаются согласноконцентрационному градиенту из рас­твора Саврасгвор С|. Поскольку ионы 8О4 ~ не могут пройти в раствор С], где их концентрация тоже ниже, мембрана поляризуется и между двумя ее по­верхностями возникает разность элек­трических потенциалов, соответст­вующая равновесному калиевому по­тенциалу (Ек)- Ионы Йа* и К + в живой клетке, на­ходящейся в состоянии покоя, также перемещаются через мембрану соглас­но законам диффузии, при этом К + из клетки выходит в значительно боль­шем количестве, чем входит Ка + в клетку, поскольку проницаемость кле­точной мембраны для К* примерно в 25 раз больше проницаемости для Ка + . Органические анионыиз-за своих больших размеров не могут выхо­дить из клетки, поэтому внутри клет­ки в состоянии покоя отрицательных ионов оказывается больше, чем положительных. По этой причине клетка изнутри имеет отрица­тельный заряд. Интересно, что во всех точках клетки отрицатель­ный заряд практически одинаков. Об этом свидетельствует оди­наковая величина ПП при введении микроэлектрода на разную глубину внутрь клетки, как это имело место в опытах Ходжкина, Хаксли и Катца. Заряд

внутри клетки является отрицательным как абсолютно (в гиалоплазме клетки содержится больше анио­нов, чем катионов), так и относительно наружной поверхности клеточной мембраны.

Калий является главным ионом, обеспечивающим формирова­ние ПП. Об этом свидетельствуют результаты опыта с перфузией внутреннего содержимого гигантского аксона кальмара солевыми растворами. При уменьшении концентрации ионов К + в перфуза-те ПП снижается, при увеличении их концентрации ПП повыша­ется. В состоянии покоя клетки устанавливается динамическое равновесие между числом выходящих из клетки и входящих в клетку ионов К + . Электрический и концентрационный градиенты противодействуют друг другу: согласно концентрационному гра­диенту К + стремится выйти из клетки, отрицательный заряд внут­ри клетки и положительный заряд наружной поверхности клеточ­ной мембраны препятствуют этому. Когда концентрационный и электрический градиенты уравновесятся, число выходящих из клетки ионов К + сравнивается с числом входящих ионов К + в клетку. В этом случае на клеточной мембране устанавливается так называемый равновесный потенциал.

Равновесный потенциал для иона можно рассчитать по формуле Нернста. Концентрация положительно заряженного иона, находя­щегося снаружи, в формуле Нернста записывается в числителе, а иона, находящегося внутри клетки, - в знаменателе. Для отрица­тельно заряженных ионов расположение противоположное.

Вклад Na + и Cl - в создание ПП. Проницаемость клеточной мем­браны в покое для иона N3+ очень низкая, намного ниже, чем для иона К + , тем не менее она имеется, поэтому ионы Ка* согласно концентрационному и электрическому градиентам стремятся и в небольшом количестве проходят внутрь клетки. Это ведет к умень­шению ПП, так как на внешней поверхности клеточной мембраны суммарное число положительно заряженных ионов уменьшается, хотя и незначительно, а часть отрицательных ионов внутри клетки нейтрализуется входящими в клетку положительно заряженными ионами Nа + . Вход иона Na+ внутрь клетки снижает ПП. Влияние СГ на величину ПП противоположно и зависит от проницаемости кле­точной мембраны для ионов СГ. Дело в том, что ион СГ, согласно концентрационному градиенту, стремится и проходит в клетку. Препятствует входу иона СГ в клетку электрический градиент, по­скольку заряд внутри клетки отрицательный, как и заряд СГ. На­ступает равновесие сил концентрационного градиента, способст­вующего входу иона СГ в клетку, и электрического градиента, пре­пятствующего входу иона СГ в клетку. Поэтому внутриклеточная концентрация ионов СГ значительно меньше внеклеточной. При поступлении иона СГ внутрь клетки число отрицательных зарядов вне клетки несколько уменьшается, а внутри клетки увеличивается: ион СГ добавляется к крупным, белковой природы анионам, нахо­дящимся внутри клетки. Эти анионы из-за своих больших размеров не могут пройти через каналы клеточной мембраны наружу клетки - в интерстиций. Таким образом, ион СI - , проникая внутрьклетки, увеличивает ПП. Частично, как и вне клетки, ионы № + и С1" внутри клетки нейтрализуют друг друга. Вследствие этого со­вместное поступление ионов Ка + и С1~ внутрь клетки не сказывается существенно на величине ПП.

В. Определенную роль в формировании ПП играют поверх­ностные заряды самой клеточной мембраны и ионы Са 2+ . На­ружная и внутренняя поверхности клеточной мембраны несут собственные электрические заряды, преимущественно с отрица­тельным знаком. Это полярные молекулы клеточной мембра­ны: гликолипиды, фосфолипиды, гликопротеиды. Фиксиро­ванные наружные отрицательные заряды, нейтрализуя поло­жительные заряды внешней поверхности мембраны, снижают ПП. Фиксированные внутренние отрицательные заряды кле­точной мембраны, напротив, суммируясь с анионами внутри клетки, увеличивают ПП.

Роль ионов Са 2+ в формировании ПП заключается в том, что они взаимодействуют с наружными отрицательными фиксиро­ванными зарядами мембраны клетки и нейтрализуют их, что ве­дет к увеличению и стабилизации ПП.

Таким образом, ПП - это алгебраическая сумма не только всех зарядов ионов вне и внутри клетки, но также алгебраическая сумма отрицательных внешних и внутренних поверхностных за­рядов самой мембраны.

При проведении измерений потенциал окружающей клетку среды принимают равным нулю. Относительно нулевого потен­циала внешней среды потенциал внутренней среды нейрона, как отмечалось, составляет величину порядка -60-80 мВ. Поврежде­ние клетки приводит к повышению проницаемости клеточных мембран, в результате чего различие проницаемости для ионов К + и N3+ уменьшается. ПП при этом снижается. Подобные из­менения встречаются при ишемии ткани. У сильно поврежден­ных клеток ПП может снизиться до уровня донанновского рав­новесия, когда концентрация внутри и вне клетки будет опреде­ляться только избирательной проницаемостью клеточной мембраны в состоянии покоя клетки, что может привести к на­рушению электрической активности нейронов. Однако и в нор­ме происходит перемещение ионов согласно электрохимическо­му градиенту, однако ПП не нарушается.

Одна из главных функций мембран - регуляция переноса веществ. Существуют два способа переноса веществ через мембрану: пассивный и активный транспорт

Транспорт веществ через мембраны

Пассивный транспорт . Если вещество движется через мембрану из области с высокой концентрацией в сторону низкой концентрации (т.е. по градиенту концентрации этого вещества) без затраты клеткой энергии, то такой транспорт называется пассивным, или диффузией . Различают два типа диффузии: простую и облегченную .

Простая диффузия характерна для небольших нейтральных молекул (H2O, CO2, O2), а также гидрофобных низкомолекулярных органических веществ. Эти молекулы могут проходить без какого-либо взаимодействия с мембранными белками через поры или каналы мембраны до тех пор, пока будет сохраняться градиент концентрации.

На первый взгляд представляется труднообъяснимым сравнительно большое значение Р для воды, полярного вещества, нерастворимого в липидах. Очевидно, что в этом случае речь может идти о переносе воды через наполненные водой белковые и липидные поры. Однако в последнее время помимо гидрофильных пор проникновение через мембрану мелких полярных молекул связывают с образованием между жирнокислотными хвостами фосфолипидных молекул при их тепловом движении небольших свободных полостей - кинков (от англ. kink - петля). Вследствие теплового движения хвостов молекул фосфолипидов кинки могут перемещаться поперек мембраны и переносить попавшие в них мелкие молекулы, в первую очередь молекулы воды.

Предполагается, что в растворе вне поры каждый ион имеет гидратную оболочку, состоящую из трех сферических слоев молекул воды. При вхождении в пору гидратированный ион "раздевается", теряя воду послойно. Пора будет проницаема для иона, если ее диаметр точно соответствует диаметру любой из этих сферических оболочек. Как правило, в поре ион остается с одной гидратной оболочкой. Отмечено своеобразное "квантование" гидратированных ионов по их размерам при прохождении через поры.

Облегченная диффузия . Характерна для гидрофильных молекул, которые переносятся через мембрану также по градиенту концентрации, но с помощью специальных мембранных белков - переносчиков. Для облегченной диффузии, в отличие от простой, характерна высокая избирательность, так как белок переносчик имеет центр связывания комплементарный транспортируемому веществу, и перенос сопровождается конформационными изменениями белка.

Другие отличия облегченной диффузии от простой :

1) перенос ионов с участием переносчика происходит значительно быстрее по сравнению со свободной диффузией;

2) облегченная диффузия обладает свойством насыщения - при увеличении концентрации с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;

3) при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда одним переносчиком переносятся разные вещества; при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других;

4) есть вещества, блокирующие облегченную диффузию, они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика, препятствуя дальнейшему переносу.

Разновидностью облегченной диффузии является транспорт с помощью неподвижных молекул переносчиков, фиксированных определенным образом поперек мембраны. При этом молекула переносимого вещества передается от одной молекулы переносчика к другой по типу эстафеты.

Один из возможных механизмов облегченной диффузии может быть следующим: транспортный белок (транслоказа ) связывает вещество, затем сближается с противоположной стороной мембраны, освобождает это вещество, принимает исходную конформацию и вновь готов выполнять транспортную функцию. Мало известно о том, как осуществляется передвижение самого белка. Другой возможный механизм переноса предполагает участие нескольких белков-переносчиков. В этом случае первоначально связанное соединение само переходит от одного белка к другому, последовательно связываясь то с одним, то с другим белком, пока не окажется на противоположной стороне мембраны.

Активный транспорт (Рис. 12) имеет место в том случае, когда перенос осуществляется против градиента концентрации. Такой перенос требует затраты энергии клеткой. Активный транспорт служит для накопления веществ внутри клетки. Источником энергии часто является АТР. Для активного транспорта кроме источника энергии необходимо участие мембранных белков.

Одна из активных транспортных систем в клетке животных отвечает за перенос ионов Na+ и K+ через клеточную мембрану. Эта система называется Na+ - K+ - насос. Она отвечает за поддержание состава внутриклеточной среды, в которой концентрация К+ выше, чем Na+ :

Градиент концентрации калия и натрия поддерживается путем переноса К+ внутрь клетки, а Na+ наружу. Оба транспорта происходят против градиента концентрации. Такое распределение ионов определяет содержание воды в клетках, возбудимость нервных клеток и клеток мышц и другие свойства нормальных клеток. Na+ ,K+ -насос представляет собой белок – транспортную АТР-азу . Молекула этого фермента является олигомером и пронизывает мембрану. За полный цикл работы насоса из клетки в межклеточное вещество переносится три иона Na+, а в обратном направлении – два иона К+. При этом используется энергия молекулы АТР.

Существуют транспортные системы для переноса ионов кальция (Са2+ - АТР-азы), протонные насосы (Н+ - АТР-азы) и др.

Симпорт это активный перенос вещества через мембрану, осуществляемый за счет энергии градиента концентрации другого вещества. Транспортная АТР-аза в этом случае имеет центры связывания для обоих веществ. Антипорт - это перемещение вещества против градиента своей концентрации. При этом другое вещество движется в противоположном направлении по градиенту своей концентрации. Симпорт и антипорт могут происходить при всасывании аминокислот из кишечника и реабсорбции глюкозы из первичной мочи. При этом используется энергия градиента концентрации ионов Na+, создаваемого Na+, K+-АТР-азой.

Механизм действия Na+, K+-АТР-азы

Везикулярный транспорт

Через плазматическую мембрану транспортируются и макромолекулы. Процесс, с помощью которого клетки захватывают крупные молекулы, называется эндоцитозом. Процесс выхода крупных молекул из клетки называется экзоцитозом. Общим для этих видов транспорта является то, транспортируемое вещество окружено плазматической мембраной и находится в виде пузырька или везикулы . Механизм образования везикулы и её судьба в клетке зависит от типа эндоцитоза.

Эндоцитоз. Эндоцитоз можно разделить на 2 основных типа: фагоцитоз и пиноцитоз. Пиноцитоз присущ всем клеткам. С его помощью клетка поглощает жидкости и мелкие гранулы. При фагоцитозе происходит поглощение крупных частиц: вирусов, бактерий, клеток или их обломков. Фагоцитоз осуществляется с участием специализированных клеток: макрофагов и гранулоцитов.

Механизм эндоцитоза: при захвате вещества из межклеточного пространства происходит впячивание или инвагинация плазматической мембраны, образуется эндоцитозная везикула, похожая на колбу. Шейка везикулы сливается, отшнуровывается от мембраны и везикула – внутри клетки. Судьба везикул различна: они могут направляться к комплексу Гольджи или транспортируются к лизосомам, сливаются с ними, образуя вторичные лизосомы или фаголизосомы.

Эндоцитоз подразделяется 2 типа: жидкофазный неспецифичный и адсорбционный рецепторный (с очень быстрым избирательным захватом макромолекул). Название и судьба везикул, образующихся при адсорбционном эндоцитозе, зависят от типа поглощаемого вещества.

Экзоцитоз имеет большое значение для клетки. С его помощью клетка, например, обновляет свои мембраны, осуществляет секреторную деятельность. Механизм экзоцитоза: вещества в везикулах отпочковываются от комплекса Гольджи или от эндоплазматического ретикулума, транспортируются к мембране, сливаются с ней, после чего содержимое везикулы выполняет свое предназначение. Следует отметить, что экзоцитоз может быть непрерывным (конститутивным), так и регулируемым

Вещества, высвобождаемые в процессе экзоцитоза, можно разделить на 3 группы: 1.вещества, связывающиеся с клеточной поверхностью, например, антигены. 2.вещества внеклеточного матрикса, 3.сигнальные молекулы (гормоны, медиаторы).

Нарушение транспорта веществ через биомембраны приводит к различным патологиям. Лечение часто связано с проникновением лекарств через клеточные мембраны.

Механизм передачи сигнала. Существуют механизмы передачи сигнала а)связанные с поверхностными рецепторами клетки; б)не связанные с поверхностными рецепторами клетки.

Биохимический рецептор - структура живой клетки, как правило молекула белка, имеющая высокую степень сродства к определенным веществам – лигандам. Связывание лиганда с рецептором основано на том, что конформация какого-то участка молекулы гормона комплементарна участку молекулы рецептора. Связывание определяется гидрофобными и электростатическими взаимодействиями. В результате образуется комплекс вещество-рецептор

В числе переносчиков информации могут быть нейромедиаторы, гормоны, иммуноглобулины и другие вещества.

Первый этап в передаче информации - образование комплекс «лиганд-рецептор».

Второй этап в передаче информации - преобразование и проведение лигандного сигнала внутрь клетки. Этот процесс называется трансдукцией.

Механизмы передачи сигнала, связанные с поверхностными рецепторами клетки. Рецепторы этого семейства относятся к интегральным мембранным белкам.

Поверхностные рецепторы имеют три домена.

1. Ввнеклеточный домен или экто-домен

2. Трансмембранный домен, который может быть монотопным или политопным

3. Цитоплазматический домен.

Внеклеточный домен (экто -домен) содержит участок связывания сигнальной молекулы. Обычно это самая большая часть белкового рецептора.

Трансмембранные домены рецепторов можно разделить на две группы (рис.). Первое, очень большое семейство рецепторов, пронизывает мембрану семь раз. Это свойство настолько характерно для членов семейства, что их называют «семь раз пересекающими рецепторами», или «серпантинными» рецепторами. По общей структуре все члены семейства серпантинных рецепторов похожи, однако все они отличаются друг от друга но способности связывать различные классы лигандов. Другое, также большое семейство поверхностных рецепторов, имеет единственный трансмембранный участок.

Цитоплазматический домен

После связывания лиганда активируется именно цитоплазматический домен рецептора. У некоторых рецепторов этот домен обладает ферментативной активностью (например, киназной). У других - внутриклеточный домен сам служит субстратом для других ферментов (например, киназ), которые расположены вблизи него. После связывания с лигандом рецептор фосфорилируется и активируется. У ряда рецепторов цитоплазматический домен может быть связан (ассоциирован) с другими белками, например G-белками.

Рецепторы, сопряженные с G-белками. Связывание лиганда с рецептором приводит к активации специфических G-белков. Активированный G-белок изменяет активность молекулярных мишеней, в частности, аденилатциклазы, фосфорилазы, ионных каналов и cGMP-фосфодиэстеразы. "гримерныхгуанозинтрифосфатаз (ГТФазы)

Высокоспецифичные рецепторы этого семейства реагируют на:

  • гормоны (адреналин, глюкагон, лютеинизирующий гормон, антидиуретический гормон и т.д.)
  • нейромедиаторы (ацетилхолини т.д.)

Световые импульсы;

Летучие пахучие вещества и т.д. (таблица 1).

Таблица 1. Примеры G-белков и их физиологических эффектов

Тип клетки

Эффектор

Адреналин, глюкагон

Клетки печени

Аденилатциклаза

Расщепление гликогена

Адреналин, глюкагон

Адипоциты

Аденилатциклаза

Расщепление жиров

Лютеинизирующий

Фолликулы яичников

Аденилатциклаза

Усиление синтеза эстро-

гена и прогестерона

Антидиуретический

Клетки почек

Аденилатциклаза

Задержка воды почками

Ацетилхолин

Клетки сердечной

Калиевый канал

Брадикардия и снижение

насосной силы

Энкефалины, эндор-

Нейроны головного

Кальциевые и калиевые

Изменение электрической

фины,опиоиды

каналы, аденилатциклаза

активности нейронов

Ангиотензин

Гладкомышечные клет

Фосфолипаза С

Мышечное сокращение;

ки кровеносных сосудов

повышение артериально

го давления

Пахучие вещества

Нейроэпителиальные

Аденилатциклаза

Распознавание запаха"^ э

клетки носа

Палочки и колбочки

cGMP-фосфодиэстераза

Распознавание зритель*

сетчатки

ных сигналов

Особенности строения рецепторов, сопряженных с G-белками:

N-концевой участок находится на наружной стороне клеточной мембраны, белок семь раз прошивает мембрану, цитоплазматический домен содержит участки связывания G-белка.

G-белки – это тримеры, состоящие из 3-субъединиц, которые могут варьировать. Эти белки не входят в состав мембран, а соединяются с одной стороны с липидами цитоплазматической стороны мембраны, с другой – с цитоплазматическим доменом. В неактивном состоянии G-белки образуют комплекс с ГДФ.

Известны 6 различных моделей распознавания лигандов рецепторами, сопряженными с G-бслками. На первом рисунке слева (рис.) схематически изображена молекула родопсина, рецептора, реагирующего на свет. Остальные пять моделей показывают связывание лигапда с различными участками рецептора, с внутримембранными доменами (А, Г); с наружной поверхностью рецептора (Б); с большим внешним N-концсвым доменом (В), с небольшим участком внешнего N-концсвого домена (Г), и с новым N-копцевым доменом, сформированным при расщеплении исходной последовательности (Д)

На рисунке представлен рецептор (receptor),

G- белок в комплексе с ГДФ, молекулярная мишень (amplifier), в качестве которой могут выступать ферменты, (аденилатциклаза, фосфорилаза), ионные каналы и т.д.

Связывание гормона с рецептором приводит к изменению конформации рецептора и увеличению его сродства к G-белку.

Образование комплекса гормон-рецептор- G-белок - ГДФ снижает сродство a-протомера G-белка к ГДФ и увеличивает сродство к ГТФ. ГДФ заменяется на ГТФ. Это вызывает диссоциацию комплекса на a - субъединица и ГТФ и bg - димер.

a - субъединица - ГТФ связывается с молекулой –мишенью.

Связывание a - субъединица - ГТФ с мишенью стимулирует повышение ГТФазной активности a-протомера.

Дефосфорилирование ГТФ в активном центре a-протомера снижает его сродство к молекуле – мишени и увеличивает сродство к bg - протомерам. В результате происходит объединение трех протомеров G-белка.

Более подробно рассмотрим ответ 2 –х форм G-белковых рецепторов на связывание с лигандами на примере гормонов.

В первом случае молекулярной мишенью, функция которой меняется в ответ на присоединение гормона к рецептору, является аденилатциклаза (аденилатциклазная система).

Последовательность событий, приводящих к активации аденилатциклазы (рис.)

Связывание гормона с рецептором приводит к изменению конформации рецептора и увеличению его сродства к G-белку. G-белок состоит из 3 протомеров a,bg G-белка и образует комплекс ГДФ. В результате образуется тройной комплекс гормон – рецептор – G- белок + GDP.

2. Образование этого комплекса снижает сродство a-протомера G-белка к ГДФ и увеличивает сродство к ГТФ. ГДФ заменяется на ГТФ. Это вызывает диссоциацию комплекса на a - субъединица и ГТФ и bg - димер.

3. a - субъединица - ГТФ связывается с аденилатциклазой. Это вызывает изменение ее конформации и активацию фермента. В результате увеличивается скорость образования цАМФ из АТФ.

4. Молекулы сАМР могут обратимо соединяться с регуляторными субъединицами протеинкиназы А. Неактивная протеинкиназа А - это тетрамер, состоящий из 2 каталитических и 2 регуляторных субъединиц - C2R2.

5. Присоединение сАМР к субъединицам R приводит к диссоциации комплекса регуляторных и каталитических субъединиц. Активная форма ПКА – свободные каталитические субъединицы, которые фосфорилирует специфические белки, что вызывает изменение активности белков и регулируемых ими процессов.

5. Связывание a - субъединица - ГТФ с аденилатциклазой стимулирует повышение ГТФазной активности a-протомера.

6. Дефосфорилирование ГТФ в активном центре a-протомера снижает его сродство к АЦ и увеличивает сродство к bg - протомерам. В результате происходит объединение трех протомеров G-белка.

В втором случае молекулярной мишенью, функция которой меняется в ответ на присоединение гормона к рецептору, является фосфолипаза С (и нозитолфосфатная система).

Последовательность событий, приводящих к актвации фосфолипазы С (и нозитолфосфатная система):

1. Связывание гормона с рецептором приводит к изменению его конформации и увеличению сродства к Gplc (олигомер abg-субъединицы). ,

2. Образование комплекса, a - протомер + ГТФ и bg - димер

4. a - протомер + ГТФ взаимодействует с фосфолипазой С и активирует ее. Субстратом этого фермента являет фосфатидилинозитолбисфосфат (ФИФ).

5. В результате гидролиза образуется и выходи в цитозоль гидрофильное вещество инозитол – 3 фосфат. Другой продукт этой реакции диацилглицерин (ДАГ), остается в мембране и участвует в активации фермента протеин киназы С (ПКС).

6. Инозитол-3-фосфат связывается специфическими центрами Са-канала мембраны ЭР. В результате чего изменяется конформация и он открывается. Са 2+ поступает в цитозоль. В отсутствие в цитозоле инозитол-3-фосфата канал закрыт.

7. Повышение концентрации Са2+ в цитозоле клетки приводит к его взаимодействию с 1. с неактивным цитозольным ферментом прот еинкиназой С. 2. с белком кальмодулином.

Иными словами, сигнал принятый рецептором клетки, раздваивается.

8 Взаимодействие с ПНС Са2+ приводит к изменению конформации фермента: к увеличению сродства центров связывания фермента к липидам клеточной мембраны - ДАГ и фосфатидилсерину (ФС). На внутренней стороне мембраны образуется форменный комплекс - - активная протеинкиназа С, которая меняет активность специфических ферментов, фосфорилируя их по серину и треонину.

9. В клетках тканей присутствует белок кальмодулин, который функционирует как внутриклеточный рецептор Са2+, он имеет 4 центра для связывания Са2+. Комплекс не обладает ферментативной активностью, но взаимодействие комплекса с различными белками и ферментами приводит к их активации.

10. Для снижения концентрации Са2+ в клетке до исходного уровня работают системы Са2+-АТРаз и транслоказ (антипорт).

11. Присутствующий в цитозоле ИФ-3 и ДАГ в мембране могут в результате серии реакций опять превращаться в ФИФ. Активная ПКС стимулирует образование ФИФ.

цАМФ может проникать в ядро и активировать белки, называемые CREB (c AMP r esponse e lement b inding protein). Эти белки могут связываться со специфическими регуляторными элементами ряда генов и запускать процесс транскрипции.

2. Рецепторы как ионные каналы. Связывание лиганда с рецепторным белком канала вызывает открытие капала, приводящее к входу или выходу необходимых ионов. Все известные ионные каналы могут находиться в двух конформационных состояниях:

1. канал открыт и ионы перемещаются по градиенту концентрации;

2. канал закрыт и не пропускает ионы.

Особенности строения ионных каналов

Мембранные белки ионных каналов состоят из четырех субъединиц (I-IV), каждая из которых включает шесть альфа - спиральных доменов, пронизывающих клеточную мембрану. Кроме того, N- и С-концы обоих каналов находятся в цитоплазме.

Выделяют четыре типа ионных каналов в зависимости от стимула, регулирующего их открытие и закрытие. Кальциевые каналы относятся к каналам, управляемым лигандом. Ионный канал открывается благодаря энергии связывания с лигандом (А). В каналах, управляемых фосфорилированием (Б), открытие происходит благодаря присоединению к ним высокоэнергетического фосфата. Каналы, управляемые электрически (В), открываются при изменении мембранного электрического потенциала. Механически управляемые каналы открываются в ответ на растяжение или давление на мембрану клетки и цитоскелет (Г).

Активность разных каналов может изменяться также под воздействием не только метаболических факторов, но токсинов и лекарственных веществ. Некоторые иммунные заболевания, такие как злокачественная миастения, возникают в результате выработки специфических антител против канальных белков.

А. Управляемый лигандом

Б. Управляемый фосфорилированием

В. Управляемый электрически

Г. Управляемый механически

3. Каталитические рецепторы.

Их достаточно много. Эти рецепторы обладают ферментативной активностью. Пример (рис). Трансмембранный каталитический рецептор инсулина, обладающий ферментативной активностью. Рецептор инсулина представляет собой тирозиновую протеинкиназу (ТП), т.е. протеинкиназу, фосфорилирующую белки по OH-группам тирозина.

Рецептор состоит из 2a и 2 b-субъединиц, связанных дисульфидными связями и нековалентными взаимодействиями. Вне мембраны находятся a-субъединицы. Центр связывания инсулина образуют N-концевые домены a-субъединиц, а b-субъединицы пронизывающие мембранный бислой, не участвуют в связывании инсулина.

Каталитический центр тирозиновой протеинкиназы находится на внутриклеточных доменах b-субъединиц. Присоединение инсулина к центру связывания на a-субъединицах единицах активирует фермент, причем субстратам служит сама ТП, т.е. происходит аутофосфорилирование: Фосфорилируются b-субъединицы по нескольким тирозиновым остаткам. Это, в свою очередь, приводит к изменению субстратной специфичности ТП; теперь она способна фосфорилировать другие внутриклеточные белки. Активация и изменение специфичности обусловлена информационными изменениями рецептора инсулина после связывания инсулина и аутофосфорилирования. Фосфорилирование внутриклеточных белков, участвующих в регуляции клеточных процессов, меняет их активность.

Механизм передачи сигнала, не связанный с поверхностными рецепторами клетки.

К рецепторам, не связанным с поверхностью клетки, относится семейство липофильных рецепторов.

Лигандами этого семейства являются:

Стероиды, например, глюкокортикоиды, минералокортикоиды и половые стероиды;

Тиреоидный гормон, тироксин;

Витамин D и ретиноиды, большая группа молекул, структурно родственных витамину А

Эти лиганды достаточно липофильны для того, чтобы пройти через липидный бислой и войти в цитозоль. Пустые рецепторы этого семейства часто находятся в цитозоле, где образуют комплексы с другими белками, или на ядерной мембране.

Строение цитоплазматического рецептора.

Цитозольные рецепторы находятся в составе крупных белковых комплексов - шаперонов. Эти рецепторы тоже обладают тремя функциональными доменами: С-концевой домен связывает гормон, центральный домен связывается с короткой специфической областью ДНК в области промотора, N- концевой домен связывается с другими факторами транскрипции.

На рисунке показана модель взаимодействия цитоплазматического рецептора со специфическими последовательностями, расположенными на обеих цепях ДНК. В данном представлении гормон, связанный с рецептором, не виден.

Этапы передачи сигнала с помощью внутриклеточных рецепторов (на примере стероидных гормонов).

Связывание гормона с рецептором приводит к высвобождению шаперонов, затем гормон -рецепторный комплекс транспортируется в ядро и связывается со специфическими последовательностями ДНК - энхансером или сайленсером.

Увеличивается (при взаимодействии с энхансером) или уменьшается (при взаимодействии с сайленсером) сродство промотора к РНК-полимеразе. Соответственно увеличивается или уменьшается скорость транскрипции структурных генов. Увеличивается или уменьшается скорость трансляции.

Изменяется количество белков, которые могут влиять на метаболизм и функциональное состояние клетки. Эффекты гормонов, которые передают сигнал на внутриклеточные рецепторы, нельзя наблюдать сразу, так как на матричные процессы - транскрипцию и трансляцию - требуется несколько часов..

Мембранный транспорт

Транспорт веществ внутрь и наружу клетки, а также между цитоплазмой и различными субклеточными органеллами (митохондриями, ядром и т.д.) обеспечивается мембранами. Если бы мембраны были глухим барьером, то внутриклеточное пространство оказалось бы недоступным для питательных веществ, а продукты жизнедеятельности не могли бы быть удалены из клетки. В то же время при полной проницаемости было бы невозможно накопление определенных веществ в клетке. Транспортные свойства мембраны характеризуются полупроницаемостью: некоторые соединения могут проникать через нее, а другие - нет:

Проницаемость мембран для различных веществ

Одной из главных функций мембран является - регуляция переноса веществ. Существуют два способа переноса веществ через мембрану: пассивный и активный транспорт:

Пассивный транспорт. Если вещество движется через мембрану из области с высокой концентрацией в сторону низкой концентрации (т.е. по градиенту концентрации этого вещества) без затраты клеткой энергии, то такой транспорт называется пассивным, или диффузией. Различают два типа диффузии: простую и облегченную.

Простая диффузия характерна для небольших нейтральных молекул (H2O, CO2, O2), а также гидрофобных низкомолекулярных органических веществ. Эти молекулы могут проходить без какого-либо взаимодействия с мембранными белками через поры или каналы мембраны до тех пор, пока будет сохраняться градиент концентрации.

Облегченная диффузия. Характерна для гидрофильных молекул, которые переносятся через мембрану также по градиенту концентрации, но с помощью специальных мембранных белков - переносчиков. Для облегченной диффузии, в отличие от простой, характерна высокая избирательность, так как белок переносчик имеет центр связывания комплементарный транспортируемому веществу, и перенос сопровождается конформационными изменениями белка. Один из возможных механизмов облегченной диффузии может быть следующим: транспортный белок (транслоказа) связывает вещество, затем сближается с противоположной стороной мембраны, освобождает это вещество, принимает исходную конформацию и вновь готов выполнять транспортную функцию. Мало известно о том, как осуществляется передвижение самого белка. Другой возможный механизм переноса предполагает участие нескольких белков-переносчиков. В этом случае первоначально связанное соединение само переходит от одного белка к другому, последовательно связываясь то с одним, то с другим белком, пока не окажется на противоположной стороне мембраны.