Регуляция клеточных функций. Регуляторные воздействия на клеточную мембрану. Мембранный потенциал.

Обновлено: 01.05.2024

В настоящее время наибольшим признанием пользуется жидкостно-мозаичная модель мембраны, предложенная С. Сингером и Г. Николсоном в 1972 г. Основу мембраны составляет двойной слой фосфолипидов (бислой), гидрофобные фрагменты молекулы которого погружены в толщу мембраны, а полярные гидрофильные группы ориентированы наружу, т.е. в окружающую водную среду (рис. 2).

Мембранные белки локализованы на поверхности мембраны или могут быть внедрены на различную глубину в гидрофобную зону. Некоторые белки пронизывают мембрану насквозь, и различные гидрофильные группы одного и того же белка обнаруживаются по обе стороны клеточной мембраны. Белки, обнаруженные в плазматической мембране, играют очень важную роль: они участвуют в образовании ионных каналов, играют роль мембранных насосов и переносчиков различных веществ, а также могут выполнять рецепторную функцию.

Основные функции клеточной мембраны: барьерная, транспортная, регуляторная, каталитическая.

Барьерная функция проявляется в ограничении проникновения через мембрану растворенных в воде соединений. Мембрана непроницаема для крупных белковых молекул и органических анионов.

Регуляторная функция мембраны состоит в регуляции внутриклеточного метаболизма в ответ на химические, биологические и механические воздействия. Различные воздействия воспринимаются специальными мембранными рецепторами с последующим изменением активности ферментов.

Транспортная функция через биологические мембраны может осуществляться пассивно (диффузия, фильтрация, осмос) или с помощью активного транспорта.

Виды активного и пассивного транспорта веществ через клеточную мембрану.

Пассивный транспорт осуществляется через ионные каналы с помощью или без помощи белков-переносчиков, а его движущей силой является разность электрохимических потенциалов ионов между внутри- и внеклеточным пространством. Избирательность ионных каналов определяется его геометрическими параметрами и химической природой групп, выстилающих стенки канала и его устье. Диффузия - движение газа или растворимого вещества по концентрационному и электрохимическому градиенту. Скорость диффузии зависит от проницаемости клеточной мембраны, а также градиента концентрации для незаряженных частиц, электрического и концентрационного градиентов для заряженных частиц. Простая диффузия происходит через липидный бислой или через каналы. Заряженные частицы движутся согласно электрохимическому градиенту, а незаряженные — химическому градиенту. Например, простой диффузией через липидный слой мембраны проникают кислород, стероидные гормоны, мочевина, спирт и т.д. Через каналы перемещаются различные ионы и частицы. Ионные каналы образованы белками и подразделяются на управляемые и неуправляемые каналы. В зависимости от селективности различают ионоселективные канаты, пропускающие только один ион, и каналы, не обладающие селективностью. Каналы имеют устье и селективный фильтр, а управляемые каналы — и воротный механизм.

Облегченная диффузия - процесс, при котором вещества переносятся через мембрану с помощью специальных мембранных белков- переносчиков. Таким путем в клетку проникают аминокислоты и моносахара. Этот вид транспорта происходит очень быстро.

Осмос - движения воды через мембрану из раствора с более низким в раствор с более высоким осмотическим давлением.

Активный транспорт - перенос веществ против градиента концентрации с помощью транспортных АТФаз (ионных насосов). Этот перенос происходит с затратой энергии.

В большей мере изучены Na + /K + -, Са 2+ - и Н + -насосы. Насосы располагаются на клеточных мембранах.

Разновидностью активного транспорта являются эндоцитоз и экзоцитоз. С помощью этих механизмов транспортируются более крупные вещества (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты), которые не могут переноситься по каналам. Этот транспорт более распространен в эпителиальных клетках кишечника, почечных канальцев, эндотелии сосудов.

При эндоцитозе клеточные мембраны образуют впячивания внутрь клетки, которые отшнуровываясь, превращаются в пузырьки. При экзоцитозе пузырьки с содержимым переносятся к клеточной мембране и сливаются с ней, а содержимое пузырьков выделяется во внеклеточную среду.

Регуляция клеточных функций. Регуляторные воздействия на клеточную мембрану. Мембранный потенциал.

Мембранный потенциал и электрохимический градиент

• Мембранный потенциал возникает за счет электрохимического градиента, который существует по обеим сторонам мембраны, селективно проницаемой для ионов

• Величина мембранного потенциала как функции концентрации ионов рассчитывается по уравнению Нернста

• В клетке поддерживается отрицательное значение мембранного потенциала покоя. При этом внутренняя среда клетки, по сравнению с внешней, характеризуется несколько большим отрицательным зарядом

• Существование мембранного потенциала является необходимым условием генерации электрических сигналов, а также направленного транспорта ионов через мембрану

Важным свойством клеток является способность поддерживать такие внутриклеточные концентрации метаболитов, которые существенно отличаются от их содержания во внеклеточной среде. В случае ионов, различия в их концентрации по обеим сторонам мембраны приводят к различиям в электрическом заряде: внутриклеточная среда заряжена несколько более отрицательно, чем среда снаружи клетки. Совместное действие разности зарядов и концентраций проводит к возникновению электрохимического градиента. Электрохимический градиент поддерживается за счет действия селективных каналов и белков переносчиков в плазматической мембране.

Для того чтобы понять, каким образом возникает электрохимический градиент, вначале рассмотрим простой случай, когда мембрана оказывается проницаемой только для одного вида ионов. На рисунке ниже представлены два компартмента, А и В, разделенные тонкой мембраной. Эти компартменты содержат раствор КС1 разной концентрации. В растворе хлорид калия диссоциирован на гидратированные ионы К+ и Cl-. Поскольку оба компартмента содержат эквимолярные концентрации ионов, то каждый обладает нейтральным зарядом.

Если бы мембрана была непроницаема для ионов, то величина ее электрического потенциала, измеренная с помощью вольтметра, равнялась бы нулю.

Селективное передвижение ионов через мембрану вызывает изменение мембранного потенциала.

Теперь рассмотрим случай, когда мембрана проницаема только для ионов калия (например, когда в мембране находятся К+-каналы). Диффузия растворенных веществ по градиенту концентрации является энергетически выгодным процессом (выражается в виде отрицательной величины разности энергии AG). Поэтому ионы К+ будут диффундировать в сторону более низкой их концентрации, т. е. из компартмента В в компартмент А. При этом распределение заряда на мембране будет меняться. По мере накопления в компартменте А положительно заряженных ионов, возрастают силы отталкивания между ними. Эти силы затрудняют переход ионов К+ в компартмент А.

Когда в системе достигается электрохимическое равновесие, градиенты концентрации и электрических зарядов взаимно уравновешиваются, и движение ионов К+ через мембрану прекращается. При этом транспорт ионов К+ из одного компартмента сдерживается их транспортом из другого компартмента.

Однако в компартменте А содержится больше положительно заряженных ионов, чем в компартменте В. Этот избыток ионов К+ (в компартменте А) взаимодействует с избытком ионов Cl- (в компартменте В) через тонкую мембрану, в результате чего по обеим ее сторонам выстраиваются электрические заряды. Разница зарядов по обеим сторонам мембраны выражается в виде разности потенциалов и называется мембранный потенциал. Равновесный (мембранный) потенциал компартмента В по отношению к компартменту А имеет отрицательное значение.

Этот пример иллюстрирует необходимость наличия двух условий, необходимых для возникновения мембранного потенциала клетки, не равного нулю:
• различные концентрации ионов по обеим сторонам мембраны, которые приводят к разделению зарядов и
• мембрана, обладающая селективной проницаемостью по крайней мере к одному виду ионов.

Поэтому величина мембранного потенциала является функцией концентрации ионов. В состоянии равновесия эту функцию для ионов X можно выразить количественно с помощью уравнения Нернста:

• Е — равновесный потенциал (в вольтах)
• R — универсальная газовая постоянная (2 кал моль -1 К -1 )
• Т — абсолютная температура (К; 37 °С = 307,5 К)
• z — валентность ионов (электрический заряд)
• F — число Фарадея (2,3 х 10 4 кал вольт -1 моль -1 )
• [Х]А — концентрация свободных ионов X в компартменте А
• [Х]в — концентрация свободных ионов X в компартменте В

В формировании мембранного потенциала в клетках животных, главным образом, участвуют ионы К+, Na+ и Cl-. Ионы Са2+ и Mg2+ в меньшей степени участвуют в формировании мембранного потенциала покоя. Плазматическая мембрана обладает селективной проницаемостью к перечисленным ионам (т. е. мембрана содержит ионные каналы, селективные к каждому типу ионов). Это обстоятельство, а также мембранная проницаемость (Р) для каждого иона учитывается в уравнении Гольдмана-Ходжкина-Каца, которое представляет собой расширенную форму уравнения Нернста.

Для основных ионов это уравнение выражает мембранный потенциал как функцию их проницаемости и концентрации внутри (i) и снаружи (о) клетки:

Величина отрицательного мембранного потенциала покоя зависит от типа клеток и колеблется от -200 мВ до -20 мВ. В клетках млекопитающих мембранный потенциал покоя в основном создается при работе К+-каналов и ионного насоса, который называется Na+/К+-АТФаза. Основной вклад в формирование отрицательного мембранного потенциала вносит небольшой поток ионов К+ через плазматическую мембрану. Этот поток осуществляется через К+-каналы, лишенные воротного механизма (т. н. калиевые каналы покоя).

В отличие от большинства других К+-каналов, которым необходим сигнал для открытия, эти каналы в клетке, обладающей определенным потенциалом покоя, открыты постоянно. В покоящейся клетке также открыты несколько каналов для других ионов. Движение ионов К+ из клетки, по направлению электрохимического градиента, помогает клеточному содержимому поддерживать отрицательный заряд. Пока мы не знаем всех источников ионов калия, которые участвуют в этом процессе. В некоторых клетках, например у растений и бактерий, а также в митохондриях, мембранный потенциал покоя создается за счет градиента протонов, а не ионов К+.

Для того чтобы происходила диффузия ионов К+ из клетки через К+-каналы, их концентрация в клетке должна быть выше, чем в окружающей среде. Градиент концентрации создается в результате работы Na+/К+-АТФа-зы, которая закачивает в клетку два иона калия на каждые три иона натрия, которые этот ионный насос удаляет из клетки. Поэтому насос функционирует как генератор заряда: удаляется больше электрических зарядов, чем привносится к клетку. Таким образом, наряду с K+-каналами, лишенными воротного механизма, Na+/К+-АТФазы участвуют в создании отрицательного внутриклеточного потенциала. Если происходит инактивация Na+/K+-АТФаз, то концентрации ионов Na+ и К+ по обе стороны мембраны уравниваются. Это происходит потому, что липидный бислой очень плохо пропускает ионы. Иными словами, без прохождения первичных процессов активного транспорта с участием Na+/К+-АТФаз значение мембранного потенциала равнялось бы нулю.

Мембранный потенциал покоящейся клетки представляет собой довольно постоянную величину. Однако при связывании лигандов, механическом стрессе или при изменении электрического заряда происходит открытие специфических ионных каналов, и мембранный потенциал изменяется. Если ионные каналы находятся под контролем электрического заряда, то изменения мембранного потенциала влияют на прохождение через них ионов. Открытие и закрытие канала контролируются воротным механизмом (гейтингом). Мембранный потенциал зависит от тех ионов, для которых каналы в основном, открыты. Например, при открытии Na+- или Са2+-каналов происходит деполяризация мембраны.

При этом соответствующие ионы начинают поступать в клетку в направлении их электрохимического градиента. Это приводит к тому, что мембранный потенциал становится более положительным. Напротив, при реполяризации мембраны (гиперполяризации) потенциал становится еще более отрицательным. Это происходит при открытии калиевых каналов и выходе из клетки ионов К+ в направлении градиента, что и влечет за собой увеличение отрицательного мембранного потенциала. Движение ионов по ионным каналам происходит быстро и исчисляется миллисекундами. Для изменения мембранного потенциала достаточны лишь незначительные различия в концентрации ионов по сторонам мембраны, и основная концентрация их в клетке не меняется.
Поток лишь 10 -12 моль К+ через 1 см2 мембраны приводит к ее быстрой гиперполяризации и к установлению мембранного потенциала, равного -100 мВ. Локальное передвижение относительно небольших зарядов через мембрану позволяет цитозолю и внеклеточной среде оставаться электрически нейтральными и сводит к минимуму электрическое отталкивание зарядов.

С энергетической точки зрения, мембранный потенциал представляет собой некий энергетический резервуар, энергию которого можно использовать для выполнения определенной работы. По расположению отрицательно заряженных ионов в цитозоле и положительно заряженных на наружной стороне мембраны, клетка напоминает электрический конденсатор или батарею, т. е. приспособление, способное сохранять электрическую энергию и служить ее источником. Энергия высвобождается в виде ионов, мигрирующих по направлению их электрохимического градиента, и может использоваться в процессах транспорта других ионов или метаболитов против градиента концентрации.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Строение клеточной мембраны нейрона. Мембранный потенциал покоя

Плазматическая мембрана всех клеток, в том числе и нейронов, представлена двойным слоем (бислоем) фосфолипидов, в котором «головки» фосфолипидов обращены к водной среде внеклеточных и внутриклеточных пространств, а парные «хвосты» погружены внутрь и образуют липидную мембрану. Фосфатный слой растворим в воде (гидрофильный, или полярный), а двойной липидный слой — нерастворим (гидрофобный, или неполярный).

Внеклеточная и внутриклеточная жидкости представляют собой водно-солевые растворы, в которых множество растворимых молекул диссоциируют на положительно и отрицательно заряженные атомы,— ионы. Ионы и молекулы водных растворов находятся в состоянии постоянного возбуждения и осуществляют процесс диффузии—движения из областей высокой концентрации в область меньшей концентрации. Диффузия ионов происходит не только по градиенту концентрации, но и под влиянием электрических градиентов. Положительно заряженные ионы, например ионы натрия (Na + ) и калия (К + ), называют катионами, поскольку в электрическом поле они движутся к катоду.

Отрицательно заряженные ионы, например ионы хлора (Cl - ), называют анионами, так как они движутся к аноду. Одноименные заряды (например, Na + и К + ) отталкиваются, а разноименные (например, Na + и Cl - ) — притягиваются.

Клеточную мембрану можно рассматривать в качестве электрического конденсатора, поскольку она состоит из двух противоположно заряженных слоев, между которыми расположен изолирующий липидный слой. Электрический потенциал тканевой жидкости на плазматической мембране стремится к нулю (0 мВ) за счет нейтрализующих влияний анионов Cl - на катионы Na + (и другие катионы), а в цитозоле — за счет влияний белков-анионов на катионы К + .

Строение клеточной мембраны нейрона.
Изображены мембранные белки, образующие ионные каналы.

а) Ионные каналы. Ионные каналы представляют собой трансмембранные белки, в центре которых находятся отверстия, по которым осуществляется транспорт ионов через клеточную мембрану. Большинство ионных каналов селективно пропускает определенные ионы, например, Na + , К + , Cl - . Выделяют несколько видов ионных каналов, из которых наиболее значимы первые три типа из следующих:

• Неуправляемые (независимые) ионные каналы постоянно находятся в открытом состоянии и осуществляют трансмембранный перенос ионов, создавая потенциал покоя на мембранах нейронов.

• Потенциалозависимые (потенциал-управляемые) ионные каналы содержат потенциалчувствительную цепь аминокислот, регулирующую открытие и закрытие отверстий ионных каналов в зависимости от изменений мембранного потенциала. Потенциал-управляемые ионные каналы играют важную роль в формировании потенциала действия.

• Энергозависимые транспортеры — ионные обменники (насосы) — обеспечивают постоянство концентраций ионов. Натрий-калиевый насос обеспечивает поддержание потенциала покоя.

• Хемоуправляемые (медиаторозависимые) ионные каналы нервной системы обеспечивают временное преобразование мембранного потенциала. В основном эти каналы представлены на постсинаптических мембранах. Активация хемоуправляемых ионных каналов может осуществляться молекулами медиаторов напрямую или опосредованно.

• Механочувствительные каналы активируются под действием физических раздражителей, вызывая деполяризацию мембраны и образование потенциалов действия, что обеспечивает восприятие определенных сигналов нервной системой. Каждый рецептор осуществляет преобразование специфических сигналов, например изменения длины или сократимости мышечных волокон, температурной и тактильной чувствительности кожи, хемочувствительности полости носа и рта или электромагнитных импульсов сетчатки.

На рисунке ниже изображены три неуправляемых ионных канала, обеспечивающих развитие потенциала покоя.

Если бы пассивная диффузия различных ионов через соответствующие им каналы осуществлялась свободно в одинаковом объеме, то не существовало бы разницы зарядов внутри и снаружи мембраны. В действительности проницаемость плазматической мембраны для ионов К + и Cl - намного выше, чем для ионов Na + , поскольку количество ионных каналов различается: калиевые каналы наиболее многочисленны, количество хлорных каналов вдвое меньше, а натриевые каналы встречают реже всего.

В состоянии покоя ионы Na + и Cl - сконцентрированы на внешней стороне плазматической мембраны за счет взаимного притяжения и образования толстой гидратной оболочки вокруг ионов Na + .
Ионы К + сконцентрированы на внутренней стороне плазматической мембраны за счет притяжения к белкам-анионам (Б - ).
Стрелками показано направление ионных градиентов концентрации.

б) Мембранный потенциал покоя. Мембранный потенциал невозбужденного нейрона (находящегося в состоянии покоя) формируется за счет разницы концентраций ионов Na + и К + во внеклеточной жидкости и цитозоле. Концентрация ионов К + в цитозоле выше, чем во внеклеточной жидкости в 20 раз, в то время как концентрация ионов Na + и Cl - во внеклеточной жидкости выше, чем в цитозоле в 10 и 3,8 раз, соответственно. Это обусловлено тем, что ионы К + под действием химических движущих сил переносятся из клетки в межклеточную жидкость, а ионы Na+ и Cl - — в обратном направлении.

На рисунке ниже показан вольтметр, электроды которого погружены в окружающую аксон внеклеточную жидкость. Один из электродов находится в стеклянной пипетке с тонким кончиком. В левой части рисунка, где оба электрода погружены во внеклеточную жидкость, разница электрического напряжения отсутствует, и вольтметр регистрирует нулевой показатель. В правой части рисунка пипетка проникает через плазматическую мембрану аксона в цитозоль, что позволяет оценить электрический заряд внутриклеточной жидкости. В данном случае разность электрических потенциалов составляет -70 мВ, однако у разных нейронов она может варьировать от -60 до -80 мВ.

Этот показатель отражает мембранный потенциал покоя, т.е. потенциал мембраны аксона, который не проводит электрические импульсы.

Мембранный потенциал покоя.
(1) Оба электрода вольтметра погружены во внеклеточную жидкость, окружающую аксон. Конец левого электрода находится в стеклянной пипетке.
Разница электрических потенциалов не регистрируется; на графике отмечены нулевые показатели.
(2) При опускании пипетки (направление указано стрелкой) производят пункцию плазматической мембраны для забора внутриклеточной жидкости.
Регистрируется разница электрических потенциалов величиной -70 мВ.

в) Проницаемость мембраны в состоянии покоя: 1. Ионы К + . На уровне ионного канала перемещение ионов К + осуществляется под электрическими влияниями притягивающего действия белков-анионов на внутренней стороне мембраны и отталкивающего действия ионов Na + на ее наружной стороне; при отсутствии этих факторов концентрация ионов К + на разных сторонах плазматической мембраны была бы одинаковой.

Концентрационный градиент на внешней стороне плазматической мембраны и электрический градиент потенциала на внутренней ее стороне уравновешиваются, когда мембранный потенциал достигает определенной величины, которую называют равновесным потенциалом для ионов К + (E_k). Его величина может быть рассчитана из уравнения Нернста, которое позволяет представить электрический градиент потенциала иона через его концентрационный градиент на основании законов термодинамики:

где E_k — равновесный потенциал для ионов К + (мВ)

R — газовая постоянная (8,31 Дж/(моль/°К)

Т — абсолютная температура в градусах Кельвина (310 К = 37 °С) F — число Фарадея (96500 Кл/моль)

Z_k — валентность ионов К + (+1)

ln — натуральный логарифм

[К + ]₀ — концентрация ионов K + с наружной стороны мембраны

[К + ]_i — концентрация ионов К + с внутренней стороны мембраны.

Переведем натуральный логарифм в десятичный и рассчитаем значение показателя дроби:

Рассчитаем эти же значения для ионов Na + и Cl - :

Для расчета мембранного потенциала покоя применяют уравнение Гольдмана, учитывающее проницаемость мембраны для трех основных ионов и их приблизительное количество.

где ПП — потенциал покоя

62 — RT/Fx2,3 (постоянная для перевода натурального логарифма в десятичный)

Р — константа проницаемости мембраны для каждого из ионов (соответствует приблизительному количеству ионных каналов) о, i—концентрации ионов на внешней и внутренней сторонах мембраны, соответственно; концентрация отрицательно заряженных ионов Cl - внутри клетки расположена в числителе, а снаружи — в знаменателе дроби, поскольку log (X/Y) = log (Y/X).

Квадратными скобками обозначены концентрации ионов.

Уравнение Гольдмана сходно с уравнением Нернста, однако в нем перемножаются проницаемость мембраны для каждого иона и его концентрация; это уравнение применяют для установления потенциала «реверсии» через плазматическую мембрану с учетом ее проницаемости для разных ионов. Влияние ионов С1" на потенциал покоя имеет второстепенное значение, поскольку равновесный потенциал и потенциал покоя ионов Cl - приблизительно равны. Значение потенциала покоя в среднем составляет -70 мВ, и обеспечивается за счет суммарного влияния ионов К + и Na + .

Натрий-калиевый насос.
На рисунке показан одновременный перенос трех ионов Na + из клетки в обмен на два иона К + в клетку.
Б - — белок-анион.

2. Натрий-калиевый насос. Под влиянием градиента концентрации происходит непрерывное перемещение ионов Na + внутрь клетки, а ионов К + — наружу, что нарушает постоянство потенциала покоя. Поддержание этого равновесия обеспечивает натрий-калиевый насос, корректирующий пассивное движение ионов. Натрий-калиевый насос представляет собой канал, способный перемещать ионы Na + наружу, а ионы К + — внутрь клетки. Во время работы насоса происходит перенос трех ионов Na + из клетки на каждые два иона К + в клетку.

Перенос обоих катионов осуществляется против градиента концентрации за счет энергии превращения АТФ в АДФ ферментом АТФазой. Активация этого фермента происходит при повышении концентрации ионов Na + в цитозоле.

Аксональная дегенерация при рассеянном склерозе возникает вследствие нарушения работы натрий-калиевого насоса в демиелинизированной аксолемме, что вызывает увеличение концентрации ионов Na + , которое в свою очередь приводит к повышению высвобождения ионов Са 2+ из внутриклеточного пула.

Функции биологических мембран

1.Барьерная функция выражается в том, что мембрана при помощи соответствующих механизмов участвует в создании концентрационных градиентов, препятствуя свободной диффузии. При этом мембрана принимает участие в механизмах электрогенеза. К ним относятся механизмы создания потенциала покоя, генерация потенциала действия, механизмы распространения биоэлектрических импульсов по однородной и неоднородной возбудимым структурам. Для клеток и субклеточных частиц М.б. служат механическим барьером, отделяющим их от внешнего пространства.

2.Регуляторная функция клеточной мембраны заключается в тонкой регуляции внутриклеточного содержимого и внутриклеточных реакций за счет рецепции внеклеточных биологически активных веществ, что приводит к изменению активности ферментных систем мембраны и запуску механизмов вторичных «месенджеров» («посредников»).

3.Преобразование внешних стимулов неэлектрической природы в электрические сигналы (в рецепторах).

4.Высвобождение нейромедиаторов в синаптических окончаниях.

5. Перенос веществ через М.б. сопряжен с такими важнейшими биологическими явлениями, как внутриклеточный гомеостаз ионов, биоэлектрические потенциалы, возбуждение и проведение нервного импульса, запасание и трансформация энергии и т.п.. Различают пассивный и активный транспорт (перенос) нейтральных молекул, воды и ионов через М.б. Пассивный транспорт не связан с затратами энергии, он осуществляется путем диффузии по концентрационным, электрическим или гидростатическим градиентам. Активный транспорт осуществляется против градиентов, связан с затратой энергии (преимущественно энергии гидролиза АТФ) и сопряжен с работой специализированных мембранных систем (мембранных насосов). Различают несколько видов транспорта. Если вещество транспортируется через мембрану независимо от наличия и переноса других соединений, то такой вид транспорта называют юнипортом. Если перенос одного вещества сопряжен с транспортом другого, то говорят о котранспорте, причем однонаправленный перенос называется симпортом, а противоположно направленный — антипортом. В особую группу выделяют перенос веществ путем экзо- и пиноцитоза.

6. Способность генерировать биоэлектрические потенциалы и проводить возбуждение.Возникновение биоэлектрических потенциалов связано с особенностями строения биологических мембран и с деятельностью их транспортных систем, создающих неравномерное распределение ионов по обе стороны мембраны.

7. Метаболические функции мембран определяются двумя факторами: во-первых, связью большого числа ферментов и ферментативных систем с мембранами, во-вторых, способностью мембран физически разделять клетку на отдельные отсеки, отграничивая друг от друга метаболические процессы, протекающие в них. Метаболические системы не остаются при этом полностью изолированными. В мембранах, разделяющих клетку, имеются специальные системы, обеспечивающие избирательное поступление субстратов, выделение продуктов, а также движение соединений, обладающих регуляторным действием.

8. Клеточная рецепция и межклеточные взаимодействия. Под этой формулировкой объединен весьма обширный и разнообразный набор важных функций клеточных мембран, определяющих взаимодействие клетки с окружающей средой и формирование многоклеточного организма как единого целого. Молекулярно-мембранные аспекты клеточной рецепции и межклеточных взаимодействий касаются, прежде всего, иммунных реакций, гормонального контроля роста и метаболизма, закономерностей эмбрионального развития.

Транспорт ионов через мембрану

Различают пассивный и активный транспорт (перенос) нейтральных молекул, воды и ионов через М.б.

· Пассивный транспорт не связан с затратами энергии, он осуществляется путем диффузии по концентрационным, электрическим или гидростатическим градиентам.

· Активный транспорт осуществляется против градиентов, связан с затратой энергии (преимущественно энергии гидролиза АТФ) и сопряжен с работой специализированных мембранных систем (мембранных насосов).

Различают несколько видов транспорта. Если вещество транспортируется через мембрану независимо от наличия и переноса других соединений, то такой вид транспорта называют юнипортом. Если перенос одного вещества сопряжен с транспортом другого, то говорят о котранспорте, причем однонаправленный перенос называется симпортом, а противоположно направленный — антипортом. В особую группу выделяют перенос веществ путем экзо- и пиноцитоза.

Пассивный перенос может осуществляться путем простой диффузии через липидный бислои мембраны, а также через специализированные образования — каналы. Путем диффузии через мембрану проникают в клетку незаряженные молекулы, хорошо растворимые в липидах, в т.ч. многие яды и лекарственные средства, а также кислород и углекислый газ. Каналы представляют собой липопротеиновые структуры, пронизывающие мембраны. Они служат для переноса определенных ионов и могут находиться в открытом или закрытом состоянии. Проводимость канала зависит от мембранного потенциала, что играет важную роль в механизме генерации и проведения нервного импульса.

В ряде случаев перенос вещества совпадает с направлением градиента, но существенно превосходит по скорости простую диффузию. Этот процесс называют облегченной диффузией; он происходит с участием белков-переносчиков. Процесс облегченной диффузии не нуждается в энергии. Этим способом транспортируются сахара, аминокислоты, азотистые основания. Такой процесс происходит, например, при всасывании сахаров из просвета кишечника клетками эпителия.

Перенос молекул и ионов против электрохимического градиента (активный транспорт) связан со значительными затратами энергии.

В плазматических мембранах клеток различных органов обнаружены системы активного транспорта ионов натрия и калия — натриевый насос. Эта система перекачивает натрий из клетки и калий в клетку (антипорт) против их электрохимических градиентов. Перенос ионов осуществляется основным компонентом натриевого насоса — Na+, К+-зависимой АТФ-азой за счет гидролиза АТФ. На каждую гидролизующуюся молекулу АТФ транспортируется три иона натрия и два иона калия. Существуют два типа Са2+-АТФ-аз. Одна из них обеспечивает выброс ионов кальция из клетки в межклеточную среду, другая — аккумуляцию кальция из клеточного содержимого во внутриклеточное депо. Обе системы способны создавать значительный градиент иона кальция. К+, Н+-АТФ-аза обнаружена в слизистой оболочке желудка и кишечника. Она способна транспортировать Н+ через мембрану везикул слизистой оболочки при гидролизе АТФ. В микросомах слизистой оболочки желудка лягушки найдена аниончувствительная АТФ-аза, способная при гидролизе АТФ осуществлять антипорт бикарбоната и хлорида.

Мембранные потенциалы

Клеточная мембрана, плазматическая мембрана, плазмолемма – очень тонка, но достаточно прочная оболочка клетки. В животных клетках на наружной поверхности плазмолеммы находится гликопротеидный комплекс толщиной несколько десятков нм, гликокаликс.

Строение. Мембраны состоят из белков, углеводов и липидов. Углеводные компоненты, связанные с молекулами белков и липидов, образуют соответственно гликопротеины и гликолипиды. Структурная основа мембраны – бимолекулярный слой фосфолипидов. Молекулы фосфолипидов амфифильны, то есть одна часть молекулы полярна и несет заряженную группу, и поэтому обладает гидрофильностью, а другая неполярна, обладает гидрофобностью. Липидные бислои стремятся замкнуться сами на себя, чтобы спрятать гидрофобные участки от воды. В результате образуются фосфолипидные везикулы – липосомы. Таким образом, образование липидных мембран –это самопроизвольный процесс. В составе липидов мембраны много холестерина, регулирующего подвижность компонентов бислоя. Белки, входящие в состав мембраны, лишь вкраплены в бислой. По степени гидрофобности различают собственные (интегральные) белки. Они связаны с липидами бислоя прочными гидрофобными взаимодействиями и могут проникать глубоко в липидный бислой или даже пронизывать его насквозь, образуя каналы для транспорта ионов. Переферические белки или полуинтегральные, удерживаются на поверхности бислоязасчет электростатических взаимодействий на уровне полярных головок молекул фосфолипидов.

Функции.

· Барьерная функция: разделение внутреннего объема клетки на отдельные отсеки – компоненты.

· Рецепторная функция: воспринимают гормоны и другие регуляторные молекулы, контролирует взаимодействие клеток со средой и друг с другом, осуществляют транспорт веществ.

· Транспортная функция: осуществляется специализированными структурами, такими как ионные каналы, белки ферменты, транспортная АТФ-азы, благодаря которым обеспечивается избирательная проницаемость мембраны для определенного вида ионов в состоянии покоя и при возбуждении.

Транспорт.

Одной из функций мембраны является транспорт веществ. Жирорастворимые вещества транспортируются, растворяясь в фосфолипидах мембраны. Водорастворимые вещества перемещаются с помощью белков. Если транспорт веществ осуществляется с затратой энергии АТФ, то он называется активным, а если без затраты АТФ — то пассивным. Транспорт одного вещества в одном направлении через каналы или непосредственно через фосфолипиды мембраны называется простой диффузией (унипорт). Транспорт веществ с участием белков-переносчиков называется облегченной диффузией. Транспорт двух веществ в противоположном направлении с помощью белков-переносчиков называется антипорт, в одном направлении — симпорт. Таким образом, транспорт водорастворимых веществ осуществляется либо с помощью белков-переносчиков, либо через каналы.

Ионные каналы.

Каналы мембраны обладают способностью пропускать исключительно ионы и (или) воду. Ионные каналы представлены интегральными белками (гликопротеинами), пронизывающими липидный бислой мембраны. Систематизация и классификация каналов достаточно трудна. В настоящее время существует несколько классификаций каналов, которые в разных соотношениях учитывают свойства каналов, а именно селективность, способ открытия, скорость активации и инактивации, наличие и расположение рецепторов и регуляторных участков, чувствительность к химическим веществам (блокаторам, т. е. антагонистам, и активаторам, т. е. агонистам). Условно каналы делят на неспецифические (неселективные) и специфические (селективные). Существуют неспецифические каналы для ионов калия, натрия и кальция. Специфические каналы пропускают один вид ионов.

Функционально целесообразной является классификация каналов на неуправляемые (нерегулируемые) и управляемые (регулируемые). Представителями первого вида являются калиевые каналы утечки. В покое, при исходном значении мембранного потенциала покоя, они открыты. Токи утечки участвуют в формировании мембранного потенциала покоя. Важным свойством регулируемых каналов является их способность находиться в открытом и закрытом состоянии. В первом состоянии они способны пропускать определенные ионы по их электрохимическому градиенту, во втором — нет. Выделяют два вида каналов в зависимости от природы управляющего фактора.

1. К первому виду относятся каналы, имеющие собственный сенсор внешнего сигнала. Он входит в состав макромолекулы канала. В зависимости от способа управления эти каналы делятся на:

а) потенциал-управляемые (электровозбудимые) — их проводимость зависит от электрического заряда на мембране (№-, К-, Са-, Q-ные). Для открытия этих каналов необходимы значительные сдвиги потенциаламембраны (быстрые электровозбудимые №- и К-каналы, медленные электровозбудимыеСа-№-каналы). Данный вид каналов участвует в формировании потенциала действия;

б) лиганд-управляемые (хемовозбудимые) — открываются и закрываются при воздействии специфических химических веществ (медиаторов). Обеспечивают быструю передачу сигналов в химических синапсах. Эти каналы открываются при связывании с рецептором специфических агонистов — ацетилхолина, глутамата, глицина, гамма-аминомасляной кислоты и называются ионотропными. Примером являются каналы постсинаптической мембраны мионеврального синапса, вегетативных ганглиев;

в) механосенситивные или стреч-каналы — чувствительны к растяжению мембраны. Эти каналы обнаружены как в возбудимых клетках (слуховых клетках, механорецепторах, нейросекреторных клетках, гладкомышечных, кардиомиоцитах), так и невозбудимых (глиальных, сосудистом эндотелии, эритроцитах). Механизм влияния растяжения на вероятность открытия стреч-каналов еще неясен. Во многих клетках были обнаружены как неселективные, так и селективные (для ионов К и Q) стреч-каналы.

2. В каналах второго вида рецептор внешнего сигнала пространственно разобщен с каналом. Взаимодействие рецептора и канала осуществляется с помощью растворимых внутриклеточных вторичных посредников. Эти каналы называются метаботропные. При взаимодействии медиатора с рецептором на мембране активируется G-белок, который, в свою очередь, активирует фермент (аденилатциклазу, фос-фолипазу). В результате в цитоплазме образуются сигнальные молекулы вторичных посредников, которые влияют на проводимость канала.

Мембранные потенциалы

Все клеточные мембраны поляризованы, т. е. регистрируется разность потенциалов между наружной и внутренней стороной мембраны. Эта разность потенциалов получила название мембранный потенциал (МП), а в возбудимых тканях — мембранный потенциал покоя (МПП). Величина МПП возбудимых клеток составляет от -50 мВ до -90 мВ.

Механизм формирования МПП объясняет мембранно-ионная теория. Мембрана клеток возбудимых систем характеризуется наличием градиента катионов и анионов. Внутреннее содержимое клетки представлено преимущественно катионами калия и анионами органических кислот. Снаружи клетки находятся катионы натрия и анионы хлора. В состоянии покоя клеточная мембрана хорошо проницаема для ионов калия (в скелетных мышечных волокнах и для ионов хлора), менее проницаема для ионов натрия и практически непроницаема для анионов органических кислот. Ионы калия по градиенту концентрации путем простой диффузии диффундируют из клетки через калиевые каналы утечки, заряжая наружную поверхность мембраны электроположительно. Анионы органических кислот остаются в клетке, тем самым обеспечивая появление разности потенциалов. Таким образом, внутренняя поверхность мембраны становится электроотрицательной по отношению к наружной ее поверхности. Эта разность потенциалов называется мембранным потенциалом покоя. Возникшая разность потенциалов препятствует дальнейшему выходу ионов калия из клетки, наступает равновесие между диффузией калия из клетки по концентрационному градиенту и входом этих катионов по электрическому градиенту. Мембранный потенциал, при котором достигается это равновесие, называется равновесным калиевым потенциалом. При изменении градиента ионов калия на мембране происходит изменение МПП. Функциональное значение МПП заключается в готовности клетки принимать информацию, т. е. реагировать на воздействия.

В состоянии покоя мембрана нервных клеток незначительно проницаема для ионов натрия и хлора, и вклад этих ионов в формирование МПП в нейронах невелик. Величина МПП нейронов в среднем составляет -70 мВ. Мембрана скелетных мышечных волокон в состоянии покоя относительно хорошо проницаема для ионов хлора, что приводит к увеличению трансмембранной разности потенциалов до -90 мВ. Снижение МПП носит название деполяризация, а его увеличение — гиперполяризация.

Постоянство концентрации ионов калия и натрия на мембране обеспечивается работой натрий-калиевого насоса (натрий-калиевой АТФа-зы). Это интегральный белок, выполняющий функцию транспорта ионов калия в клетку и натрия из клетки. Используя одну молекулу АТФ насос выносит из клетки 3 иона натрия и вносит 2 иона калия. Таким образом, при работе насоса формируется дополнительный заряд мембраны — насосный потенциал. Следовательно, МПП нейрона имеет две составляющих: концентрационный потенциал и насосный потенциал, а натрий-калиевый насос обладает электрогенными свойствами, т. е. при работе формирует дополнительный заряд на мембране. Работа насоса блокируется сердечным гликозидом оуабаином. При блокаде насоса со временем происходит выравнивание концентраций натрия и калия на мембране и, как следствие, снижение МПП. Активация работы насоса происходит при увеличении концентрации натрия внутри клетки и (или) увеличении концентрации калия на наружной поверхности мембраны.

При действии на клетку раздражителя наблюдается быстрое изменение заряда мембраны, снижение ММП и даже изменение заряда на противоположный. Этот процесс получил название процесс возбуждения. Возбуждение может протекать в двух формах: местное возбуждение (локальный ответ, ЛО) и распространяющееся возбуждение (потенциал действия, ПД).

В зависимости от силы раздражители делятся на пороговые, подпороговые и сверхпороговые. Порог раздражения — это минимальная сила раздражителя, которая вызывает ответ клетки в форме ПД. Подпороговые раздражители вызывают местное возбуждение. Раздражители пороговой силы снижают МПП до некоторой величины, которая называется критическим уровнем деполяризации (КУД). При достижении КУД на мембране открываются потенциал-управляемые натриевые и калиевые каналы. Проницаемость мембраны для ионов натрия резко повышается, натрий лавинообразно устремляется внутрь клетки, что вызывает перезарядку мембраны, внутренняя сторона которой становится электроположительной по отношению к наружной. Эта фаза ПД называется быстрая деполяризация. При достижении пика ПД проницаемость мембраны для ионов натрия резко падает, а проницаемость для ионов калия становится максимальной. Ионы калия выходят из клетки черезпотенциал-управляемые каналы, в результате чего происходит восстановление МПП. Эта фаза называется быстрая реполяризация. Амплитуда ПД составляет 100—120 мВ, длительность 2—5 мс. Электровозбудимые натриевые каналы имеют два типа ворот — активационные (m) и инактивационные (h) — и могут находиться в трех состояниях:

· закрыты, готовы к работе (при МПП);

· открыты, т. е. активированы (фаза быстрой деполяризации ПД);

· инактивированы (пик ПД и начало фазы реполяризации).

Электровозбудимые калиевые каналы имеют только один тип ворот (активационные) и поэтому могут находиться в двух состояниях:

· открыты, т. е. активированы (фаза де- и реполяризации).

ПД может сопровождаться следовыми процессами:

· отрицательный следовой потенциал (следовая деполяризация);

· положительный следовой потенциал (следовая гиперполяризация).

Величина порога раздражения определяется соотношением МПП и КУД мембраны: порог = МПП - КУД.

Порог является мерой возбудимости мембраны. Увеличение порога раздражения свидетельствует о понижении возбудимости, понижение порога — о повышении возбудимости мембраны.

При действии на мембрану подпороговых раздражителей деполяризация не достигает критического уровня и ПД не возникает, формируется местное возбуждение. Местное возбуждение обладает следующими свойствами:

1) амплитуда зависит от силы раздражителя;

2) распространяется по мембране с затуханием, т. е. с уменьшением амплитуды;

3) способно к суммации и может перерасти в ПД, если деполяризация достигнет КУД;

4) возбудимость мембраны повышается, т. к. МПП приближается к КУД.

Свойства ПД:

1) возникает при действии пороговых и сверхпороговых раздражителей. Амплитуда не зависит от силы раздражителя. Всегда максимален по величине, т. е. подчиняется закону «Все или ничего»;

2) распространяется по мембране без изменения амплитуды.

Во время развития ПД наблюдается изменение возбудимости мембраны:

а) фаза быстрой деполяризации — возбудимость резко падает. Развивается состояние полной невозбудимости (абсолютный рефрактерный период);

б) фаза быстрой реполяризации — возбудимость постепенно восстанавливается (относительный рефрактерный период);

в) следовая деполяризация — возбудимость повышена;

г) следовая гиперполяризация — возбудимость понижена. Состояние рефрактерностимембраны обусловлено полной или частичной инактивациейэлектровозбудимых натриевых каналов.

Значение рефрактерного периода заключается в обеспечении дискретности ПД. Рефрактерность в свою очередь определяет лабильность возбудимой ткани. Лабильность — это способность возбудимых систем воспроизводить ритм раздражения в свойственных им реакциях. Длительность рефрактерного периода определяет лабильность ткани: чем длиннее рефрактерный период, тем меньше лабильность. Мерой лабильности является максимальная частота элементарных актов возбуждения, которые может воспроизводить возбудимая система в строгом соответствии с ритмом стимуляции. Высокой лабильностью обладают нервные волокна от 500 до 1000 имп/с, меньшей — мышечные — до 250 имп/с, самой низкой лабильностью характеризуется синапс — 100 имп/с.

Функционирование №- и К-электровозбудимых каналов обеспечивает процесс возбуждения в клетках, поэтому большой интерес представляют вещества, изменяющие активность каналов. Часть этих веществ имеют естественное происхождение (природные нейротоксины), часть — синтетические препараты. К природным блокаторам потенциал-управляемых натриевых каналов относится тетродотоксин — алкалоид животного происхождения, выделяемый из рыбы фуку. Этот яд действует снаружи, формируя пробку в канале. По-иному действует батрахотоксин, секрет кожных желез колумбийской лягушки. Он блокирует быструю инактивацию канала, увеличивая период его открытия, что приводит к стойкой деполяризации мембраны. Подобным образом действует растительный алкалоид аконитин. Местные анестетики (новокаин, лидокаин, бензокаин, тетрокаин), которые по химической природе являются третичными аминами, препятствуют генерации ПД в нервных волокнах, встраиваясь между m- и h-воротами. Электровозбудимые калиевые каналы блокирует тетраэтиламмоний.

Законы раздражения

По биологическому значению все раздражители делятся на адекватные и неадекватные. Адекватными называются раздражители, к восприятию которых данная возбудимая структура приспособилась в процессе эволюции. К неадекватным относятся раздражители, не являющиеся в естественных условиях средством возбуждения, однако способные при большой силе вызвать процесс возбуждения. В качестве адекватного раздражителя возбудимых структур в физиологии и медицине используют электрический ток. Для раздражения (стимуляции) нервов или мышц используют приложенный извне электрический ток, во время протекания которого возникает процесс возбуждения.

Читайте также: