Клетку ограничивает тончайшая оболочка толщиной 6— 12 нм — поверхностная мембрана, или плазматическая мембрана, или плазмалемма. В ее состав входят липиды (в основном фосфолипиды), белки (в основном гликопротеины) и углеводы (в основном мукополисахариды). Согласно общепринятой трехмерной жидкостно-мозаичной модели мембраны Сингера—Николсона (1972), ее основу, метрике, образует двойной слой фосфолипидов (рис. 2.1). Механическую прочность липидных слоев мембраны увеличивает холестерол, связывающийся с полярными головками фосфолипидов. В фосфолипидный матрикс полностью (т.е. пронизывая его насквозь) погружены молекулы белков — интегральные белки. Другая группа мембранных белков, которые также частично погружены в мембрану и связаны с ее внешней или внутренней поверхностями, называется поверхностными белками. Интегральные белки выполняют функцию ионных каналов и насосов — переносчиков веществ через мембрану и наряду с поверхностными белками —• функции рецепторов
3 2
химических раздражителей (гормонов, медиаторов, антигеном) и редко — ферментов. Функции поверхностных белков бшнг многочисленны: рецепторные, ферментативные, Сфумурные, сократительные, адгезивные, медиаторные (и качестве вторичных посредников). Углеводы в виде оликк .тхаридных цепей присоединены к белкам (гликопротеиIIi.i) и липидам (гликолипиды) и создают на наружной поперчиости мембран разветвленную сеть рецепторов, участвующих в процессах определения специфичности белковых и kin-точных структур.
Мембраны выполняют следующие функции:
•барьерную, отделяющую внутреннюю среду клетки от окружающей среды, что обеспечивает клетке относительное постоянство состава цитоплазмы, определенный уровень ионной асимметрии с внешней средой, участие в генерации электрических явлений;
•транспортную, связанную с движением ионов через мембрану, т.е. с формированием ионных токов через ионные каналы, насосы и ионообменники;
•рецепторную, благодаря которой клетка реагирует на сигналы внешней среды или изменения состава внутренней среды;
•регуляторную, включающую тонкие изменения активности внутриклеточных ферментных систем в связи с действием биологически активных веществ;
•контактную, благодаря которой обеспечивается механическая связь между клетками, а также их функциональное взаимодействие;
•информационную, выражающуюся в передаче химических, электрических, электромагнитных сигналов от одной клетки к другой.
2.2.1.Транспорт веществ через мембрану
Жизнедеятельность возбудимой клетки связана с поступлением в нее питательных веществ, удалением продуктов обмена веществ, формированием специфических процессов, характеризующих возбуждение и сопровождающихся транспортом ионов через мембрану. Различают пассивный и активный транспорт, а также транспорт макромолекул.
Пассивный транспорт включает в себя фильтрацию, осмос и диффузию. Для создания МПП наиболее существенную роль играет диффузия. Существует несколько видов диффузии.
ж Простая диффузия через липидный матрикс мембраны, с помощью которой проходят малые неполярные молекулы —
33
02 , N2, этанол, эфир, малые полярные молекулы, не имеющие заряда — мочевина, аммиак, С02 , а также жирорастворимые вещества — низкомолекулярные жирные кислоты, гормоны щитовидной железы, стероидные гормоны половых
3.
жПростая диффузия через ионные каналы мембраны обеспечивает движение неорганических ионов по концентрационному или электрохимическому градиенту.
жОблегченная диффузия с помощью переносчиков лежит в основе транспорта большинства полярных молекул соединений среднего размера, не имеющих заряда: глюкозы, аминокислот, нуклеотидов. Как правило, переносчик связывается с определенным веществом или родственной группой веществ. При наличии высоких концентраций вещества возможно ограничение объема и скорости транспорта из-за насыщения переносчиков.
Активный транспорт осуществляет перенос веществ против градиента концентраций и требует затрат энергии. На обеспечение активного транспорта клетки затрачивают от 30 до 70 % энергии, образующейся в процессе жизнедеятельности. Источником энергии для активного транспорта в клетке являются энергия трансмембранных ионных градиентов и энергия связей АТФ. В зависимости от вида используемой для транспорта энергии различают два вида активного транспорта.
жПервично активный транспорт, создаваемый работой мембранных белков-насосов. Эти белки соединяют в себе свойства транспортной системы для переноса ионов и свойства фермента, расщепляющего АТФ. Получаемая энергия
используется насосом для транспорта ионов. В мембранах клеток обнаружены следующие насосы:желез
•К+~, Na+-Hacoc: переносит три Na+ наружу в обмен на два К+ внутрь, т.е. против градиента концентраций; на один цикл работы насоса расходуется 1 мол. АТФ; за
счет работы этого насоса создается концентрационный градиент для Na+ и К+, который используется для формирования МП клетки, а также вторичного активного транспорта;
•Са2+-насос: встроен как в мембрану клетки, так и в мем-
браны клеточных органелл; в связи с высокой активностью Са2+ как регулятора многих процессов, протекаю-
щих в клетке, его внутриклеточная концентрация должна строго контролироваться; насос откачивает Са2+ во внешнюю среду клетки или во внутриклеточные депо;
•Н+-насос-, протонный насос, работающий как в наруж-
ной мембране, так и в мембранах клеточных органелл; переносит Н+ против градиента концентраций из клетки
34
в окружающую среду, например из обкладочных клеток желудка в желудочный сок или из клеток эпителия почечных канальцев в канальцевую мочу.
Вторично активный транспорт использует для переноса веществ энергию градиента концентрации какого-либо иона, например Na+, созданную за счет работы насоса. Таким способом в клетках слизистой кишки или в канальцах почки транспортируются глюкоза и аминокислоты. Натрий, перемещаясь по электрохимическому градиенту молекулой-перенос- чиком, одновременно способствует переносу против градиента концентраций глюкозы или аминокислот, связанных с этим же переносчиком.
Разновидностью вторично активного транспорта является работа систем ионного обмена и систем совместного транспорта. Источником энергии для транспорта одного иона является энергия градиента концентраций другого. Транспорт может осуществляться как в клетку, так и из клетки. Описаны следующие разновидности ионообменников:
• Na+-, Са2+-обмен обеспечивает выкачивание из клетки Са2+ за счет движения Na+ по электрохимическому градиенту внутрь клетки; механизм работает в нейронах, миоцитах, клетках эпителия и эндокринных;
•Na+-, Н+-обмен обеспечивает выведение протонов из клетки в среду за счет энергии градиента натрия; механизм работает в нейронах, клетках печени, мышц, эпителия канальцев нефрона;
•СГ-, НСО j — самый высокоскоростной ионообменник, участвующий в транспорте анионов; обеспечивает по-
глощение эритроцитами образовавшейся в тканях С02 и выход ее из них в виде Н С 0 3 в обмен на поступление С1~; механизм работает, помимо эритроцитов, в миоцитах, эпителиальных клетках почки и кишки;
• Na+-, К'-, О -симпорт группы ионов в одном направлении; источником энергии может быть градиент концентрации любого из этих ионов; направление транспорта определяется состоянием гомеостаза клетки; механизм работает в эритроцитах человека и связан с необходимостью уменьшения концентрации в клетке этих ионов.
Транспорт макромолекул — белков, полисахаридов, нуклеиновых кислот — осуществляется путем эндоцитоза и экзоцитоза.
Эндоцитоз заключается в образовании углубления с последующим отшнуровыванием участка мембраны, с которым контактирует макромолекулярный субстрат. Образовавшиеся эндоцитозные пузырьки транспортируются либо к лизосомам
35
для последующего расщепления вещества лизосомальными ферментами, либо к противоположной стороне клетки и выделяют содержимое путем экзоцитоза. Существует три вида эндоцитоза:
•пиноцитоз — неспецифический захват внеклеточной жидкости с растворенными в ней макромолекулами для использования последних для нужд клетки или для переноса сквозь клетку;
•эндоцитоз, опосредуемый рецепторами, — захват веществ после их взаимодействия с рецепторами мембра-
ны; после впячивания мембраны и ее отшнуровывания образовавшиеся эндосомы транспортируются к лизосомам для ферментативного расщепления; таким образом инактивируются гормоны, иммуноглобулины, антигены;
• фагоцитоз — захват крупных клеточных частиц специализированными клетками — микро- и макрофагами с последующим перевариванием.
Экзоцитоз — выделение из клетки упакованных в гранулы (пузырьки) субстратов путем слияния мембран гранул с мембраной клетки; так выделяются гормоны, медиаторы, пищеварительные соки.
2.2.2.Каналы мембраны
Проницаемость наружной мембраны клетки для различных веществ определяется в основном наличием в ее составе канальных (образующих ионные каналы) и транспортных (образующих ионные насосы) белков. В формировании электрических сигналов ионные каналы играют первостепенную роль, так как ионные токи через каналы в тысячи раз превосходят ионные токи, создаваемые работой насосов.
Ионные каналы мембраны делят на неспецифические (низкоселективные — каналы утечки) и специфические или высокоселективные, обладающие способностью пропускать только определенные ионы. Неспецифические каналы пропускают различные ионы и открыты постоянно. Специфические каналы открываются и закрываются в ответ на изменения МП (эти каналы называются потенциалозависимыми) или в ответ на действие химических веществ (хемозависимые каналы), или в ответ на механическую деформацию мембраны (механочувствительные каналы).
Структурной основой канала является белок, имеющий третичную или четвертичную организацию. Он образует ансамбль из нескольких субъединиц или повторяющихся до-
36