Физиология клетки

Физиология клетки

 

  Клетка, являясь структурной и функциональной единицей организма, обладает основными свойствами, которые характерны для организма в целом. К этим свойствам относятся: обмен веществу возбудимость, способность к размножению. Кроме того, можно отметить специальные свойства клетки — сократимость, проводимость, секрецию и др. Так, в ответ на раздражение нервная клетка посылает нервные импульсы, мышечная клетка сохраняется, а железистая — выделяет секрет.

Клетка в состоянии жить и избегать высыхания только находясь в жидкой среде. Такой средой является тканевая жидкость, с которой контактируют все клетки тела. Тканевая жидкость состоит из воды (растворителя) с растворенными в ней веществами. Тканевая жидкость вместе с кровью и лимфой образуют внутреннюю среду организма.

Обмен веществ. Между клеткой и внутренней средой организма осуществляется обмен веществ. В клетку по цепочке (органы пищеварения кровь -> межклеточное вещество -> клетка) поступают разнообразные вещества. Там из них создаются (синтезируются) сложные органические соединения. Синтез органических веществ в живых организмах называется биосинтезом. Параллельно с образованием новых соединений идут и процессы биологического окисления белков, жиров и углеводов. При этом происходит высвобождение энергии, необходимой для жизнедеятельности клетки, которая накапливается в виде АТФ. Продукты распада удаляются за пределы клетки.

Синтез и распад веществ происходит под действием специальных веществ — ферментов, благодаря которым скорость химических реакций ускоряется во много раз.

 

Возбудимость — свойство клетки отвечать (реагировать) на внешние или внутренние воздействия. Это проявляется в способности клетки переходить из состояния покоя в состояние возбуждения.

 

Размножение (само воспроизводство). Продолжительность жизни различных клеток неодинакова. Например, эпителиальные клетки кишечника живут около суток, клетки кожи — до месяца, некоторые клетки нервной системы — в течение всей жизни человека.

 

Процесс самообновления обеспечивает поддержание относительного постоянства численности клеток. Это происходит за счет отмирания старых клеток и их замещения новыми, образующимися в результате деления. Но не все клетки могут делиться. Например, нейроны этой способности лишены, и поэтому у новорожденных численность нейронов наибольшая. Утрата клеткой способности к делению связана со специализацией клетки к выполнению своей функции.

 Описаны  три способа деления клеток. Большинство  клеток размножается путем непрямого деления, или митоза.

 

В результате митоза получаются две дочерние клетки, содержащие такое же число хромосом, как и у исходной клетки. Для того чтобы дочерняя клетка была сходна с материнской, у них должен быть одинаковый набор хромосом. Вот почему размножение начинается с удвоения числа хромосом, а затем уже ^происходит деление всей клетки. Это отличительная особенность непрямого деления. При митозе между дочерними клетками равномерно распределяются и основные органоиды цитоплазмы.

 

В жизненном цикле размножающихся клеток различают период между делениями и собственно деление. Длительность интервала между делениями в различных клетках колеблется от 10—12 до 20 сут. Длительность самого деления клетки значительно меньше (30—60 мин). Хромосомы неделящейся клетки имеют вид длинных тонких нитей, не закрученных в спираль — деспирализованных. Они не видны в световой микроскоп.

 

В период между делениями клетка продолжает нормально функционировать и готовиться к очередному делению: каждая из 46 хромосом человека достраивается за счет имеющихся в клетке веществ, число хромосом удваивается. Удваиваются и структуры цитоплазмы, центриоли клеточного центра, накапливаются строительные белки, идущие на построение веретена деления, создается необходимый запас энергии.

Процесс деления делится на четыре стадии . В стадии профазы в ядре становятся заметны хромосомы. Ядрышко исчезает, ядерная "оболочка растворяется, и формируется веретено деления. Во время метафазы хромосомы расщепляются вдоль оси и располагаются по экватору веретена. Анафаза — стадия, в ходе которой хромосомы, соединенные до этого в пары, расходятся, просвет между ними увеличивается, а нити веретена растягивают хромосомы каждой пары к противоположным полюсам клетки. На последней стадии митоза — телофазе — хромосомы становятся, едва различимы, происходит образование двух ядер, формируются ядерные и клеточные мембраны.

Клетки, образующиеся в результате митоза, генетически идентичны, поскольку в каждой из них ДНК каждой хромосомы является точной копией ДНК материнской клетки.

Для клеток человеческого организма характерны  также прямое деление, или амитоз, и мейоз.

Амитоз, или прямое деление, характеризуется делением ядра путем перетяжки без образования хромосом. Амитоз может ограничиваться только делением ядра без деления цитоплазмы, что ведет к образованию многоядерных клеток. У человека амитоз встречается в клетках печени, мочевого пузыря, а также при необходимости быстрого восстановления тканей (после операций, травм и т. д.).

Мейоз характерен для половых клеток. В этом случае после деления в каждой клетке содержится половинный набор хромосом.

 

Мембранный потенциал. Потенциал действия, ионные механизмы.

 

Мембранный потенциал (или потенциал покоя) – это разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностью мембраны в состоянии относительного физиологического покоя. Потенциал покоя возникает в результате двух причин:

 

1) неодинакового  распределения ионов по обе  стороны мембраны;

 

2) избирательной  проницаемости мембраны для ионов.

В состоянии покоя мембрана неодинаково проницаема для различных ионов. Клеточная мембрана проницаема для ионов K, малопроницаема для ионов Na и непроницаема для органических веществ.

За счет этих двух факторов создаются условия для движения ионов. Это движение осуществляется без затрат энергии путем пассивного транспорта – диффузией в результате разности концентрации ионов. Ионы K выходят из клетки и увеличивают положительный заряд на наружной поверхности мембраны, ионы Cl пассивно переходят внутрь клетки, что приводит к увеличению положительного заряда на наружной поверхности клетки. Ионы Na накапливаются на наружной поверхности мембраны и увеличивают ее положительный заряд. Органические соединения остаются внутри клетки. В результате такого движения наружная поверхность мембраны заряжается положительно, а внутренняя – отрицательно. Внутренняя поверхность мембраны может не быть абсолютно отрицательно заряженной, но она всегда заряжена отрицательно по отношению к внешней. Такое состояние клеточной мембраны называется состоянием поляризации. Движение ионов продолжается до тех пор, пока не уравновесится разность потенциалов на мембране, т. е. не наступит электрохимическое равновесие. Момент равновесия зависит от двух сил:

 

1) силы диффузии;

 

2) силы электростатического  взаимодействия. Значение электрохимического  равновесия:

 

1) поддержание  ионной асимметрии;

 

2) поддержание  величины мембранного потенциала  на постоянном уровне.

 

В возникновении мембранного потенциала участвуют сила диффузии (разность концентрации ионов) и сила электростатического взаимодействия, поэтому мембранный потенциал называется концентрационным электрохимическим.

Для поддержания ионной асимметрии электрохимического равновесия недостаточно. В клетке имеется другой механизм – натрий калиевый насос. Натрий калиевый насос – механизм обеспечения активного транспорта ионов. В клеточной мембране имеется система переносчиков, каждый из которых связывает три иона Na, которые находятся внутри клетки, и выводит их наружу. С наружной стороны переносчик связывается с двумя ионами K, находящимися вне клетки, и переносит их в цитоплазму. Энергия берется при расщеплении АТФ.

 

Потенциал действия – это сдвиг мембранного потенциала, возникающий в ткани при действии порогового и сверхпорогового раздражителя, что сопровождается перезарядкой клеточной мембраны.

 

При действии порогового или сверхпорогового раздражителя изменяется проницаемость клеточной мембраны для ионов в различной степени. Для ионов Na она повышается и градиент развивается медленно. В результате движение ионов Na происходит внутрь клетки, ионы К двигаются из клетки, что приводит к перезарядке клеточной мембраны. Наружная поверхность мембраны несет отрицательный заряд, внутренняя – положительный.

 

Компоненты потенциала действия:

 

1) локальный  ответ;

 

2) высоковольтный  пиковый потенциал (спайк);

 

3) следовые  колебания.

 

Ионы Na путем простой диффузии поступают в клетку без затрат энергии. Достигнув пороговой силы, мембранный потенциал снижается до критического уровня деполяризации (примерно 50 мВ). Критический уровень деполяризации – это то количество милливольт, на которое должен снизиться мембранный потенциал, чтобы возник лавинообразный ход ионов Na в клетку.

 

Высоковольтный пиковый потенциал (спайк).

 

Пик потенциала действия является постоянным компонентом потенциала действия. Он состоит из двух фаз:

 

1) восходящей  части – фазы деполяризации;

 

2) нисходящей  части – фазы реполяризации.

 

Лавинообразное поступление ионов Na в клетку приводит к изменению потенциала на клеточной мембране. Чем больше ионов Na войдет в клетку, тем в большей степени деполяризуется мембрана, тем больше откроется активационных ворот. Возникновение заряда с противоположным знаком называется инверсией потенциала мембраны. Движение ионов Na внутрь клетки продолжается до момента электрохимического равновесия по иону Na. Амплитуда потенциала действия не зависит от силы раздражителя, она зависит от концентрации ионов Na и от степени проницаемости мембраны к ионам Na. Нисходящая фаза (фаза реполяризации) возвращает заряд мембраны к исходному знаку. При достижении электрохимического равновесия по ионам Na происходит инактивация активационных ворот, снижается проницаемость к ионам Na и возрастает проницаемость к ионам K. Полного восстановления мембранного потенциала не происходит.

 

В процессе восстановительных реакций на клеточной мембране регистрируются следовые потенциалы – положительный и отрицательный.

 

Синапсы

 

Синапсами называются контакты, которые устанавливают нейроны как самостоятельные образования. Синапс представляет собой сложную структуру и состоит из пресинаптической части (окончание аксона, передающее сигнал), синаптической щели и постсинаптической части (структура воспринимающей клетки).

 

 Классификация синапсов. Синапсы классифицируются по местоположению, характеру действия, способу передачи сигнала.

По местоположению выделяют нервно-мышечные синапсы и нейронейрональные, последние в свою очередь делятся на аксосоматические, аксоаксональные, аксодендритические, дендросоматические.

По характеру действия на воспринимающую структуру синапсы могут быть возбуждающими и тормозящими.

По способу передачи сигнала синапсы делятся на электрические, химические, смешанные.

Характер взаимодействия нейронов. Определяется способом этого взаимодействия: дистантное, смежное, контактное.

Дистантное взаимодействие может быть обеспечено двумя нейронами, расположенными в разных структурах организма. Например, в клетках ряда структур мозга образуются нейрогормоны, нейропептиды, которые способны воздействовать гуморально на нейроны других отделов.

Смежное взаимодействие нейронов осуществляется в случае, когда мембраны нейронов разделены только межклеточным пространством. Обычно такое взаимодействие имеется там, где между мембранами нейронов нет глиальных клеток. Такая смежность характерна для аксонов обонятельного нерва, параллельных волокон мозжечка и т. д. Считают, что смежное взаимодействие обеспечивает участие соседних нейронов в выполнении единой функции. Это происходит, в частности, потому, что метаболиты, продукты активности нейрона, попадая в межклеточное пространство, влияют на соседние нейроны. Смежное взаимодействие может в ряде случаев обеспечивать передачу электрической информации от нейрона к нейрону.

Контактное взаимодействие обусловлено специфическими контактами мембран нейронов, которые образуют так называемые электрические и химические синапсы.

Электрические синапсы. Морфологически представляют собой слияние, или сближение, участков мембран. В последнем случае синаптическая щель не сплошная, а прерывается мостиками полного контакта. Эти мостики образуют повторяющуюся ячеистую структуру синапса, причем ячейки ограничены участками сближенных мембран, расстояние между которыми в синапсах млекопитающих 0,15—0,20 нм. В участках слияния мембран находятся каналы, через которые клетки могут обмениваться некоторыми продуктами. Кроме описанных ячеистых синапсов, среди электрических синапсов различают другие — в форме сплошной щели; площадь каждого из них достигает 1000 мкм, как, например, между нейронами ресничного ганглия.

Электрические синапсы обладают односторонним проведением возбуждения. Это легко доказать при регистрировании электрического потенциала на синапсе: при раздражении афферентных путей мембрана синапса деполяризуется, а при раздражении эфферентных волокон — гиперполяризуется. Оказалось, что синапсы нейронов с одинаковой функцией обладают двусторонним проведением возбуждения (например, синапсы между двумя чувствительными клетками), а синапсы между разно-функциональными нейронами (сенсорные и моторные) обладают односторонним проведением. Функции электрических синапсов заключаются, прежде всего, в обеспечении срочных реакций организма. Этим, видимо, объясняется расположение их у животных в структурах, обеспечивающих реакцию бегства, спасения от опасности и т. д.