Структурно-функциональная характеристика клеточной мембраны

Облегченная диффузия осуществляется также согласно концентрационному градиенту, но обеспечивает перенос веществ, способных образовывать комплексы с молекулами-переносчиками. Переносчик должен свободно переходить с одной стороны мембраны на другую. Этот транспорт осуществляется очень быстро, поскольку переносчик облегчает переход транспортируемого вещества через мембрану. Движущей силой является градиент транспортируемого вещества. С помощью простой диффузии через мембрану не могут проходить даже такие небольшие полярные молекулы, как моносахариды, аминокислоты.

Облегченная диффузия имеет ряд особенностей по сравнению с простой диффузией: а) наличие специфических переносчиков для отдельных или нескольких веществ, близких по строению; вещества, имеющие сходные по строению молекулы, могут переноситься одним и тем же переносчиком и конкурировать за переносчик; б) у молекулы-переносчика может быть особый канал, пропускающий вещество только одного определенного типа; в) с увеличением концентрации вещества с одной стороны мемб- > раны скорость облегченной диффузии возрастает только до определенного предела в отличие от простой диффузии.

Прекращение нарастания облегченной диффузии при  увеличении концентрации вещества свидетельствует  о том, что все переносчики  уже заняты (явление насыщения). Имеются специфическое стимулирование и ингибирование облегченной диффузии: например, флоридзин, введенный в просвет кишечника, специфически подавляет транспорт Сахаров, не затрагивая переноса аминокислот; инсулин активирует перенос глюкозы, аминокислот в клетки организма. Переносчиками являются белковые молекулы мембраны, которые совершают челночные движения с одной стороны мембраны на другую либо встраиваются в мембрану. В последнем случае образуется канал, по которому проходят транспортируемые вещества, в основном сахара, аминокислоты.

В случае предполагаемых челночных движений белковых молекул-переносчиков возникает  вопрос: какая сила обеспечивает транспорт  самих переносчиков? Если это одностороннее  движение, то оно быстро прекратится после уравнивания концентрации самих переносчиков по обе стороны клеточной мембраны. На этот вопрос ответа пока нет. По-видимому, возможны два механизма. Во-первых, за счет создания градиента концентрации самого переносчика, с помощью концентрационного градиента транспортируемого вещества. Если, например, концентрация глюкозы или аминокислоты больше вне клетки, нежели в клетке, то они могут переходить в клетку согласно своему градиенту концентрации. Образование комплекса молекул глюкоза-переносчик лишь улучшает прохождение глюкозы через мембрану согласно концентрационному градиенту глюкозы. Движущей силой является концентрационный градиент глюкозы. На другой стороне мембраны комплекс распадается, поэтому концентрация молекул-переносчиков возрастает, и они в соответствии со своим концентрационным градиентом переходят с внутренней на внешнюю сторону мембраны, снова соединяются с глюкозой и ускоряют ее переход в клетку. Во-вторых, челночные движения переносчика могут осуществляться с помощью ионов К+. Известно, что К+ постоянно диффундирует из клетки согласно концентрационному градиенту. При этом на внутренней стороне клеточной мембраны может образоваться комплекс ион К+ — молекула переносчика, который и перейдет на внешнюю сторону мембраны. В этом случае движущей силой является концентрационный градиент К+, который затем переносится в клетку Na/K-помпой с непосредственной затратой энергии, т. е. первично-активно. Напомним, что энергия здесь затрачивается только на транспорт Na+, т.е. транспорт веществ экономичен. Переносчик же транспортируется вторично-активно, если не будет работать Na/K-помпа, челночные движения переносчика согласно такому представлению прекратятся.

Осмос — это частный случай диффузии: движение воды (растворителя) через  полупроницаемую мембрану в область с большей концентрацией частиц, т.е. с большим осмотическим давлением. Осмотическое давление — это диффузионное давление, обеспечивающее движение растворителя через полупроницаемую мембрану. Измеряется минимальной величиной гидростатического Давления, препятствующего движению растворителя через полупроницаемую мембрану. Осмотическое давление одномолярного Раствора чрезвычайно велико: 22,4 атм, в плазме крови оно существенно ниже — 7,6 атм, несколько больше внутри клетки, что и обеспечивает ее упругость вследствие поступления воды в клетку и растяжения ее мембраны. Осмос продолжается до выравнивания осмотического давления по обе стороны полупроницаемой мембраны или выравнивания осмотического давления и гидростатического противодавления. Поэтому при подавлении метаболизма клетки быстро набухают, так как внутри клетки осмотическое давление сохраняется повышенным: внутрь клеток поступает вода и они становятся более упругими. Вода поступает в клетку через водные каналы и временные поры, образующиеся между молекулами липидов и при смещении белков. Через водные каналы могут проходить также малые незаряженные молекулы: кислород, углекислый газ, этанол, мочевина.

Натриевый механизм: энергия затрачивается  на создание градиента натрия, здесь  различают два варианта данного механизма транспорта.

При первом варианте направление движения транспортируемого  вещества совпадает с направлением движения натрия согласно его электрохимическому градиенту (симпорт). Глюкоза соединяется  с белком-переносчиком, который соединяется с Na+, a Na+ согласно концентрационному и электрическому градиентам, диффундирует в клетку и несет с собой глюкозу. В клетке комплекс распадается, Na+ выводится помпой с непосредственной затратой энергии из клетки в интерстиций вопреки электрохимическому градиенту (первично-активно). С помощью натриевого механизма обеспечивается обратный захват (реабсорбция) медиатора в пресинаптическую терминаль из синаптической щели в синапсах ЦНС. Транспорт веществ с помощью Na+ осуществляется согласно законам диффузии. Транспортируемое вещество при этом может поступать в клетку вопреки собственному концентрационному градиенту. Движущей силой является электрохимический градиент Na+. Глюкоза вместе с Na+ идет в клетку даже в случае ее большей концентрации в клетке, нежели в среде, если, конечно, электрохимический градиент Na+ превосходит концентрационный градиент глюкозы.

При втором варианте натриевого механизма перемещение  транспортируемых частиц направлено в  противоположную сторону движения Na+ (антипорт, т.е. противотранспорт). С помощью этого обменного механизма регулируется, например, содержание Са2+ в клетке, рН внутри клетки за счет выведения Н-иона в обмен на внеклеточный Na+. Внутриклеточная концентрация Са2+ на несколько порядков ниже внеклеточной. Натриевый концентрационный градиент участвует в выведении Са2+ из клетки. Об этом свидетельствует, в частности, следующий факт. Выведение Са2+ из клетки снижается, если удалить из внеклеточной среды Na+. Это позволяет предположить, что Са2+ выводится из клетки в обмен на поступающий в нее Na+ и противоположно направленные потоки этих ионов сопряжены друг с другом; обеспечивается он переносчиком-обменником. Исходным источником энергии этого процесса опять является градиент Na+, который в конечном счете формируется за счет АТФ-зависимого активного транспорта Na+. Поэтому при ингибировании Na/K-АТФазы, при уменьшении внеклеточной концентрации Na+ и в бескалиевой среде (когда Na+ выводится недостаточно из клетки) Na/Ca-об-менник блокируется, в результате чего увеличивается внутриклеточная концентрация Са2+.

Однако  конкретный механизм работы переносчика-обменника  неясен. Переносчик может транспортировать Са2+ и Н+ вопреки их электрическим  и концентрационным градиентам только в том случае, если сам переносчик имеет собственный градиент: его концентрация на внешней стороне мембраны клетки больше, чем на внутренней. Причем этот градиент должен постоянно поддерживаться, иначе перенос Са2+ и Н+ прекратится. По-видимому, выведение Са2+ и Н+ из клетки в результате диффузии Na+ в клетку (антипорт—противотранспорт) осуществляется следующим образом. Na+ постоянно диффундирует в клетку согласно своему электрохимическому градиенту и транспортирует с собой (в комплексе) молекулы-переносчики, что и ведет к созданию концентрационных градиентов молекул-переносчиков, направленных из клетки. Са2+ и Н+на внутренней стороне мембраны клетки соединяются со своими переносчиками и транспортируются из клетки в виде комплексов согласно градиентам своих переносчиков. Именно поэтому, например, блокада Na/K-насоса ведет к накоплению Са2+ в клетках (транспорт Са2+ из клетки уменьшается). Это примеры вторичного транспорта вещества за счет первичного транспорта Na+, который с помощью помпы выводится из клетки. Переносчики же совершают челночные движения за счет работы Na/K-насоса (вторично-активно) и транспортируют с собой Са2+ и Н+.

Транспорт веществ из кровеносных сосудов  в интерстиций ЦНС осуществляется с помощью диффузии, осмоса и фильтрации, т.е. перехода раствора через полупроницаемую мембрану (стенку сосуда) под действием градиента гидростатического давления между жидкостями по обе стороны этой мембраны. Градиент гидростатического давления создается либо деятельностью сердца (фильтрация в артериальном конце капилляра всех органов и тканей организма, а также образование первичной мочи в почке), либо гладкой мускулатурой желудочно-кишечного тракта и мышечного пресса, обеспечивающих повышение гидростатического давления в полости желудка и кишечника, что способствует всасыванию веществ в кровь.

Таким образом, механизмы вторичного транспорта веществ весьма разнообразны. Что касается вторичного транспорта ионов, то он осуществляется, как правило, с помощью простой диффузии через специальные ионные каналы. 

Ионные  каналы 

Ионные  каналы образованы белками, они весьма разнообразны по устройству и механизму действия.

Классификация ионных каналов проводится по нескольким признакам.

1. По  возможности управления их функцией  различают управляемые и неуправляемые  каналы (каналы утечки ионов). Через  неуправляемые каналы ионы перемещаются постоянно, но медленно, естественно, при наличии электрохимического градиента, как и в случае быстрого перемещения ионов по управляемым каналам, которые могут быть быстрыми и медленными. Потенциал действия в нейроне возникает в основном вследствие активации быстрых Na- и К-каналов. Управляемые каналы имеют ворота с механизмами их управления, поэтому ионы могут проходить только при открытых воротах.

2. В  зависимости от стимула, активирующего или инактивирующего управляемые ионные каналы, основными каналами нейронов ЦНС являются потенциалчувствительные и хемочувствитель-ные каналы. При взаимодействии медиатора (лиганда) с рецепторами хемочувствительного канала, расположенного на поверхности клеточной мембраны, может происходить открытие его ворот, поэтому хемочувствительный канал называют также рецеп-торуправляемым каналом. Лиганд — это биологически активное вещество или фармакологический препарат, активирующий или блокирующий рецептор. Открытие ворот хемочувствительных каналов происходит в результате конформационных изменений рецепторного комплекса. Ворота потенциалзависимых каналов открываются и закрываются при изменении величины мембранного потенциала. Поэтому в конструкции их воротного механизма должны быть частицы, несущие электрический заряд.

3. В  зависимости от селективности  различают ионоселективные каналы, пропускающие только один ион,  и каналы, не обладающие селективностью. В нейронах имеются Na-, K-, Са- и С1-селективные каналы. Есть каналы, пропускающие несколько ионов, например Na+, K+ и Са2+, т.е. не обладающие селективностью. Наиболее высока степень селективности потенциалчувствительных (потенциалзависимых) каналов, несколько ниже она у хемочувствительных (рецепторзависимых) каналов постсинаптических мембран, через каналы которых могут одновременно проходить ионы Na+ и К+.

4. Для  одного и того же иона может  существовать несколько видов  каналов. Наиболее важными из  них для формирования биопотенциалов  являются следующие.

Каналы  для К+. Калиевые неуправляемые каналы покоя (каналы утечки), через которые постоянно выходит К+ из клетки, что является главным фактором в формировании мембранного потенциала (потенциала покоя). Потенциалчувствительные управляемые ^-каналы сравнительно медленно активируются при возбуждении клетки в фазу деполяризации с последующим увеличением активации, что обеспечивает быстрый выход К+ из клетки и реполяризацию ее (генерация потенциала действия).

Каналы  для Na+ — медленные (утечки) и быстрые: 1) быстрые а-каналы потенциалчувствительны, быстро активирующиеся при уменьшении мембранного потенциала, что обеспечивает вход Na+ в клетку во время ее возбуждения (восходящая часть потенциала действия). Затем эти каналы быстро инактивируются; 2) медленные неуправляемые Na-каналы — каналы утечки, через которые Na+ постоянно диффундирует в клетку и переносит с собой другие молекулы, например глюкозу, аминокислоты, молекулы-переносчики. Таким образом, Na-каналы утечки обеспечивают вторичный транспорт веществ и участие Na+ в формировании мембранного потенциала.

Устройство  ионных каналов и их функционирование. Каналы имеют устье и селективный фильтр, а управляемые каналы — и воротный механизм, каналы заполнены жидкостью, их размеры 0,3 — 0,8 нм. Селективность ионных каналов определяется их размером и наличием в канале заряженных частиц. Эти частицы имеют заряд, противоположный заряду иона, который они притягивают, что обеспечивает проход иона через данный канал (одноименные заряды, как известно, отталкиваются). Через ионные каналы могут проходить и незаряженные частицы. Ионы, проходя через канал, должны избавиться от гидратной оболочки, иначе их размеры будут больше размеров канала. Диаметр иона Na+, например, с гидратной оболочкой равен 0,3 нм, а без гидратной оболочки — 0,19 нм. Слишком мелкий ион, проходя через селективный фильтр, не может отдать гидратную оболочку, поэтому он не может пройти через канал. Однако, по-видимому, имеются и другие механизмы селективности клеточной мембраны. Гипотеза «просеивания» не дает ответ, например, на вопрос: почему К+ не проходит через открытые Na-каналы в начале цикла возбуждения клетки? Но тем не менее она дает удовлетворительное, а в некоторых случаях и абсолютно убедительное объяснение избирательной (селективной) проницаемости клеточных мембран для разных частиц и ионов.

Особенности функционирования различных видов управляемых каналов. Во-первых, они отличаются по степени селективности. Наиболее высока степень селективности потенциалчувствительных (потенциалзависимых) каналов. Во-вторых, у каналов разных видов может наблюдаться или отсутствовать взаимодействие между собой. Так, частичная деполяризация клеточной мембраны за счет активации хемочувствительных каналов может привести к активации потенциалчувствительных каналов, например для ионов, что обеспечивает возбуждение нейрона. Активация же потенциалчувствительных каналов не влияет на функцию хемочувствительных каналов нейронов.

Ионные  каналы блокируются специфическими веществами и фармакологическими препаратами. Новокаин, например, как местный  анестетик, снимает болевые ощущения, потому что он, блокируя Na-каналы, прекращает проведение возбуждения по нервным волокнам. 

Открытие  «животного электричества» и его сущность 

Наблюдение  биоэлектрических явлений. В конце  XVIII в. (1786) профессор анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани провел ряд опытов, положивших начало целенаправленным исследованиям биоэлектрических явлений. В первом опыте, подвешивая с помощью медного крючка на железной решетке препарат задних лапок лягушек со снятой кожей, ученый обнаружил, что всякий раз, когда мышцы касались решетки, они отчетливо сокращались. Л. Гальвани высказал предположение о том, что сокращение мышц является следствием воздействия на них электричества, источником которого выступают «животные ткани» — мышцы и нервы.