Строение и физиологические функции мембраны клеток возбудимых тканей

Клетки возбудимых тканей отделены от интерстициальной среды клеточ­ной мембраной. Мембрана нервной и мышечной клетки представляет со­бой эластичную структуру, толщиной 6—8 нм, состоящую из липидов и белков. Липиды мембраны возбудимых клеток представлены различными фосфолипидами: фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидил- серин, сфингомиелин и фосфатидилинозит. Фосфолипиды образуют двой­ной слой, который состоит из фосфолипидных молекул. Полярные голов­ки этих молекул обращены наружу. К каждой полярной головке прикреп­лены две углеводородные цепочки, которые погружены в толщу мембраны (рис. 2.1). Обращенные наружу полярные головки фосфолипидных моле­кул клеточных мембран придают им гидрофильные свойства, а удерживаю-

Интегральные белки

Ионный канал Ионный насос ' Наружная

Рис. 2.1. Схематическое изображение мембраны клетки возбудимых тканей.

Мембрана представляет собой двойной липидный слой, в который погружены интегральные белки, функционирующие как ионные насосы и ионные каналы. Ионные насосы за счет энергии АТФ перекачивают ионы К⁺, Na⁺, Са²⁺ против их концентрационного градиента. На­личие градиентов концентрации указанных ионов на мембране возбудимых клеток является основой возникновения на мембране клеток электрического потенциала и возбудимости нерв­ной и мышечной ткани. Ионные каналы мембраны возбудимой клетки в зависимости от их зактытого или открытого состояния обусловливают возникновение возбуждения в нервной и мышечной ткани и его распространение по поверхности мембран клеток. Периферические белки расположены, как правило, на внутренней поверхности мембраны и являются энзима­ми, участвующими в регуляции метаболических процессов в возбудимых клетках.

 

щие их довольно жестко связи углеводородных цепей — гидрофобные. Бел­ки мембран возбудимых клеток подразделяются на два типа: интегральные и периферические. Молекулы интегральных белков погружены в толщу мембраны на большую или меньшую глубину. Этот тип белков обеспечи­вает взаимодействие (интеграцию) между клетками возбудимых тканей. Интегральные белки выполняют функцию специальных ионных насосов в мембране клеток. Например, с помощью ионных насосов различные ионы (Na\ К⁺, Са²⁺ и др.) перемещаются через мембрану между интерстициаль­ной и внутриклеточной средами, что лежит в основе формирования элек­трических явлений в возбудимых клетках. Периферические белки располо­жены, как правило, с внутренней стороны мембраны. Они являются ката­лизаторами протекающих в клетке химических реакций, т. е. являются эн­зимами. Периферические белки формируют цитоскелет клеток, который придает мембране клеток прочность и одновременно гибкоэластические свойства.

Мембрана клеток возбудимых тканей имеет функции избирательной проницаемости для ионов и веществ, межклеточного взаимодействия, а также экзо- и эндоцитоза, благодаря которым в нервной и мышечной тка­ни осуществляются физиологические процессы возбуждения, проведения возбуждения и сокращения.

2.1.1. Транспорт веществ через клеточную мембрану

Клеточная мембрана является разделительным барьером между цитоплаз­мой и внеклеточной средой. При этом важнейшая функция подобного барьера связана с транспортом воды, различных ионов (Na⁺, К⁺, СГ, Са²* и др.) и питательных веществ (например, глюкозы) между этими средами с целью обеспечения жизнедеятельности клеток.

2.1.1.1. Движение воды через мембрану клеток

Вода довольно свободно проникает через мембрану большинства клеток, так как внутри клеточной мембраны имеются свободные пространства, обусловленные временными дефектами или кинками в СН₂ цепях фосфо­липидов. Кинки и связанные с ними пространства свободно диффундируют в пределах мембраны. Вода, заключенная в свободно диффундирующие пространства, способна проникать с их помощью через биологические мембраны. Благодаря кинкам и свободным пространствам внутри мембран их «водная» проницаемость примерно в три раза выше, чем в мембранах, организованных только из кристаллической липидной фазы. Однако дви­жение воды через мембрану внутрь клетки и из клетки наружу регулирует­ся осмотическим давлением растворов по обе ее стороны.

2.1.1.2. Осмос

Вода диффундирует через мембрану из области меньшей в область боль­шей концентрации растворенного вещества. Этот процесс называется ос­мосом. Наименьшее гидростатическое давление, которое необходимо при­ложить к раствору для того, чтобы предотвратить перетекание раствори­теля через полупроницаемую мембрану в раствор с большей концентра­цией вещества называется осмотическим давлением. Концентрация осмо­тически активных молекул в единице массы воды называется осмолярно­стью или осмотическим коэффициентом. Осмотическое давление обуслов­ливает поступление воды в клетку, формирует ее объем и упругость (тур­гор) ткани.

Тоничность раствора представляет собой осмотическое давление, произ­водимое раствором через проницаемую мембрану, отделяющую его от плазмы крови. Терминами изо-, гипо- и гипертонический характеризуют растворы, осмолярность которых соответственно равна, меньше или выше, чем таковая в плазме крови.

2.1.1.3. Диффузия

Процесс свободного движения молекул вещества в пределах раствора на­зывается диффузией. Большие молекулы движутся в растворе медленнее, чем маленькие, а движение молекул вещества в воде происходит быстрее, чем в среде с более высокой вязкостью. Молекулы биологически важных веществ (медиаторы, гормоны), О₂ и СО₂ при температуре окружающей среды 30 °C преодолевают расстояние 1 мкм в течение 1 мс, 100 мкм —в течение 10 с, а расстояние 1 см —в течение 24 ч. В клетках возбудимых тканей диффузия молекул в цитоплазме лимитирована их размером. В ин­терстициальной среде расстояние диффузии молекул веществ ограничено дистанцией между клетками либо между клетками и капиллярами. Так, в среднем расстояние между капиллярами и клетками тканей у млекопитаю­щих животных составляет 30 мкм. Поэтому небольшие по размерам моле­кулы О₂ и СО₂ преодолевают это расстояние в течение двух-трех десятков миллисекунд, что обеспечивает обмен газами между кровью и тканями ор­ганизма.

Диффузия молекул вещества через проницаемую мембрану осуществля­ется по концентрационному градиенту вещества и описывается первым за­коном Фика. Подобная диффузия носит название простой и ее величина тем больше, чем выше температура раствора. Первый закон диффузии Фи­ка, который отражает скорость диффузии вещества через мембрану в зави­симости от разницы концентраций вещества по обе ее стороны, выражает­ся следующей формулой:

Скорость диффузии = —(С/~* Се),

х

где D — коэффициент диффузии, А —площадь мембраны (см²), х —тол­щина мембраны (см), С — концентрация вещества по обе стороны мембра­ны (i — внутри, е — снаружи). С помощью простой диффузии большинство субстанций не проникают через мембрану клетки. Поэтому, наряду с про­стой диффузией, имеет место движение веществ через мембрану с помо­щью облегченной диффузии. Облегченная диффузия происходит при уча­стии специфических белковых молекул-переносчиков. Скорость облегченной диффузии лимитируется количеством транспортных белковых молекул и их подвижностью в пределах мембраны. Этот вид мембранного транспорта имеет более высокую скорость в сравнении с простой диффузией. Перенос веществ через мембрану с помощью облегченной диффузии обусловлен строением переносимых молекул, которые связываются с белком-перенос­чиком. Ингибиторы способны подавлять этот вид транспорта. Для облег­ченной диффузии характерна специфичность белков-переносчиков к типу молекулы переносимого вещества и количеством транспортных белков в мембране клетки. Например, перенос глюкозы или аминокислот осуществ­ляется строго специфичными белками-переносчиками. Вещества, которые транспортируются через мембрану одним и тем же белком-переносчиком, конкурируют за переносчик (явление конкуренции). Если все белки-пере­носчики заняты транспортируемыми молекулами или ионами, то увеличе­ние градиента концентрации вещества по обе стороны мембраны не при­ведет к росту диффузии — явление насыщения.

2.1.1.4. Первично-активный транспорт

Перенос ионов через клеточную мембрану может происходить против их градиента концентрации за счет энергии макроэргических соединений (АТФ). Транспорт ионов через мембрану возбудимых клеток против кон­центрационного градиента, обусловленный функцией транспортных АТФаз называется первично активным. Первично активный транспорт ха­рактерен для переноса через мембрану возбудимых клеток ионов Na⁺, К⁺ или Са²⁺. Транспортные АТФазы —- это интегральный тип белков клеточ­ной мембраны, поэтому ионы могут активно транспортироваться, напри­мер, из внеклеточной среды в цитоплазму (ионы К⁺) или наоборот (ионы Na⁺).

В клетках возбудимых тканей первично активный транспорт осуществ­ляется с помощью трех типов АТФаз: натрий-калиевой, кальциевой и про­тонной помпы.

Транспорт ионов Na⁺ и К⁺ через мембрану. В мембранах всех клеток орга­низма человека и животных локализована Иа⁺/К⁺-АТФаза, или натрий-ка­лиевый насос (рис. 2.2). Функция этого насоса заключается в поддержании градиента концентрации ионов Na⁺ и К? между цитозолем клетки и вне­клеточной средой. В возбудимых клетках создание и поддержание подоб­ного градиента является основным условием возникновения потенциала покоя на мембране клеток, а также последующей генерации и распростра­нения потенциала действия по мембране нервного волокна и мышечной клетки.

	Рис. 2.2.Натрий-калиевый насос (Na+/ К+-АТФаза) в мембране возбудимой клет­ки.

	Рис. 2.3.Схематическое изображение цикла работы электрогенного натрий-калие­вого насоса.

Конформация Ej насоса обращена в цитозоль и имеет на поверхности два отрицательно заря­женных места, с которыми у внутриклеточных ионов Na⁺ и К⁺ имеется различное сродство. Третье электрически нейтральное место связывания ионов натрия находится внутри молекулы насоса. После связывания ионов с насосом они погружаются внутрь его молекулы. Фосфори­лирование насоса с помощью АТФ вызывает «закупорку» ионов натрия (Na3Ei-P). Переход к конформации Е₂ открывает «карман» во внеклеточную среду. После связывания двух ионов калия процесс повторяется в обратной последовательности, только ионы калия выводятся из клетки.

АТФаза

Рис. 2.4.Первично активный транс­порт ионов кальция через мембрану.

Мембрана саркоплазматического ретикулума

Внешняя сторона АТФ --- ► АДФ+Ф

+ + + 2 Са++ Внутренняя сторона

канала, поэтому во время транспор­та ионов Na⁺ и К⁺ через мембрану клетки они окружены молекулой насоса и не могут взаимодейство­вать с другими ионами. За один цикл активности насоса три иона натрия выводятся из клетки, а внутрь транспортируются два иона калия.

Транспорт ионов Са²⁺ через мем­брану. В мембране саркоплазмати­ческого ретикулума всех типов мы­шечных клеток локализована Са²⁺- АТФаза (рис. 2.4). Функция этого насоса заключается в поддержании низкой концентрации ионов каль­ция в цитоплазме мышечных кле­ток за счет депонирования ионов в саркоплазматический ретикулум. Поддержание низкой концентрации ио­нов Са²⁺ в саркоплазме является основным условием расслабления мы­шечных клеток (менее 10“⁷ моль/л, против 10“³—10"² моль/л в ретикулу­ме). Са⁺⁺-АТФ-аза функционирует следующим образом. В присутствии АТФ после присоединения со стороны цитоплазмы иона кальция к каль­ций-связывающему участку Са²⁺-АТФаза фермент изменяет свою конфор­мацию, и область связывания ионов Са²⁺ оказывается внутри саркоплаз­матического ретикулума. При этом сродство ионов к Са²⁺-АТФазе умень­шается, и ионы Са²⁺ высвобождаются во внутриретикулярное простран­ство. Под действием ионов Mg²⁺ саркоплазматического ретикулума фер­мент Са²⁺-АТФаза дефосфорилируется и кальций-связывающий участок вновь оказывается снаружи мембраны. В такой последовательности по­вторяется цикл работы кальциевого насоса. В саркоплазме мышечных клеток ионы кальция принимают участие в механизме мышечного сокра­щения либо выполняют функцию вторичного посредника (описаны ниже).

Транспорт протонов через мембрану. Протонная помпа (Н⁺-АТФаза) транспортирует протоны через внутренние мембраны митохондрий. Про­тонная помпа в митохондриях увеличивает градиент электрохимического потенциала ионов водорода на мембране до порогового или критического уровня, который необходим для синтеза АТФ. Протонная помпа увеличи­вает электрическую и концентрационную составляющую электрохимиче­ского потенциала на мембране митохондрий.

2.1. 1.5. Вторично-активный транспорт

В возбудимых клетках имеет место активный транспорт веществ через мембрану клеток против их концентрационного градиента, если эквива­лентное количество энергии высвобождается в результате движения друго­го вещества по его концентрационному градиенту. Этот вид трансмем­бранного транспорта называется вторично активным. Вторично активный транспорт называется также сопряженным транспортом, поскольку более одного вещества транспортируется через мембрану клетки с помощью ин­тегрального белка-переносчика. При этом виде транспорта молекулы ве­ществ конкурируют между собой за белок-переносчик. Например, если ве-

щество А равномерно распределено по обе стороны мембраны, а вещество Б создает более высокую концентрацию по одну стороны мембраны, то конкуренция вещества Б за переносчик по сравнению с веществом А будет тем больше, чем выше будет градиент концентрации вещества Б. При этом, если белок-переносчик переносит две субстанции, то это называется котранспортом. Если два вещества переносятся через мембрану одновре­менно в одном направлении, то это называется симпортом. Если вещества переносятся через мембрану одновременно, но в противоположных на­правлениях, это называется антипортом. Как правило, натрий-калиевый насос создает градиент концентрации ионов натрия и калия по обе сторо­ны от мембраны клеток, который обеспечивает сопряженный или вторич­но активный транспорт.

Этот вид активного транспорта широко представлен в физиологических процессах различных органов. В скелетных мышцах, кардиомиоцитах и гладкомышечных клетках с функцией Nа⁺/К⁺-АТФазы связан транспорт ионов Са²⁺ через плазматическую мембрану при участии Na*/Са²⁺-обменни­ка. Этот белок транспортирует ионы Са²⁺ через мембрану клеток в обмен на ионы натрия и за счет энергии На⁺/К⁺-АТФазы. Кроме того, в мембра­нах клеток имеется белок, обменивающий внеклеточные ионы натрия на внутриклеточные протоны, — N а*/Н⁺-обменник, который поддерживает по­стоянство pH внутриклеточной среды. Скорость обмена ионов при участии Na⁺/Ca²⁺- и Ма⁺/Н⁺-обменников пропорциональна электрохимическому градиенту ионов Na⁺ по обе стороны мембраны. В невозбудимых клетках, например, слизистой оболочки тонкой кишки глюкоза транспортируется в эпителиоциты лишь в том случае, если ионы Na⁺ одновременно с глюко­зой связывается с белком-переносчиком.

2.1.1.6. Эндоцитоз и экзоцитоз

Молекулы некоторых веществ, например химических передатчиков возбу­ждения в нервной системе (медиаторов) или гормонов, не способны про­ходит через мембрану клеток. Поэтому их движение через клеточную мем­брану осуществляется путем эндоцитоза и экзоцитоза. При эндоцитозе суб­станции первоначально адсорбируются специальными рецепторами на внешней стороне мембраны. С помощью мембранного белка клатрина, расположенного на внутренней поверхности мембраны клетки, в мембране формируется углубление, а затем образуется везикула и везикулярный ком­плекс «рецептор—клатрин—белок» оказывается внутри клетки. Комплекс утрачивает рецептор, белок клатрин вновь возвращается на внутреннюю поверхность клеточной мембраны, а поступивший внутрь белок метаболи­зируется в клетке.

Путем экзоцитоза из клетки выводятся крупные белковые молекулы, которые инкапсулируются мембранами эндоплазматического ретикулума в форме везикул. Подобные везикулы, а для многих клеток они представля­ют собой секреторные гранулы, транспортируются вдоль внутриклеточной микротрубулярной системы к мембране клеток, сливаются с клеточной мембраной в строго определенных местах мембраны, содержащей специ­альный белок синапсин. Процесс слияния секреторных гранул активирует­ся ионами Са⁺⁺. Мембрана секреторной везикулы соединяется с мембра­ной клетки, и секретируемые субстанции оказываются во внеклеточной среде.

2.7.7.7. Внутриклеточный транспорт молекул

Аксон Сома нейрона ◄------------

Рис. 2.5. Внутриклеточное движение органелл с помощью белков, связанных с микротрубочка­ми: динеин перемещает органеллы нейронов в направлении их сомы, а кинезин — в направле­нии нервной терминали.

различные субстанции так­же транспортируются с по­мощью специальных бел­ков. Например, в нервных клетках имеет место аксон­ный транспорт везикул как в направлении нервных окон­чаний (антероградно), так и в направлении тела нейро­нов (ретроградно). Внутри­клеточные транспортные процессы осуществляются вдоль цитоплазматических

микротрубочек при участии

специфических белков кинезина и динеина (рис. 2.5). При этом кинезин транспортирует везикулы по микротрубочкам аксона в направлении тер­миналей нейронов, а динеин — в направлении их сомы.