Лестницы. Входная группа. Материалы. Двери. Замки. Дизайн

2.3. Рассмотрим подробнее работу белка переносчика, обеспечивающего пассивный транспорт веществ через клеточную мембрану. Процесс, с помощью которого белки-переносчики связывают и транспортируют растворенные молекулы, напоминает ферментативную реакцию. В белках-переносчиках всех типов имеются участки связывания для транспортируемой молекулы. Когда белок насыщен, скорость транспортировки максимальна. Связывание может быть блокируемо как конкурентными ингибиторами, (конкурирующими за тот же участок связывания), так и не конкурентными ингибиторами, связывающимися в другом месте и влияющими на структуру переносчика. Молекулярный механизм работы белков переносчиков пока не известен. Предполагается, что они переносят молекулы, претерпевая обратимые конформационные изменения, которые позволяют их участкам связывания располагаться попеременно то на одной, то на другой стороне мембраны. На данной схеме представлена модель, показывающая, как конформационные изменения в белке могли бы обеспечить облегченную диффузию растворенного вещества. Белок переносчик может состоять в двух конформационных состояниях "пинг" и "понг". Переход между ними осуществляется случайным образом и полностью обратим. Однако, вероятность связывания молекулы транспортируемого вещества с белком гораздо выше в состоянии "пинг". Поэтому молекул, перемещенных в клетку, будет гораздо больше чем тех, которые ее покинут. Происходит транспорт вещества по электрохимическому градиенту.

Некоторые транспортные белки просто переносят какое-либо растворенное вещество с одной стороны мембраны на другую. Такой перенос называется унипортом. Другие белки являются контранспортными системами. В них устанавливаются следующие закономерности:

а) перенос одного вещества зависит от одновременного (последовательного) переноса другого вещества в том же направлении (симпорт).

б) перенос одного вещества зависит от одновременного (последовательного) переноса другого вещества в противоположном направлении (антипорт).

Например, большинство животных клеток поглощает глюкозу из внеклеточной жидкости, где ее концентрация высока путем пассивного транспорта осуществляемого белком, который работает как унипорт. В то же время, клетки кишечника и почек поглощают ее из люменального пространства кишечника и из почечных канальцев, где ее концентрация очень мала, с помощью симпорта глюкозы и ионов Na.

Разновидностью облегченной диффузии является транспорт с помощью неподвижных молекул переносчиков, фиксированных определенным образом поперек мембраны. При этом молекула переносимого вещества передается от одной молекулы переносчика к другой, как по эстафете.

Примером белков-переносчиков может служить валиномицин – переносчик ионов калия. Молекула валиномицина имеет форму манжетки, устланной внутри полярными группами, а снаружи – неполярными.

В силу особенности своего химического строения валиномицин способен образовывать комплекс с ионами калия, попадающими внутрь молекулы – манжетки, и с другой стороны, валиномицин растворим в липидной фазе мембраны, так как снаружи его молекула неполярна. Молекулы валиномицина, оказавшиеся у поверхности мембраны, могут захватывать из окружающего раствора ионы калия. Диффундируя в мембране, молекулы переносят калий через мембрану, и некоторые из них отдают ионы в раствор по другую сторону мембраны. Таким образом и происходит перенос иона калия через мембрану валиномицином.

Отличия облегченной диффузии от простой:

1) перенос вещества с участием переносчика происходит значительно быстрее;

2) облегченная диффузия обладает свойством насыщения: при увеличении концентрации с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;

3) при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимы веществ в тех случаях, когда переносчиком переносятся разные вещества; при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других; так из сахаров глюкоза переносится лучше, чем фруктоза, фруктоза лучше, чем ксилоза, а ксилоза лучше, чем арабиноза и. т. д.;

4) есть вещества, блокирующие облегченную диффузию – они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика, например, флоридзин подавляет транспорт сахаров через биологическую мембрану.

2.4. Фильтрацией называется движение раствора через поры в мембране под действием градиента давления. Она играет важную роль в процессах переноса воды через стенки кровеносных сосудов.

Итак, мы рассмотрели основные виды пассивного транспорта молекул через биологические мембраны.

2.5. Часто бывает необходимым обеспечить перенос через мембрану молекул против их электрохимического градиента. Такой процесс называется активным транспортом и осуществляется белками-переносчиками, деятельность которых требует затрат энергии. Если связать белок-переносчик с источником энергии, можно получить механизм, обеспечивающий активный транспорт веществ через мембрану. Одним из главных источников энергии в клетке является гидролиз АТФ до АДФ и фосфата. На этом явлении основан важный для жизнедеятельности клетки механизм (Na + K)-насос. Он служит прекрасным

примером активного транспорта ионов. Концентрация K внутри клетки в 10-20 раз выше, чем снаружи. Для Na картина противоположная. Такую разницу конценраций обеспечивает работа (Na + K)-насоса, который активно перекачивает Na из клетки, а K в клетку. Известно, что на работу (Na + K)-насоса тратится почти треть всей энергии необходимой для жизнедеятельности клетки. Вышеуказанная разность концентраций поддерживается со следующими целями:

1) Регулировка объема клеток за счет осмотических эффектов.

2) Вторичный транспорт веществ (будет рассмотрен ниже).

Опытным путем было установлено, что:

а) Транспорт ионов Na и K тесно связан с гидролизом АТФ и не может осуществляться без него.

б) Na и АТФ должны находиться внутри клетки, а K снаружи.

в) Вещество уабаин ингибирует АТФазу только находясь вне клетки, где он конкурирует за участок связывания с K. (Na + K)-АТФаза активно транспортирует Na наружу а K внутрь клетки. При гидролизе одной молекулы АТФ три иона Na выкачиваются из клетки а два иона K попадают в нее.

1) Na связывается с белком.

2) Фосфорилирование АТФазы индуцирует конформационные изменения в белке, в результате чего:

3) Na переносится на внешнюю сторону мембраны и высвобождается.

4) Связывание K на внешней поверхности.

5) Дефосфорилирование.

6) Высвобождение K и возврат белка в первоначальное состояние.

По всей вероятности в (Na + K)-насосе есть три участка связывания Na и два участка связывания K. (Na + K)-насос можно заставить работать в противоположном направлении и синтезировать АТФ. Если увеличить концентрации ионов с соответствующих сторон от мембраны, они будут проходить через нее в соответствии со своими электрохимическими градиентами, а АТФ будет синтезироваться из ортофосфата и АДФ с помощью (Na + K)-АТФазы.

2.6. Если бы у клетки не существовало систем регуляции осмотического давления, то концентрация растворенных веществ внутри нее оказалась бы больше их внешних концентраций. Тогда концентрация воды в клетке была бы меньшей, чем ее концентрация снаружи. Вследствие этого, происходил бы постоянный приток воды в клетку и ее разрыв. К счастью, животные клетки и бактерии контролируют осмотическое давление в своих клетках с помощью активного выкачивания неорганических ионов таких как Na. Поэтому их общая концентрация внутри клетки ниже чем снаружи. Клетки растений имеют жесткие стенки, которые предохраняют их от набухания. Многие простейшие избегают разрыва от поступающей внутрь клетки воды с помощью специальных механизмов, которые регулярно выбрасывают поступающую воду.

2.7. Другим важным видом активного транспорта является активный транспорт с помощью ионных градиентов. Такой тип проникновения через мембрану осуществляют некоторые транспортные белки, работающие по принципу симпорта или антипорта с какими-нибудь ионами, электрохимический градиент которых достаточно высок. В животных клетках контранспортируемым ионом обычно является Na. Его электрохимический градиент обеспечивает энергией активный транспорт других молекул. Для примера рассмотрим работу насоса, который перекачивает глюкозу. Насос случайным образом осциллирует между состояниями "пинг" и "понг". Na связывается с белком в обоих его состояниях и при этом увеличивает сродство последнего к глюкозе. Вне клетки присоединение Na, а значит и глюкозы, происходит чаще чем внутри. Поэтому глюкоза перекачивается в клетку. Итак, наряду с пассивным транспортом ионов Na происходит симпорт глюкозы. Строго говоря, необходимая энергия для работы этого механизма запасается в ходе работы

(Na + K)-насоса в виде электрохимического потенциала ионов Na. У бактерий и растений большинство систем активного транспорта такого вида используют в качестве контранспортируемого иона ион H. К примеру, транспорт большей части сахаров и аминокислот в бактериальные клетки обусловлен градиентом H.

Подавляющее большинство организмов, обитающих на Земле, состоит из клеток, во многом сходных по своему химическому составу, строению и жизнедеятельности. В каждой клетке происходит обмен веществ и превращение энергии. Деление клеток лежит в основе процессов роста и размножения организмов. Таким образом, клетка представляет собой единицу строения, развития и размножения организмов.

Клетка может существовать только как целостная система, неделимая на части. Целостность клетки обеспечивают биологические мембраны. Клетка - элемент системы более высокого ранга - организма. Части и органоиды клетки, состоящие из сложных молекул, представляют собой целостные системы более низкого ранга.

Клетка - открытая система, связанная с окружающей средой обменом веществ и энергии. Это функциональная система, в которой каждая молекула выполняет определенные функции. Клетка обладает устойчивостью, способностью к саморегуляции и самовоспроизводству.

Клетка - самоуправляемая система. Управляющая генетическая система клетки представлена сложны ми макромолекулами - нуклеиновыми кислотами (ДНК и РНК).

В 1838-1839 гг. немецкие биологи М. Шлейден и Т. Шванн обобщили знания о клетке и сформулировали основное положение клеточной теории, сущность которой заключается в том, что все организмы, как растительные, так и живот ные, состоят из клеток.

В 1859 г. Р. Вирхов описал процесс деления клетки и сформулировал одно из важнейших положений клеточной теории: "Всякая клетка происходит из другой клетки". Новые клетки образуются в результате деления материнской клетки, а не из неклеточного вещества, как это считалось ранее.

Открытие российским ученым К. Бэром в 1826 г. яйцеклеток млекопитающих привело к выводу, что клетка лежит в основе развития многоклеточных организмов.

Современная клеточная теория включает следующие положения:

1) клетка - единица строения и развития всех организмов;

2) клетки организмов разных царств живой природы сходны по строению, химическому составу, обмену веществ, основным проявлениям жизнедеятельности;

3) новые клетки образуются в результате деления материнской клетки;

4) в многоклеточном организме клетки образуют ткани;

5) из тканей состоят органы.

С введением в биологию современных биологических, физических и химических методов исследования стало возможным изучить структуру и функционирование различных компонентов клетки. Один из методов изучения клетки - микроскопирование . Современный световой микроскоп увеличивает объекты в 3000 раз и позволяет увидеть наиболее крупные органоиды клетки, наблюдать движение цитоплазмы, деление клетки.

Изобретенный в 40-е гг. XX в. электронный микроскоп дает увеличение в десятки и сотни тысяч раз. В электронном микроскопе вместо света используется поток электронов, а вместо линз - электромагнитные поля. Поэтому электронный микроскоп дает четкое изображение при значительно больших увеличениях. При помощи такого микроскопа удалось изучить строение органоидов клетки.

Строение и состав органоидов клетки изучают с помощью метода центрифугирования . Измельченные ткани с разрушенными клеточными оболочками помещают в пробирки и вращают в центрифуге с большой скоростью. Метод основан на том, что различные клеточные ор ганоиды имеют разную массу и плотность. Более плотные органоиды осаждаются в пробирке при низких скоростях центрифугирования, менее плотные - при высоких. Эти слои изучают отдельно.

Широко используют метод культуры клеток и тканей , который состоит в том, что из одной или нескольких клеток на специальной питательной среде можно получить группу однотипных животных или растительных клеток и даже вырас тить целое растение. С помощью это го метода можно получить ответ на вопрос, как из одной клетки образуются разнообразные ткани и органы организма.

Основные положения клеточной теории были впервые сформулированы М. Шлейденом и Т. Шванном. Клетка - единица строения, жизнедеятельности, размножения и развития всех живых организмов. Для изучения клетки используют методы микроскопирования, центрифугирования, культуры клеток и тканей и др.

Клетки грибов, растений и животных имеют много общего не только в химическом составе, но и в строении. При рассматривании клетки под микроскопом в ней видны различные структуры - органоиды . Каждый органоид выполняет определенные функции. В клетке различают три основные части: плазматическую мембрану, ядро и цитоплазму (рис 1).

Плазматическая мембрана отделяет клетку и ее содержимое от окружающей среды. На рисунке 2 вы видите: мембрана образована двумя слоями липидов, а белковые молекулы пронизывают толщу мембраны.

Основная функция плазматической мембраны транспортная . Она обеспечивает поступление питательных веществ в клетку и выведение из нее продуктов обмена.

Важное свойство мембраны - избирательная проницаемость , или полупроницаемость, позволяет клетке взаимодействовать с окружающей средой: в нее поступают и вы водятся из нее лишь определенные вещества. Мелкие молекулы воды и некоторых других веществ проникают в клетку путем диффузии, частично через поры в мембране.

В цитоплазме, клеточном соке вакуолей растительной клетки, растворены сахара, органические кислоты, соли. Причем их концентрация в клетке значительно выше, чем в окружающей среде. Чем больше концентрация этих веществ в клетке, тем больше она поглощает воды. Известно, что вода постоянно расходуется клеткой, благодаря чему концентрация клеточного сока увеличивается и вода снова поступает в клетку.

Поступление более крупных молекул (глюкозы, аминокислот) в клетку обеспечивают транспортные белки мембраны, которые, соединяясь с молекулами транспортируемых веществ, переносят их через мембрану. В этом процессе участвуют ферменты расщепляющие АТФ.

Рисунок 1. Обобщённая схема строения эукариотической клетки.
(для увеличения изображения нажмите на рисунок)

Рисунок 2. Строение плазматической мембраны.
1 - пронзающие белки, 2 - погруженные белки, 3 - внешние белки

Рисунок 3. Схема пиноцитоза и фагоцитоза.

Еще более крупные молекулы белков и полисахаридов проникают в клетку путем фагоцитоза (от греч. фагос - пожирающий и китос - сосуд, клетка), а капли жидкости - путем пиноцитоза (от греч. пино - пью и китос ) (рис 3).

Клетки животных, в отличие от клеток растений, окружены мягкой и гибкой "шубой", образованной преимущественно молекулами полисахаридов, которые, присоединяясь к некоторым белкам и липидам мембраны, окружают клетку снаружи. Состав полисахаридов специфичен для разных тканей, благодаря чему клетки "узнают" друг друга и соединяются между собой.

У клеток растений такой "шубы" нет. У них над плазматической мембраной находится пронизанная порами клеточная оболочка , состоящая преимущественно из целлюлозы. Через поры из клетки в клетку тянутся нити цитоплазмы, соединяющие клетки между собой. Так осуществляется связь между клетками и достигается целостность организма.

Клеточная оболочка у растений играет роль прочного скелета и защищает клетку от повреждения.

Клеточная оболочка есть у большинства бактерий и у всех грибов, только химический состав ее другой. У грибов она состоит из хитиноподобного вещества.

Клетки грибов, растений и животных имеют сходное строение. В клетке различают три основные части: ядро, цитоплазму и плазматическую мембрану. Плазматическая мембрана состоит из липидов и белков. Она обеспечивает поступление веществ в клетку и выделение их из клетки. В клетках растений, грибов и большинства бактерий над плазматической мембраной имеется клеточная оболочка. Она выполняет защитную функцию и играет роль скелета. У растений клеточная оболочка состоит из целлюлозы, а у грибов из хитиноподобного вещества. Клетки животных покрыты полисахаридами, обеспечивающими контакты между клетками одной ткани.

Вам известно, что основную часть клетки составляет цитоплазма . В ее состав входят вода, аминокислоты, белки, углеводы, АТФ, ионы не органических веществ. В цитоплазме расположены ядро и органоиды клетки. В ней вещества перемещаются из одной части клетки в другую. Цитоплазма обеспечивает взаимодействие всех органоидов. Здесь протекают химические реакции.

Вся цитоплазма пронизана тонкими белковыми микротрубочками, образующими цитоскелет клетки , благодаря которому она сохраняет постоянную форму. Цитоскелет клетки гибкий, так как микротрубочки способны изменять свое положение, перемещаться, с одного конца и укорачиваться с другого. В клетку поступают разные вещества. Что же происходит с ними в клетке?

В лизосомах - мелких округлых мембранных пузырьках (см. рис. 1) молекулы сложных органических веществ с помощью гидролитических ферментов расщепляются на более простые молекулы. Например, белки расщепляются на аминокислоты, полисахариды - на моносахариды, жиры - на глицирин и жирные кислоты. За эту функцию лизосомы часто называют "пищеварительными станциями" клетки.

Если разрушить мембрану лизосом, то содержащиеся в них ферменты могут переварить и саму клетку. Поэтому иногда лизосомыназывают "орудиями убийства клетки".

Ферментативное окисление образовавшихся в лизосомах мелких молекул аминокислот, моносахаридов, жирных кислот и спиртов до угле кислого газа и воды начинается в цитоплазме и заканчивается в других органоидах - митохондриях . Митохондрии - палочковидные, нитевидные или шаровидные органоиды, отграниченные от цитоплазмы двумя мембранами (рис. 4). Внешняя мембрана гладкая, а внутренняя образует складки - кристы , которые увеличивают ее поверхность. На внутренней мембране и размещаются ферменты, участвующие в реакциях окисления органических веществ до углекислого газа и воды. При этом освобождается энергия, которая запасается клеткой в молекулах АТФ. Поэтому митохондрии называют "силовыми станциями" клетки.

В клетке органические вещества не только окисляются, но и синтезируются. Синтез липидов и углеводов осуществляется на эндоплазматической сети - ЭПС (рис. 5), а белков - на рибосомах. Что представляет собой ЭПС? Это система канальцев и цистерн, стенки которых образованы мембраной. Они пронизывают всю цитоплазму. По каналам ЭПС вещества перемещаются в разные части клетки.

Существует гладкая и шероховатая ЭПС. На поверхности гладкой ЭПС при участии ферментов синтезируются углеводы и липиды. Шероховатость ЭПС придают расположенные на ней мелкие округлые тельца - рибосомы (см. рис. 1), которые участвуют в синтезе белков.

Синтез органических веществ происходит и в пластидах , которые содержатся только в клетках растений.

Рис. 4. Схема строения митохондрии.
1.- внешняя мембрана; 2.- внутренняя мембрана; 3.- складки внутренней мембраны - кристы.

Рис. 5. Схема строения шероховатой ЭПС.

Рис. 6. Схема строения хлоропласта.
1.- наружная мембрана; 2.- внутрення мембрана; 3.- внутреннее содержимое хлоропласта; 4.- складки внутренней мембраны, собранные в "стопки" и образующие граны.

В бесцветных пластидах - лейкопластах (от греч. леукос - белый и пластос - созданный) накапливается крахмал. Очень богаты лейкопластами клубни картофеля. Желтую, оранжевую, красную окраску плодам и цветкам придают хромопласты (от греч. хрома - цвет и пластос ). В них синтезируются пигменты, участвующие в фотосинтезе, - каротиноиды . В жизни растений особенно велико значение хлоропластов (от греч. хлорос - зеленоватый и пластос ) - зеленых пластид. На рисунке 6 вы видите, что хлоропласты покрыты двумя мембранами: наружной и внутренней. Внутренняя мембрана образует складки; между складками находятся пузырьки, уложенные в стопки, - граны . В гранах имеются молекулы хлорофилла, которые участвуют в фотосинтезе. В каждом хлоропласте около 50 гран, расположенных в шахматном порядке. Такое расположение обеспечивает максимальную освещенность каждой граны.

В цитоплазме белки, липиды, углеводы могут накапливаться в виде зерен, кристаллов, капелек. Эти включения - запасные питательные вещества, которые расходуются клеткой по мере необходимости.

В клетках растений часть запасных питательных веществ, а также продукты распада накапливаются в клеточном соке вакуолей (см. рис. 1). На их долю может приходиться до 90% объема растительной клетки. Животные клетки имеют временные вакуоли, занимающие не более 5% их объема.

Рис. 7. Схема строения комплекса Гольджи.

На рисунке 7 вы видите систему полостей, окруженных мембраной. Это комплекс Гольджи , который выполняет в клетке разнообразные функции: участвует в накоплении и транспортировке веществ, выведении их из клетки, формировании лизосом, клеточной оболочки. Например, в полости комплекса Гольджи поступают молекулы целлюлозы, которые при помощи пузырьков перемещаются на поверхность клетки и включаются в клеточную оболочку.

Большинство клеток размножается путем деления. В этом процессе участвует клеточный центр . Он состоит из двух центриолей, окруженных уплотненной цитоплазмой (см. рис. 1). В начале деления центриоли расходятся к полюсам клетки. От них расходятся белковые нити, которые соединяются с хромосомами и обеспечивают их равно мерное распределение между двумя дочерними клетками.

Все органоиды клетки тесно связаны между собой. Например, в рибосомах синтезируются молекулы белков, по каналам ЭПС они транспортируются к разным частям клетки, а в лизосомах белки разрушаются. Вновь синтезируемые молекулы используются на построение структур клетки или накапливаются в цитоплазме и вакуолях как запасные питательные вещества.

Клетка заполнена цитоплазмой. В цитоплазме располагаются ядро и разнообразные органоиды: лизосомы, митохондрии, пластиды, вакуоли, ЭПС, клеточный центр, комплекс Гольджи. Они различаются по своему строению и функциям. Все органоиды цитоплазмы взаимодействуют между собой, обеспечивая нормальное функционирование клетки.

Таблица 1. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ

Важнейшая роль в жизнедеятельности и делении клеток грибов, растений и животных принадлежит ядру и находящимся в нем хромосомам. Большинство клеток этих организмов имеет одно ядро, но есть и многоядерные клетки, например мышечные. Ядро расположено в цитоплазме и имеет округлую или овальную форму. Оно покрыто оболочкой, состоящей из двух мембран. Ядерная оболочка имеет поры, через которые происходит обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Ядро заполнено ядерным соком, в котором расположены ядрышки и хромосомы.

Ядрышки - это "мастерские по производству" рибосом, которые формируются из образуемых в ядре рибосомных РНК и синтезированных в цитоплазме белков.

Главная функция ядра - хранение и передача наследственной информации - связана с хромосомами . Каждый вид организма имеет свой набор хромосом: определенное их число, форму и размеры.

Все клетки тела, кроме половых, называются соматическими (от греч. сома - тело). Клетки организма одного вида содержат одинаковый набор хромосом. Например, у человека в каждой клетке тела содержится 46 хромосом, у плодовой мухи дрозофилы - 8 хромосом.

Соматические клетки, как правило, имеют двойной набор хромосом. Он называется диплоидным и обозначается 2n . Так, у человека 23 пары хромосом, то есть 2n = 46. В половых клетках содержится в два раза меньше хромосом. Это одинарный, или гаплоидный , набор. У человека 1n = 23.

Все хромосомы в соматических клетках, в отличие от хромосом в половых клетках, парные. Хромосомы, составляющие одну пару, идентичны друг другу. Парные хромосомы называют гомологичными . Хромосомы, которые относятся к разным парам и различаются по форме и размерам, называют негомологичными (рис. 8).

У некоторых видов число хромо сом может совпадать. Например, у клевера красного и гороха посевного 2n = 14. Однако хромосомы у них различаются по форме, размерам, нуклеотидному составу молекул ДНК.

Рис. 8. Набор хромосом в клетках дрозофилы.

Рис. 9. Строение хромосомы.

Чтобы понять роль хромосом в передаче наследственной информации, необходимо познакомиться с их строением и химическим составом.

Хромосомы неделящейся клетки имеют вид длинных тонких нитей. Каждая хромосома перед делением клетки состоит из двух одинаковых нитей - хроматид , которые соединяются между ласти перетяжки - (рис. 9).

Хромосомы состоят из ДНК и белков. Поскольку нуклеотидный состав ДНК различается у разных видов, состав хромосом уникален для каждого вида.

Каждая клетка, кроме бактериальной, имеет ядро, в котором находятся ядрышки и хромосомы. Для каждого вида характерен определенный набор хромосом: число, форма и размеры. В соматических клетках большинства организмов набор хромосом диплоидный, в половых - гаплоидный. Парные хромосомы называют гомологичными. Хромосомы состоят из ДНК и белков. Молекулы ДНК обеспечивают хранение и передачу наследственной информации от клетки к клетке и от организма к организму.

Проработав эти темы, Вы должны уметь:

1. Рассказать, в каких случаях следует применять световой микроскоп (строение), трансмиссионный электронный микроскоп.
2. Описать структуру клеточной мембраны и пояснить связь между структурой мембраны и ее способностью осуществлять обмен веществами между клеткой и средой.
3. Дать определение процессам: диффузия, облегченная диффузия, активный транспорт, эндоцитоз, экзоцитоз и осмос. Указать различия между этими процессами.
4. Назвать функции структур и указать, в каких клетках (растительных, животных или прокариотических) они находятся: ядро, ядерная мембрана, нуклеоплазма, хромосомы, плазматическая мембрана, рибосома, митохондрия, клеточная стенка, хлоропласт, вакуоль, лизосома, эндоплазматическая сеть гладкая (агранулярная) и шероховатая (гранулярная), клеточный центр, аппарат Гольджи, ресничка, жгутик, мезосома, пили или фимбрии.
5. Назвать не менее трех признаков, по которым можно отличить растительную клетку от животной.
6. Перечислить важнейшие различия между прокариотической и эукариотической клеткой.

Иванова Т.В., Калинова Г.С., Мягкова А.Н. "Общая биология". Москва, "Просвещение", 2000

• Тема 1. "Плазматическая мембрана." §1, §8 стр. 5;20
• Тема 2. "Клетка." §8-10 стр. 20-30
• Тема 3. "Прокариотическая клетка. Вирусы." §11 стр. 31-34

Биологические мембраны, находящиеся на границе клетки и внеклеточного пространства, а также на границе мембранных ор- ганелл клетки (митохондрии, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы, ядро, мембранные пузырьки) и цитозоля, важны для функционирования не только клетки в целом, но и её органелл. Клеточные мембраны имеют принципиально сходную молекулярную организацию. В этой главе био- логические мембраны рассмотрены преимущественно на примере плазматической мембраны (плазмолеммы), отграничивающей клетку от внеклеточной среды.

Плазматическая мембрана

Любая биологическая мембрана (рис. 2-1) состоит из фосфолипидов (~50%) и белков (до 40%). В меньших количествах в состав мембраны входят другие липиды, холестерол и углеводы.

Фосфолипиды. Молекула фосфолипида состоит из полярной (гидрофильной) части (головка) и аполярного (гидрофобного) двойного углеводородного хвоста. В водной фазе молекулы фосфолипидов автоматически агрегируют хвост к хвосту, формируя каркас биологической мембраны (рис. 2-1 и 2-2) в виде двойного слоя (бислой). Таким образом, в мембране хвосты фосфолипидов (жирные кислоты) направлены внутрь бислоя, а содержащие фосфатные группировки головки обращены кнаружи.

Белки биологических мембран подразделяются на интегральные (в том числе трансмембранные) и периферические (см. рис. 2-1, 2-2).

Интегральные мембранные белки (глобулярные) встроены в липидный бислой. Их гидрофильные аминокислоты взаи-

Рис. 2-1. Биологическая мембрана состоит из двойного слоя фосфолипидов, гидрофильные части которых (головки) направлены к поверхности мембраны, а гидрофобные части (хвосты, стабилизирующие мембрану в виде бислоя) - внутрь мембраны. И - интегральные белки погружены в мембрану. Т - трансмембранные белки пронизывают всю толщу мембраны. Π - периферические белки расположены либо на наружной, либо на внутренней поверхности мембраны.

модействуют с фосфатными группами фосфолипидов, а гидрофобные аминокислоты - с цепями жирных кислот. К интегральным мембранным белкам относятся белки адгезии, некоторые рецепторные белки (мембранные рецепторы). Трансмембранный белок - молекула белка, проходящая через всю толщу мембраны и выступающая из неё как на наружной, так и на внутренней поверхности. К трансмембранным белкам относятся поры, ионные каналы, переносчики, насосы, некоторые рецепторные белки.

Гидрофильный участок

Рис. 2-2. Плазматическая мембрана. Пояснения в тексте.

♦ Поры и каналы - трансмембранные пути, по которым между цитозолем и межклеточным пространством (и в обратном направлении) перемещаются вода, ионы и молекулы метаболитов.

♦ Переносчики осуществляют трансмембранное перемещение конкретных молекул (в том числе в сочетании с переносом ионов или молекул другого типа).

♦ Насосы перемещают ионы против их концентрационного и энергетического градиентов (электрохимический градиент) при помощи энергии, освобождаемой при гидролизе АТФ.

Периферические мембранные белки (фибриллярные и глобулярные) находятся на одной из поверхностей клеточной мембраны (наружной или внутренней) и нековалентно свя- заны с интегральными мембранными белками.

♦ Примеры периферических мембранных белков, связанных с наружной поверхностью мембраны, - рецепторные белки и белки адгезии.

♦ Примеры периферических мембранных белков, связанных с внутренней поверхностью мембраны, - белки цитоскелета, белки системы вторых посредников, ферменты и другие белки.

Углеводы (преимущественно олигосахариды) входят в состав гликопротеинов и гликолипидов мембраны, составляя 2-10% её массы (см. рис. 2-2). С углеводами клеточной поверхности взаимодействуют лектины. Цепи олигосахаридов выступают на наружной поверхности мембран клетки и формируют поверхностную оболочку - гликокаликс.

Проницаемость мембраны

Мембранный бислой разделяет две водные фазы. Так, плазматическая мембрана отделяет межклеточную (интерстициальную) жидкость от цитозоля, а мембраны лизосом, пероксисом, митохондрий и других мембранных внутриклеточных органелл - их содержимое от цитозоля. Биологическая мембрана - полупроницаемый барьер.

Полупроницаемая мембрана. Биологическую мембрану определяют как полупроницаемую, т.е. барьер, непроницаемый для воды, но проницаемый для растворённых в ней веществ (ионы и молекулы).

Полупроницаемые тканевые структуры. К полупроницаемым тканевым структурам относят также стенку кровеносных капилляров и различные барьеры (например, фильтрационный барьер почечных телец, аэрогематический барьер респираторного отдела лёгкого, гематоэнцефалический барьер и многие другие, хотя в состав таких барьеров, помимо биологических мембран (плазмолемма), входят и немембранные компоненты. Проницаемость таких тканевых структур рассматривается в разделе «Трансклеточная проницаемость» главы 4.

Физико-химические параметры межклеточной жидкости и цитозоля существенно различны (см. табл. 2-1), как и параметры каждого мембранного внутриклеточного органоида и цитозоля. Наружная и внутренняя поверхности биологической мембраны полярны и гидрофильны, но неполярная сердцевина мембраны гидрофобна. Поэтому неполярные вещества могут проникать через липидный бислой. В то же время именно гидрофобный характер сердцевины биологической мембраны определяет принципиальную невозможность непосредственного проникновения через мембрану полярных веществ.

Неполярные вещества (например, водонерастворимые холестерол и его производные) свободно проникают через биологические мембраны. В частности, именно по этой причине рецепторы стероидных гормонов расположены внутри клетки.

Полярные вещества (например, ионы Na+, K+, Cl - , Ca 2 +; различные небольшие, но полярные метаболиты, а также сахара, нуклеотиды, макромолекулы белка и нуклеиновых кислот) сами по себе не проникают через биологические мембраны. Именно поэтому рецепторы полярных молекул (например, пептидных гормонов) встроены в плазматическую мембрану, а передачу гормонального сигнала к другим клеточным компартментам осуществляют вторые посредники.

Избирательная проницаемость - проницаемость биологической мембраны по отношению к конкретным химическим веществам - важна для поддержания клеточного гомеостаза, оптимального содержания в клетке ионов, воды, метаболитов и макромолекул. Перемещение конкретных веществ через биологическую мембрану называют трансмембранным транспортом (чрезмембранный транспорт).

Трансмембранный транспорт

Избирательная проницаемость осуществляется при помощи пассивного транспорта, облегчённой диффузии и активного транс- порта.

Пассивный транспорт

Пассивный транспорт (пассивная диффузия) - движение небольших неполярных и полярных молекул в обоих направлениях по градиенту концентрации (разность химического потенциала) или по электрохимическому градиенту (транспорт заряженных веществ - электролитов) осуществляется без затрат энергии и характеризуется низкой специфичностью. Простую диффузию описывает закон Фика. Пример пассивного транспорта - пассивная (простая) диффузия газов при дыхании.

Концентрационный градиент. Определяющий фактор диффузии газов - их парциальное давление (например, парциальное давление кислорода - Po 2 и парциальное давление диоксида углерода - PCO 2). Другими словами, при простой диффузии поток незаряженного вещества (например, газов, стероидных гормонов, анестетиков) через липидный бислой прямо пропорционален разности концентрации этого вещества по обе стороны мембраны (рис. 2-3).

Электрохимический градиент (Δμ х). Пассивный транспорт заряженного растворённого вещества Х зависит от разности концентраций вещества в клетке ([Х] В) и вне (снаружи) клетки ([Х] С) и от разницы электрического потенциала вне (Ψ С) и внутри клетки (Ψ Β). Другими словами, Δμ χ учитывает вклад и концентрационного градиента вещества (разность химического потенциала), и электрического потенциала по обе стороны мембраны (разность электрического потенциала).

Φ Таким образом, движущей силой пассивного транспорта электролитов является электрохимический градиент - раз- ность электрохимического потенциала (Δμ х) по обе стороны биологической мембраны.

Облегчённая диффузия

Для облегчённой диффузии веществ (см. рис. 2-3) необходимы встроенные в мембрану белковые компоненты (поры, пере- носчики, каналы). Все эти компоненты относятся к интегральным

Рис. 2-3. Пассивный транспорт путём диффузии через плазматическую мембрану. А - направление транспорта вещества и при простой, и при об- легчённой диффузии происходит по градиенту концентрации вещества по обе стороны плазмолеммы. Б - кинетика транспорта. По ординате - количество диффундировавшего вещества, по ординате - время. Простая диффузия не требует непосредственных затрат энергии, является ненасыщаемым процессом, её скорость линейно зависит от градиента концентрации вещества.

(трансмембранным) белкам. Облегчённая диффузия происходит по градиенту концентрации для неполярных веществ или по электрохимическому градиенту для полярных веществ.

Поры. По определению, заполненный водой канал поры всегда открыт (рис. 2-4). Поры формируют разные белки (порины, перфорины, аквапорины, коннексины и др.). В некоторых случаях образуются гигантские комплексы (например, ядерные поры), состоящие из множества разных белков.

Переносчики (транспортёры) осуществляют транспорт через биологические мембраны множества различных ионов (Na+, Cl - , H+, HCO 3 - и др.) и органических веществ (глюкоза, аминокислоты, креатин, норадреналин, фолаты, лактат, пируват и др.). Транспортёры специфичны: каждый конкретный пере-

Рис. 2-4. Пора в плазмолемме .

Канал поры всегда открыт, поэтому химическое вещество Х проходит через мембрану по градиенту его концентрации или (если вещество Х заряжено) по электрохимическому градиенту. В данном случае происходит перемещение вещества Х из внеклеточного пространства в цитозоль.

носчик переносит через липидный бислой, как правило и по преимуществу, одно вещество. Различают однонаправленный (унипорт), сочетанный (симпорт) и разнонаправленный (антипорт) транспорт (рис. 2-5).

Переносчики, осуществляющие как сочетанный (симпорт), так и разнонаправленный (антипорт) трансмембранный перенос, с точки зрения энергетических затрат функционируют так, что энергия, накапливающаяся при переносе одного вещества (обычно Na+), затрачивается на транспорт другого вещества. Такой тип трансмембранного переноса называют вторичным активным транспортом (см. ниже). Ионные каналы состоят из связанных между собой белковых СЕ, формирующих в мембране гидрофильную пору (рис. 2-6). Через открытую пору по электрохимическому градиенту диффундируют ионы. Свойства ионных каналов (в том числе специфичность и проводимость) определяют как аминокислотная последовательность конкретного полипептида, так и конформационные изменения, происходящие с разными частями полипептидов в составе интегрального белка канала. Специфичность. Ионные каналы специфичны (селективны) по отношению к конкретным катионам и анионам [например, для Na+ (натриевый канал), K+ (калиевый

Рис. 2-5. Модель вариантов трансмембранного переноса разных молекул .

Рис. 2-6. Модель калиевого канала. Интегральный белок (на рисунке цифрами помечены фрагменты белка) пронизывает всю толщу липидного бислоя, формируя заполненную водой пору канала (на рисунке в канале видны три иона калия, ниж- ний из них находится в полости поры).

канал), Ca 2 + (кальциевый канал), Cl - (хлорный канал) и

др.].

Φ Проводимость определяется количеством ионов, способных пройти через канал в единицу времени. Проводимость канала изменяется в зависимости от того, открыт канал или закрыт.

Φ Ворота. Канал может находиться либо в открытом, либо в закрытом состоянии (рис. 2-7). Поэтому модель канала предусматривает наличие устройства, открывающего и закрывающего канал, - воротного механизма, или ворот канала (по аналогии с открытыми и закрытыми воротами).

Φ Функциональные компоненты. Помимо ворот, модель ионного канала предусматривает существование таких функци- ональных компонентов, как сенсор, избирательный фильтр и пора открытого канала.

Рис. 2-7. Модель воротного механизма ионного канала . А. Ворота канала закрыты, ион Х не может пройти через мембрану. Б. Ворота канала открыты, ионы Х проходят через мембрану по поре канала.

♦ Сенсор. Каждый канал имеет один (иногда больше) сенсоров к разным типам сигналов: изменениям мембран- ного потенциала (МП), вторым посредникам (с цитоплазматической стороны мембраны), разным лигандам (с внеклеточной стороны мембраны). Эти сигналы регулируют переход между открытым и закрытым состоянием канала.

■ Классификация каналов по чувствительности к разным сигналам. По этому признаку каналы подразделяются на потенциалзависимые, механочувствительные, рецепторзависимые, G-белокзависимые, Са 2 +-зависимые.

♦ Избирательный фильтр определяет, какие именно типы ионов (анионы или катионы) или конкретные ионы (например, Na+, К+, Ca 2 +, Cl -) имеют доступ в пору канала.

♦ Пора открытого канала. После приобретения интегральным белком канала конформации, соответствующей открытому состоянию канала, формируется трансмембранная пора, внутри которой перемещаются ионы.

Φ Состояния канала. Благодаря наличию ворот, сенсора, избирательного фильтра и поры ионные каналы могут быть в состоянии покоя, активации и инактивации.

♦ Состояние покоя - канал закрыт, но готов к открытию в ответ на химические, механические или электрические стимулы.

♦ Состояние активации - канал открыт и пропускает ионы.

♦ Состояние инактивации - канал закрыт и не способен к активации. Инактивация возникает тотчас после открытия канала в ответ на действие стимула и длится от нескольких до нескольких сотен миллисекунды (в зависимости от типа канала).

Φ Примеры. Наиболее распространённые каналы - для Na+, K+, Ca 2 +, Cl - , НСО - 3 .

♦ Натриевые каналы имеются практически в любой клетке. Поскольку трансмембранная разность электрохимического потенциала для Na+ (Δμ ?а) отрицательна, при открытом состоянии Na + -канала ионы натрия устремляются из меж- клеточного пространства в цитозоль (слева на рис. 2-8).

Рис. 2-8. Na+-, K + -насос . Модель Na+-, К+-АТФазы, встроенной в плаз- матическую мембрану. Na+-, К+-насос - интегральный мембранный белок, состоящий из четырёх СЕ (формирующие канал две каталитические субъединицы α и две - гликопротеина β). Na+-, К+-насос осуществляет транспорт катионов против электрохимического градиента (μ x) - транспортирует Na+ из клетки в обмен на K + (при гидролизе одной молекулы АТФ три иона Na + выкачиваются из клетки и два иона K + закачиваются в неё). Слева и справа от насоса стрелками показаны направления трансмембранного потока ионов и воды в клетку (Na+) и из клетки (К+, Cl - и вода) в силу различий их Δμ x . АДФ - аденозиндифосфат, Фн - неорганический фосфат.

■ В электровозбудимых структурах (например, скелетные МВ, кардиомиоциты, ГМК, нейроны) натриевые каналы генерируют ПД, точнее начальный этап деполяризации мембраны. Потенциалвозбудимые натриевые каналы - гетеродимеры; в их состав входит большая α-субъединица (M r около 260 кД) и несколько β-субъединиц (M r 32-38 кД). Определяет свойства канала трансмембранная α-СЕ.

■ В канальцах нефрона и в кишечнике Na+-каналы концентрируются на верхушке эпителиальных клеток, поэтому Na + входит в эти клетки из просвета и далее поступает в кровь, обеспечивая реабсорбцию натрия в почке и всасывание натрия в ЖКТ.

♦ Калиевые каналы (см. рис. 2-6) - интегральные мембранные белки, эти каналы обнаружены в плазмолемме всех клеток. Трансмембранная разность электрохимического потенциала для К+ (Δμ κ) близка к нулю (или слегка положительна), поэтому при открытом состоянии К+-канала ионы калия перемещаются из цитозоля во внеклеточное пространство («утечка» калия из клетки, справа на рис. 2-8). Функции К+-каналов - поддержание МП покоя (отрицателен по внутренней поверхности мембраны), регуляция объёма клетки, участие в завершении ПД, модуляция электрической возбудимости нервных и мышечных структур, секреция инсулина из β-клеток островков Лангерханса.

♦ Кальциевые каналы - белковые комплексы, состоящие из нескольких СЕ (α ρ α 2 , β, γ, δ). Поскольку трансмембранная разность электрохимического потенциала для Ca 2 + (Δμ ca) существенно отрицательна, то при открытом состоянии Ca^-канала ионы кальция устремляются из внутриклеточных мембранных «депо кальция» и межклеточного пространства в цитозоль. При активации каналов происходит деполяризация мембраны, а также взаимодействие лигандов с их рецепторами. Ca 2+ -каналы подразделяются на потенциалзависимые и управляемые рецепторами (например, адренергическими).

♦ Анионные каналы. Многие клетки содержат разные типы анионоселективных каналов, через которые происходит пассивный транспорт Cl - и в меньшей степени - НСО - 3 . Поскольку трансмембранная разность электрохимического потенциала для Cl - (Δμ α) умеренно отрицательна, при открытом анионном канале ионы хлора диффундируют из цитозоля в межклеточное пространство (справа на рис. 2-8).

Активный транспорт

Активный транспорт - энергозависимый трансмембранный перенос против электрохимического градиента. Различают первичный и вторичный активный транспорт. Первичный активный транспорт осуществляют насосы (различные АТФазы), вторичный - симпор- тёры (сочетанный однонаправленный транспорт) и антипортёры (встречный разнонаправленный транспорт).

Первичный активный транспорт обеспечивают следующие насосы: натрий-, калиевые АТФазы, протонные и калиевые АТФазы, Са 2+ -транспортирующие АТФазы, митохондриальные АТФазы, лизосомальные протонные насосы и др.

Φ Натрий-, калиевая АТФаза (см. рис. 2-8) регулирует трансмембранные потоки основных катионов (Na + , К +) и опосредованно - воды (что поддерживает постоянный объём клетки), обеспечивает?+-связанный трансмембранный перенос (симпорт и антипорт) множества органических и неорганических молекул, участвует в создании МП покоя и генерации ПД нервных и мышечных элементов.

Φ Протонная и калиевая АТФаза (H+-, К+-насос). При помощи этого фермента париетальные клетки желёз слизистой оболочки желудка участвуют в образовании соляной кислоты (электронейтральный обмен двух внеклеточных ионов К + на два внутриклеточных иона H + при гидролизе одной молекулы АТФ).

Φ Са 2 +-транспортирующие АТФазы (Са 2 +-АТФазы) выкачивают ионы кальция из цитоплазмы в обмен на протоны против значительного электрохимического градиента Са 2+ .

Φ Митохондриальная АТФаза типа F (F 0 F:) - АТФ-синтаза внутренней мембраны митохондрий - катализирует конечный этап синтеза АТФ. Кристы митохондрий содержат АТФ-синтазу, сопрягающую окисление в цикле Кребса и фосфорилирование АДФ до АТФ. АТФ синтезируется при обратном токе протонов в матрикс через канал в АТФ- синтезирующем комплексе (так называемое хемиосмотическое сопряжение).

Φ Лизосомальные протонные насосы [Н+-АТФазы типа V (от Vesicular)], встроенные в мембраны, которые окружают лизосомы (также комплекс Гольджи и секреторные пузырьки), транспортируют H + из цитозоля в эти мембранные органеллы. В результате в них снижается значение pH, что оптимизирует функции этих структур.

Вторичный активный транспорт. Известны две формы активного вторичного транспорта - сочетанный (симпорт) и встречный (антипорт) (см. рис. 2-5).

Φ Симпорт осуществляют интегральные мембранные белки. Перенос вещества Х против его электрохимического гра-

диента (μ x) в большинстве случаев происходит за счёт поступления в цитозоль из межклеточного пространства по градиенту диффузии ионов натрия (т.е. за счёт Δμ Na)), а в ряде случаев - за счёт поступления в цитозоль из межклеточного пространства по градиенту диффузии протонов (т.е. за счёт Δμ H . В итоге и ионы (Na+ или H+), и вещество Х (например, глюкоза, аминокислоты, неорганические анионы, ионы калия и хлора) перемещаются из межклеточного вещества в цитозоль. Φ Антипорт (встречный, или обменный транспорт), как правило, перемещает анионы в обмен на анионы и катионы в обмен на катионы. Движущая сила обменника формируется за счёт поступления в клетку Na+.

Поддержание внутриклеточного ионного гомеостаза

Избирательная проницаемость биологических мембран, осуществляемая при помощи пассивного транспорта, облегчённой диффузии и активного транспорта, направлена на поддержание важных для функционирования клеток параметров ионного гомеостаза , , и других ионов, а также pH () и воды (табл. 2-1) и множества других химических соединений.

Гомеостаз и подразумевает поддержание асимметричного и значительного трансмембранного градиента этих катионов, обеспечивает электрическую поляризацию клеточных мембран, а также накопление энергии для трансмембранного переноса разных химических веществ.

Φ Значительный и асимметричный трансмембранный градиент.

Для и характерен значительный и асимметричный трансмембранный градиент этих катионов: внеклеточная примерно в 10 раз выше цитозоля, тогда как внутриклеточная примерно в 30 раз выше внеклеточной . Поддержание этого градиента почти полностью обеспечивает Na+-, К+-АТФаза (см. рис. 2-8).

Φ Поляризация мембраны. Na+-, К+-насос обладает электрогенностью: его работа способствует поддержанию мембранного потенциала (МП), т.е. положительного заряда наружной (внеклеточной) поверхности мембраны и отрицательного заряда внутренней (внутриклеточной) поверхности мембраны. Величина заряда (V m), измеренная на внутренней поверхности мембраны, составляет около -60 мВ.

Φ Трансмембранный электрохимический градиент Na+, направленный внутрь клетки, способствует пассивному входу Na + в цитозоль и - главное! - накоплению при этом энергии. Именно эту энергию клетки используют для решения ряда важных задач - обеспечения вторичного активного транспорта и трансклеточного переноса, а в возбудимых клетках - генерации потенциала действия (ПД).

♦ Трансклеточный перенос. В эпителиальных клетках, образующих стенку разных трубок и полостей (например, канальцев нефрона, тонкого кишечника, серозных полостей и др.), на верхушечной поверхности эпителия расположены Na+-каналы, а в плазмолемму базальной поверхности клеток вмонтированы Na+-, К+-насосы. Такое асимметричное расположение Na+-каналов и?+-насосов позволяет перекачивать ионы натрия сквозь клетку, т.е. из просвета канальцев и полостей во внутреннюю среду организма.

♦ Потенциал действия (ПД). В электровозбудимых клеточных элементах (нейроны, кардиомиоциты, скелетные МВ, ГМК) пассивный вход в цитозоль через потенциалзависимые Na+-каналы критичен для генерации ПД (подробнее см. в гл. 5).

Гомеостаз . Поскольку Са 2 + цитозоля выступает в качестве второго (внутриклеточного) посредника, регулирующего множество функций, то в цитозоле клетки в состоянии

покоя минимальна (<100 нМ, или 10 -7 M). В то же время внеклеточная около 1 мМ (10 -3 M). Таким образом, разни- ца трансмембранного электрохимического градиента для Ca 2+ (Δμ^) гигантская - 4 порядка величины μ Ca ! Другими словами, между цитозолем и внеклеточной средой (а также между цитозолем и внутриклеточными депо кальция, в первую очередь цистернами эндоплазматической сети) существует весьма значительный трансмембранный градиент Ca 2+ . Именно поэтому поступление Ca 2+ в цитозоль происходит практически мгновенно: в виде «выброса» Ca 2 + из кальциевых депо или «вброса» Ca 2 + из межклеточного пространства. Поддержание столь низкой в цитозоле обеспечивают Са 2 +-АТФазы, Na+-Ca 2 +-обменники и Ca 2 +-буферные внутриклеточные системы (митохондрии и Ca 2 +-связывающие белки).

Гомеостаз . Во всех клетках в цитозоле примерно в 10 раз меньше вне клетки. Эту ситуацию поддерживают анионные каналы (Cl - пассивно проходит в цитозоль), Na-/ К-/Cl-котранспортёр и Cl-HCO^-обменник (Cl - поступает в клетку), а также К-/Cl-котранспортёр (выход К+ и Cl - из клетки).

pH. Для поддержания pH существенна , а также [НСО - 3 ] и PCO 2 . Внеклеточное значение pH составляет 7,4 (при [НСО - 3 ] около 24 мМ и PCO 2 примерно 40 мм рт.ст.). В то же время внутриклеточное значение pH равно 7,2 (сдвинуто в кислую сторону, при этом одинаково по обе стороны мембраны, а вычисленное значение [НСО - 3 ] должно составить около 16 мМ, тогда как реально составляет 10 мМ). Следовательно, клетка должна иметь системы, выбрасывающие из неё H + или захватывающие НСО - 3 . К таким системам относятся Na + - ^-обменник, Na+-Cl - -HCO - 3 -обменник и Na+-HCO - 3 - котранспортёр. Все перечисленные транспортные системы чувствительны к изменениям pH: они активируются при закислении цитозоля и блокируются при сдвиге внутриклеточного pH в щелочную сторону.

Транспорт воды и поддержание клеточного объёма

По определению, сама по себе полупроницаемая мембрана (а ею и является биологическая мембрана) непроницаема для воды. Более того, трансмембранный перенос воды - всегда пассивный

процесс (через водные аквапориновые каналы как раз и происходит простая диффузия воды, но никаких специальных насосов для активного транспорта воды не обнаружено), осуществляемый через трансмембранные поры и каналы в составе других переносчиков и насосов. Тем не менее распределение воды между клеточными компартментами, цитозолем и органоидами клетки, между клеткой и интерстициальной жидкостью и её транспорт через биологические мембраны имеют огромное значение для гомеостаза клеток (в том числе для регулирования их объёма). Поток воды через биологические мембраны (осмос) определяет разность осмотического и гидростатического давления по обе стороны мембраны.

Осмос - поток воды через полупроницаемую мембрану из компартмента с меньшей концентрацией растворённых в воде веществ в компартмент с большей их концентрацией. Другими словами, вода перетекает оттуда, где её химический потенциал (Δμ а) выше, туда, где её химический потенциал ниже, так как наличие растворённых в воде веществ уменьшает химический потенциал воды.

Осмотическое давление (рис. 2-9) определяют как давление раствора, прекращающее его разведение водой через полупроницаемую мембрану. Численно осмотическое давление при равновесном состоянии (вода перестала проникать через полупроницаемую мембрану) равно гидростатическому давлению.

Осмотический коэффициент (Φ). Значение Φ для электролитов в физиологических концентрациях обычно менее 1 и по мере разведения раствора Φ приближается к 1.

Осмоляльность. Термины «осмоль» и «осмоляльность» - внесистемные единицы. Осмоль (осм) - молекулярная масса рас- творённого вещества в граммах, делённая на число ионов или частиц, на которые оно диссоциирует в растворе. Осмоляльность (осмотическая концентрация) - степень концентрации раствора, выраженная в осмолях, а осмоляльность раствора (Ф iс) выражают в осмолях на литр.

Осмотичность растворов. В зависимости от осмоляльности растворы могут быть изоосмотическими, гипер- и гипоосмотическими (иногда применяют не совсем корректный термин «тонический», справедливый для простейшего случая - для электролитов). Оценка осмотичности растворов (или ци-

Рис. 2-9. Осмотическое давление . Полупроницаемая мембрана разделяет отсеки А (раствор) и Б (вода). Осмотическое давление раствора измеряют в отсеке А. На раствор в отсеке А действует гидростатическое давление. При равенстве осмотического и гидростатического давлений устанавливается равновесие (вода не проникает через полупроницаемую мембрану). Осмотическое давление (π) описывает уравнение Вант Гоффа.

тозоля и межклеточной жидкости) имеет смысл только при сравнении двух растворов (например, АиБ, цитозоля и межклеточной жидкости, инфузионных растворов и крови). В частности, независимо от осмоляльности двух растворов между ними происходит осмотическое перемещение воды до достижения равновесного состояния. Такая осмотичность известна как эффективная осмотичность (тоничность для раствора электролитов).

Изоосмотический раствор А: осмотическое давление растворов А и Б одинаково.

Гипоосмотический раствор А: меньше осмотического давления раствора Б. Гиперосмотический раствор А: осмотическое давление раствора А больше осмотического давления раствора Б.

Кинетика транспорта воды через мембрану линейна, ненасыщаема и является функцией суммы движущих сил транспорта (Δμ вода, сумма), а именно разницы химического потенциала по обе стороны мембраны (Δμ вод а) и разницы гидростатического давления (Δμ давление воды) по обе стороны мембраны.

Осмотическое набухание и осмотическое сморщивание клеток. Состояние клеток при изменении осмотичности раствора электролита, в котором взвешены клетки, рассмотрено на рис. 2-10.

Рис. 2-10. Состояние взвешенных в растворе NaCl эритроцитов . По абсциссе - концентрация (С) NaCl (мМ), по ординате - объём клеток (V). При концентрации NaCl 154 мМ (308 мМ осмотически активных частиц) объём клеток такой же, как и в плазме крови (изотоничный эритроцитам раствор NaCl, С 0 , V 0). При увеличении концентрации NaCl (гипертонический раствор NaCl) вода выходит из эритроцитов, и они сморщиваются. При уменьшении концентрации NaCl (гипотонический раствор NaCl) вода входит в эритроциты, и они набухают. При гипотоничности раствора, примерно в 1,4 превышающей значение изотонического раствора, происходит разрушение мембраны (лизис).

Регуляция объёма клеток. На рис. 2-10 рассмотрен простейший случай - взвесь эритроцитов в растворе NaCl. В этом модельном эксперименте in vitro получены такие результаты: если осмотическое давление раствора NaCl увеличивается, то вода покидает клетки путём осмоса, а клетки сморщиваются; если осмотическое давление раствора NaCl уменьшается, вода поступает в клетки, и клетки набухают. Но ситуация in vivo сложнее. В частности, клетки находятся не в растворе единственного электролита (NaCl), а в реальном окружении

множества ионов и молекул с разными физико-химическими характеристиками. Так, плазматическая мембрана клеток не- проницаема для многих вне- и внутриклеточных веществ (например, белков); кроме того, в рассмотренном выше случае не учитывался заряд мембраны. Заключение. Ниже суммированы данные о регуляции распределения воды между компартментами, разделёнными полупроницаемой мембраной (в том числе между клетками и внеклеточным веществом).

Поскольку клетка содержит не проходящие через мембрану отрицательно заряженные белки, доннановские силы вызывают набухание клетки.

Клетка реагирует на внеклеточную гиперосмоляльность накоплением в ней органических растворённых веществ.

Градиент тоничности (эффективная осмоляльность) обеспечивает осмотический ток воды через мембрану.

Вливание изотонических солевых и бессолевых растворов (5% глюкозы), а также введение NaCI (эквивалентно изотоническому солевому раствору) увеличивает объём межклеточной жидкости, но по-разному влияет на объём клеток и внеклеточную осмоляльность. В приведённых ниже примерах все расчёты даны исходя из следующих начальных значений: вся вода организма - 42 л (60% организма мужчины массой 70 кг), внутриклеточная вода - 25 л (60% всей воды), внеклеточная вода - 17 л (40% всей воды). Осмоляльность внеклеточной жидкости и внутриклеточной воды составляет 290 мосм.

Φ Изотонические солевые растворы. Вливание изотонического солевого раствора (0,9% NaCI) увеличивает объём межклеточной жидкости, но не влияет на объём внутриклеточной жидкости.

Φ Изотонические бессолевые растворы. Приём 1,5 л воды или вливание изотонического бессолевого раствора (5% глюкозы) увеличивает объём и межклеточной, и внутриклеточной жидкости.

Φ Хлорид натрия. Введение в организм NaCI (эквивалентно изотоническому солевому раствору) увеличивает объём межклеточной воды, но уменьшает объём внутриклеточной воды.

Мембранный электрогенез

Различная концентрация ионов по обе стороны плазмолеммы всех клеток (см. табл. 2-1) приводит к трансмембранной разности электрического потенциала - Δμ - мембранного потенциала (МП, или V m).

Мембранный потенциал

МП покоя - разность электрических потенциалов между внутренней и наружной поверхностью мембраны в состоянии покоя, т.е. при отсутствии электрического или химического раздражителя (сигнала). В состоянии покоя поляризация внутренней поверхности клеточной мембраны имеет отрицательную величину, поэтому значение МП покоя тоже отрицательно.

Величина МП существенно зависит от типа клеток и их размеров. Так, МП покоя плазмолеммы нервных клеток и кардиомиоцитов варьирует от -60 до -90 мВ, плазмолеммы скелетного МВ - -90 мВ, ГМК около -55 мВ, эритроцитов примерно -10 мВ. Изменения величины МП описывают специальными терминами: гиперполяризация (увеличение величины МП), деполяризация (уменьшение величины МП), реполяризация (увеличение величины МП после деполяризации).

Природа МП определяется трансмембранными ионными градиентами (формируются непосредственно за счёт состояния ионных каналов, активности переносчиков, а опосредованно - за счёт активности насосов, в первую очередь Na + -/К + -АТФазы) и проводимостью мембраны.

Трансмембранный ионный ток. Сила тока (I), текущего через мембрану, зависит от концентрации ионов по обе стороны мембраны, МП и проницаемости мембраны для каждого иона.

Если мембрана проницаема для К+, Na+, Cl - и других ионов, их суммарный ионный ток представляет собой сумму ионного тока каждого из ионов:

I суммарный = I K + + I Nа+ + + I CI- + I X + + I X1 + ... +I Xn .

Потенциал действия (ПД) рассмотрен в главе 5.

Транспортные мембранные пузырьки

Транспортные процессы клетки происходят не только через полупроницаемую мембрану, но и при помощи транспортных мембранных пузырьков, отделяющихся от плазмолеммы или сливающихся с ней, а также отделяющихся от различных внутриклеточных мембран и сливающихся с ними (рис. 2-11). При помощи таких мембранных пузырьков клетка поглощает из внеклеточной среды воду, ионы, молекулы и частицы (эндоцитоз), выделяет секреторные продукты (экзоцитоз) и осуществляет внутри клетки транспорт между органоидами. Все эти процессы основаны на исключительной лёгкости, с которой в водной фазе фосфолипидный бислой мембран выделяет («отшнуровывает») такие пузырьки (ли- посомы, суммарно называемые эндосомами) в цитозоль и сливает-

Рис. 2-11. Эндоцитоз (А) и экзоцитоз (Б) . При эндоцитозе участок плазматической мембраны впячивается и замыкается. Образуется эндоцитозный пузырёк, содержащий поглощённые частицы. При экзоцитозе мембрана транспортных или секреторных пузырьков сливается с плазматической мембраной и содержимое пузырьков высвобождается во внеклеточное пространство. В слиянии мембран участвуют специальные белки.

ся с ними. В ряде случаев идентифицированы мембранные белки, способствующие слиянию фосфолипидных бислоёв.

Эндоцитоз (эндо - внутренний, внутрь + греч. kytos - клетка + греч. osis - состояние, процесс) - поглощение (интернализация) клеткой веществ, частиц и микроорганизмов (рис. 2-11, А). Варианты эндоцитоза - пиноцитоз, опосредуемый рецепторами эндоцитоз и фагоцитоз.

Φ Пиноцитоз (греч. pino - пить + греч. kytos - клетка + греч. osis - состояние, процесс) - процесс поглощения жидкости и растворённых веществ с образованием небольших пузырьков. Пиноцитозные пузырьки формируются в специализированных областях плазматической мембраны - окаймлённых ямках (рис. 2-12).

Φ Опосредуемый рецепторами эндоцитоз (см. рис. 2-12) характеризуется поглощением из внеклеточной жидкости конкретных макромолекул. Ход процесса: связывание лиганда и мембранного рецептора - концентрирование комплекса лиганд-рецептор на поверхности окаймлённой ямки - по- гружение в клетку внутри окаймлённого пузырька. Подобным образом клетка поглощает трансферрин, холестерол вместе с ЛПНП и многие другие молекулы.

Φ Фагоцитоз (греч. phagein - поедать, пожирать + греч. kytos - клетка + греч. osis - состояние, процесс) - поглощение

Рис. 2-12. Опосредуемый рецепторами эндоцитоз . Многие внеклеточные макромолекулы (трансферрин, ЛПНП, вирусные частицы и др.) связываются со своими рецепторами в плазмолемме. Образуются клатриновые окаймлённые ямки, а затем - окаймлённые пузырьки, содержащие комплекс лиганд-рецептор. Окаймлённые пузырьки после освобождения от клатрина - эндосома. Внутри эндосом лиганд отщепляется от рецептора.

крупных частиц (например, микроорганизмов или остатков клеток). Фагоцитоз (рис. 2-13) осуществляют специальные клетки - фагоциты (макрофаги, нейтрофильные лейкоциты). В ходе фагоцитоза образуются большие эндоцитозные пузырьки - фагосомы. Фагосомы сливаются с лизосомами и формируют фаголизосомы. Фагоцитоз индуцируют сигналы, воздействующие на рецепторы в плазмолемме фагоцитов. Подобными сигналами служат АТ (также компонент комплемента C3b), опсонизирующие фагоцитируемую частицу (такой фагоцитоз известен как иммунный). Экзоцитоз (экзо - наружный, наружу + греч. kytos - клетка + греч. osis - состояние, процесс), или секреция, - процесс, при котором внутриклеточные секреторные пузырьки (например, синаптические) и секреторные пузырьки и гранулы сливаются с плазмолеммой, а их содержимое освобождается из клетки (см. рис. 2-11, Б). Процесс секреции может быть спонтанным и регулируемым.

Рис. 2-13. Фагоцитоз . Бактерия, покрытая молекулами IgG, эффективно фагоцитируется макрофагом или нейтрофилом. Fab-фрагменты IgG связываются с антигенными детерминантами на поверхности бактерии, после чего те же молекулы IgG своими Fc-фрагментами взаимодействуют с рецепторами Fc-фрагментов, расположенными в плазматической мембране фагоцита, и активируют фагоцитоз.

Обобщение главы

Плазматическая мембрана состоит из белков, расположенных между двумя слоями фосфолипидов. Интегральные белки погружены в толщу липидного бислоя или пронизывают мембрану насквозь. Периферические белки прикреплены к наружной поверхности клеток.

Пассивное движение растворённых веществ через мембрану определяется их градиентом и достигает равновесия в тот момент, когда прекращается движение растворённых частиц.

Простая диффузия - прохождение жирорастворимых веществ через плазматическую мембрану путём диффузии между бислоем липидов.

Облегчённая диффузия - прохождение водорастворимых веществ и ионов через гидрофильные пути, созданные встроенными в мембрану интегральными белками. Прохождение небольших ионов опосредовано специфическими белками ионных каналов.

Активный транспорт - использование метаболической энергии для перемещения растворённых частиц против градиентов их концентрации.

Быстрый переход воды через плазматические мембраны происходит посредством канальных белков, так называемых аквапори- нов. Движение воды является пассивным процессом, активируемым разницей в осмотическом давлении.

Клетки регулируют свой объём, перемещая растворённые частицы внутрь или наружу, создавая осмотическую тягу для входа или выхода воды соответственно.

Мембранный потенциал покоя определяется пассивным движением ионов через постоянно открытые каналы. В мышечной клет- ке, например, проницаемость мембраны для ионов натрия ниже в сравнении с ионами калия и мембранный потенциал покоя созда- ётся пассивным выходом ионов калия из клетки.

Транспортные мембранные пузырьки - основное средство передвижения белков и липидов внутри клетки.

Важнейшие функции мембран: мембраны контролируют состав внутриклеточной среды, обеспечивают и облегчают межклеточную и внутриклеточную передачу информации, обеспечивают образование тканей с помощью межклеточных контактов.