Потенциал покоя на мембране, его происхождение. Пассивный и активный транспорт веществ через мембрану.

Поляризация мембраны в состоянии покоя, т.е. возникно¬вение МП, при наличии трансмембранного градиента кон¬центраций ионов объясняется прежде всего выходом по кана¬лам утечки внутриклеточного К+ в окружающую клетку среду. Так, в состоянии физиологического покоя мембрана, напри¬мер, нервных волокон в 25 раз более проницаема для К+, чем для Na+. Выход положительно заряженных К+ приводит к формированию положительного заряда на наружной поверх¬ности мембраны. Органические анионы — крупномолекуляр¬ные соединения, которые несут отрицательный заряд и для которых мембрана клетки непроницаема, придают в этих условиях внутренней поверхности мембраны отрицательный заряд. На степень поляризации мембраны в состоянии покоя оказывает влияние перемещение через нее и других ионов, но в условиях относительного покоя оно невелико.

В состоянии покоя потоки ионов через мембрану, движу¬щиеся по их концентрационным градиентам, в конечном сче¬те должны были бы привести к выравниванию концентрации ионов внутри клетки и в окружающей ее среде. Но в живых клетках этого не происходит, так как в клеточной мембране существует особый молекулярный механизм, который полу¬чил название ионного насоса. Так, например, натриево-кали- евый насос обеспечивает выведение из цитоплазмы клетки Na+ и введение в цитоплазму КЛ Ионный насос перемещает ионы против их концентрационного градиента и, следова¬тельно, работает с затратой энергии на преодоление силы градиента. Вместе с тем работа К4-, Na+-Hacoca является еще одним значимым фактором в создании МП. Выкачивая за каждый цикл работы из клетки три Na+ и вводя в клетку лишь два К+, насос формирует внутриклеточный отрицатель¬ный заряд, имеющий электрогенное происхождение, сумми¬рующийся с зарядом, связанным с диффузией К+.

Таким образом, возникновение и поддержание МП покоя обусловлено избирательной проницаемостью мембраны клет¬ки для ионов и работой натриево-калиевого насоса.

Мембранный потенциал покоя создает электрическое поле, которое обеспечивает закрытое состояние активационных «ворот» и открытое состояние инактивационных «ворот» нат¬риевых каналов, а также сохранение определенной простран¬ственной организации мембраны.

Пассивный транспорт

________________________

Осмос — движение молекул воды (растворителя) через мембрану из области меньшей в область большей концентрации растворенного вещества. Осмотическим давлением называется то наименьшее давление, которое необходимо приложить к раствору для того, чтобы предотвратить перетекание растворителя через мембрану в раствор с большей концентрацией вещества.

Молекулы растворителя, как и молекулы любого другого вещества, приводятся в движение силой, возникающей вследствие разности химических потенциалов. Когда какое-либо вещество растворяется, химический потенциал растворителя уменьшается. Поэтому в области, где концентрация растворенного вещества выше, химический потенциал растворителя ниже. Таким образом, молекулы растворителя, перемещаясь из раствора с меньшей в раствор с большей концент­рацией, движутся в термодинамическом смысле «вниз», «по градиенту».

Объем клеток в значительной степени регулируется количеством содержащейся в них воды. Клетка никогда не находится в состоянии полного равновесия с окружающей средой. Непрерывное движение молекул и ионов через плазматическую мембрану изменяет концентрацию веществ в клетке и, соответственно, осмотическое

давление ее содержимого. Если клетка секретирует какое-либо вещество, то для поддержания неизменной величины осмотического давления она должна либо выделять соответствующее количество воды, либо поглощать эквивалентное количество иного вещества. Поскольку среда, окружающая большинство клеток гипотонична, для клеток важно предотвратить поступление в них больших количеств воды. Поддержание же постоянства объема даже в изотонической среде требует расхода энергии, поэтому в клетке концентрация веществ неспособных к диффузии (белков, нуклеиновых кислот и т.д.) выше, чем в околоклеточной среде. Кроме того, в клетке постоянно накапливаются метаболиты, что нарушает осмотическое равновесие. Необходимость расходования энергии для поддержания постоянства объема легко доказывается в экспериментах с охлаждением или ингибиторами метаболизма. В таких условиях клетки быстро набухают.

Для решения «осмотической проблемы» клетки используют два способа: они откачивают в интерстиций компоненты своего содержимого или поступающую в них воду. В большинстве случаев клетки используют первую возможность — откачку веществ, чаше ионов, используя для этого натриевый насос (см.ниже).

В целом объем клеток, не имеющих жестких стенок, определяется тремя факторами:

а) количеством содержащихся в них и неспособных к проникновению через мембрану веществ;

б) концентрацией в интерстиций соединений, способных проходить через мембрану;

в) соотношением скоростей проникновения и откачки веществ из клетки.

Большую роль в регуляции водного баланса между клеткой и окружающей средой играет эластичность плазматической мембраны, создающей гидростатическое давление, препятствующее поступлению воды в клетку. При наличии разности гидростатических давлений в двух областях среды вода может фильтроваться через поры барьера, разделяющего эти области.

Явления фильтрации лежат в основе многих физиологических процессов, таких, например, как образование первичной мочи в нефроне, обмен воды между кровью и тканевой жидкостью в капиллярах.

Существует несколько видов диффу¬зии.

▲ Простая диффузия через липидный матрикс мембраны, с помощью которой проходят малые неполярные молекулы — 02, N2, этанол, эфир, малые полярные молекулы, не имею¬щие заряда — мочевина, аммиак, С02, а также жирораство¬римые вещества — низкомолекулярные жирные кислоты, гормоны щитовидной железы, стероидные гормоны половых желез и коры надпочечников, витамины А и D3.

ж Простая диффузия через ионные каналы мембраны обес¬печивает движение неорганических ионов по концентраци¬онному или электрохимическому градиенту.

а. Облегченная диффузия с помощью переносчиков лежит в основе транспорта большинства полярных молекул соедине¬ний среднего размера, не имеющих заряда: глюкозы, амино¬кислот, нуклеотидов. Как правило, переносчик связывается с определенным веществом или родственной группой веществ. При наличии высоких концентраций вещества возможно ограничение объема и скорости транспорта из-за насыщения переносчиков.

Активный транспорт осуществляет перенос веществ против градиента концентраций и требует затрат энергии. На обес¬печение активного транспорта клетки затрачивают от 30 до 70 % энергии, образующейся в процессе жизнедеятельности. Источником энергии для активного транспорта в клетке яв¬ляются энергия трансмембранных ионных градиентов и энергия связей АТФ. В зависимости от вида используемой для транспорта энергии различают два вида активного транспорта.

ж Первично активный транспорт, создаваемый работой мембранных белков-насосов. Эти белки соединяют в себе свойства транспортной системы для переноса ионов и свой¬ства фермента, расщепляющего АТФ. Получаемая энергия используется насосом для транспорта ионов. В мембранах клеток обнаружены следующие насосы:

• К+~, На+-насос\ переносит три Na+ наружу в обмен на два К+ внутрь, т.е. против градиента концентраций; на один цикл работы насоса расходуется 1 мол. АТФ; за счет работы этого насоса создается концентрационный градиент для Na+ и К+, который используется для фор¬мирования МП клетки, а также вторичного активного транспорта;

• Са2+-насос: встроен как в мембрану клетки, так и в мем¬браны клеточных органелл; в связи с высокой активно¬стью Са2+ как регулятора многих процессов, протекаю¬щих в клетке, его внутриклеточная концентрация дол¬жна строго контролироваться; насос откачивает Са2+ во внешнюю среду клетки или во внутриклеточные депо;

• Н+-насос, протонный насос, работающий как в наруж¬ной мембране, так и в мембранах клеточных органелл; переносит Н+ против градиента концентраций из клетки в окружающую среду, например из обкладочных клеток желудка в желудочный сок или из клеток эпителия по¬чечных канальцев в канальцевую мочу.

Вторично активный транспорт использует для переноса веществ энергию градиента концентрации какого-либо иона, например Na+, созданную за счет работы насоса. Таким спо¬собом в клетках слизистой кишки или в канальцах почки транспортируются глюкоза и аминокислоты. Натрий, переме¬щаясь по электрохимическому градиенту молекулой-перенос¬чиком, одновременно способствует переносу против градиен¬та концентраций глюкозы или аминокислот, связанных с этим же переносчиком.

Разновидностью вторично активного транспорта является работа систем ионного обмена и систем совместного транспор¬та. Источником энергии для транспорта одного иона являет¬ся энергия градиента концентраций другого. Транспорт мо¬жет осуществляться как в клетку, так и из клетки. Описаны следующие разновидности ионообменников:

• Na+-, Са2+-обмен обеспечивает выкачивание из клетки Са2+ за счет движения Na+ по электрохимическому гра¬диенту внутрь клетки; механизм работает в нейронах, миоцитах, клетках эпителия и эндокринных;

• Na+~, Н+-обмен обеспечивает выведение протонов из клетки в среду за счет энергии градиента натрия; меха¬низм работает в нейронах, клетках печени, мышц, эпи¬телия канальцев нефрона;

• С/ -, нсо j — самый высокоскоростной ионообменник, участвующий в транспорте анионов; обеспечивает по¬глощение эритроцитами образовавшейся в тканях С02 и выход ее из них в виде НС03 в обмен на поступление С1~; механизм работает, помимо эритроцитов, в миоци¬тах, эпителиальных клетках почки и кишки;

• Na+-, К'-, О -симпорт группы ионов в одном направле¬нии; источником энергии может быть градиент концент¬рации любого из этих ионов; направление транспор¬та определяется состоянием гомеостаза клетки; меха¬низм работает в эритроцитах человека и связан с необ¬ходимостью уменьшения концентрации в клетке этих ионов.

Транспорт макромолекул — белков, полисахаридов, нуклеи¬новых кислот — осуществляется путем эндоцитоза и экзоци- тоза.

Эндоцитоз заключается в образовании углубления с после¬дующим отшнуровыванием участка мембраны, с которым контактирует макромолекулярный субстрат. Образовавшиеся эндоцитозные пузырьки транспортируются либо к лизосомам для последующего расщепления вещества лизосомальными ферментами, либо к противоположной стороне клетки и вы¬деляют содержимое путем экзоцитоза. Существует три вида эндоцитоза:

• пиноцитоз — неспецифический захват внеклеточной жидкости с растворенными в ней макромолекулами для использования последних для нужд клетки или для пе¬реноса сквозь клетку;

• эндоцитоз, опосредуемый рецепторами, — захват ве¬ществ после их взаимодействия с рецепторами мембра-ны; после впячивания мембраны и ее отшнуровыва- ния образовавшиеся эндосомы транспортируются к ли- зосомам для ферментативного расщепления; таким об¬разом инактивируются гормоны, иммуноглобулины, антигены;

• фагоцитоз — захват крупных клеточных частиц специа¬лизированными клетками — микро- и макрофагами с последующим перевариванием.

Экзоцитоз — выделение из клетки упакованных в гранулы (пузырьки) субстратов путем слияния мембран гранул с мем¬браной клетки; так выделяются гормоны, медиаторы, пище¬варительные соки.