Вторинні месенджери (посередники)
У клітині існує складна система внутрішньоклітинних регуляторів активності - вторинних месенджерів. До них належать: циклічні нуклеотиди (цАМФ, цГМФ), кальцій, кальцій-кальмодулін, продукти гідролізу фосфоліпідів. Цілком імовірно, що тільки цими сполуками внутрішньоклітинні системи регуляції не обмежуються і з часом будуть виявлені нові механізми. Вторинні посередники активно взаємодіють між собою, виступаючи в якості агоністів або антагоністів один до одного. Звичайно вони знаходяться у клітині в збалансованому співвідношенні, але під час дії на останню якого-небудь чинника (наприклад, нервового імпульсу, гормону) цей баланс порушується і в результаті змінюється активність клітини. Наприклад, під час взаємодії деяких гормонів з рецептором мембрани відбувається активація ензиму - аденілатциклази, під впливом якої у клітині підвищується вміст цАМФ. У результаті збільшення рівня цАМФ відбувається стимулювання низки цитоплазматичних ензимів, що й зумовлює біологічний ефект гормону.
Такий вторинний месенджер, як кальцій, виконує свою роль, опосередковуючи дію біологічно активних сполук на клітини, також він може брати участь у поєднанні збудження і скорочення у м'язах. Кальцій є вторинним месенджером як сам по собі, так і через взаємодію з кальмодуліном. Це - білок із молекулярною масою 16700, який різко активує вплив кальцію або сам здійснює свій регулювальний вплив на низку клітинних процесів. Він знаходиться у цитозолі всіх еукаріотичних клітин. Збільшення концентрації Са2+ у цитоплазмі активує кальмодулін, після чого він вступає у контакт із плазматичною і внутрішньою мембранами клітини. У результаті змінюється (збільшується чи зменшується) активність низки білків шляхом прямого впливу на ензим або через активування цим комплексом ензиму протеїнкінази.
Транспортування речовин через мембрану
Перехід різних сполук через мембрану залежить від величини їхньої молекули, заряду, а також розчинності в ліпідах. Жиророзчинні сполуки (СО2, С>2 тощо) відносно легко проникають через мембрану. Але розчинність їх у ліпідах неоднакова. Наприклад, розчинність вуглекислого газу є вищою, ніж кисню, і він значно швидше проникає через мембрани.
Трансмембранне перенесення більшості сполук, іонів відбувається за допомогою відповідних систем. І провідна роль у забезпеченні цих процесів належить білковим структурам. Транспортування речовин відбувається за кількома механізмами і тому може бути пасивним, первинно-активним і вторинно-активним, піноцитозом та ендоцитозом.
Пасивне транспортування речовин через мембрану
Пасивне транспортування іонів відбувається спеціальними каналами мембрани без витрати енергії за концентраційним градієнтом. Транспортування здійснюється іонними каналами (порами), які пронизують мембрану і вистелені інтегральними білками. У каналі є вузька частина - селективний фільтр, що забезпечує відносну вибірковість проходження тих чи інших іонів. Є натрієві, калієві, хлорні, кальцієві та інші канали, що пропускають відповідні іони.
У розчині іони перебувають у гідратованій формі, тобто зв'язані з молекулами води, що збільшує їх ефективні розміри і не дає можливості проходити каналом. Однак селективна ділянка настільки вузька, що іон втрачає частину водної оболонки. Першим чинником, який обмежує проходження катіонів каналами, є розмір селективного фільтру: для натрієвого каналу він становить 0,3 х 0,5 нм, для калієвого - 0,3 х 0,3 нм. Кальцієвий канал має більший діаметр (0,65 нм), тому через нього може проходити не тільки Са2+, але й Nа+. У зв'язку з тим що концентрація обох цих іонів усередині клітини набагато нижча, ніж поза нею, то за умови відкритого каналу вони надходять усередину клітини. Іншим чинником, що регулює проходження іонів, є заряд стінки пори. У розглянутих катіонних каналах стінка пори має негативний заряд, тому через них не можуть проникати аніони -вони відштовхуються від стінок.
Іонний канал може існувати у двох станах - відкритому або закритому. Для цього є так звані ворота, які являють собою конформаційні зміни молекули інтегрального білка, що вистилає порожнину каналу. Ворота можуть бути відкриті - тоді канал вільний для пасивного проходження іонів або закриті - тоді канал не пропускає іонів. У багатьох мембранах положення воріт залежить від величини електричної різниці потенціалів мембрани, тобто відкривання чи закривання воріт спричинюється електричним зарядом мембрани. Такі іонні канали називаються потенціалза-лежними. В інших мембранах положення воріт залежить від дії тієї чи іншої хімічної речовини (месенджера, гормону). Це лігандзалежні (хемозбудливі) канали.
У деяких каналах можуть бути активаційні та інактиваційні ворота (наприклад, у натрієвих каналах), в інших - тільки активаційні (наприклад, у калієвих). За швидкістю відкривання чи закривання ворота можуть бути швидкими або повільними. Так, активаційні ворота натрієвих каналів є швидкими, тобто відкриваються відразу під час дії подразника. Інактиваційні ворота натрієвих каналів і ворота калієвих каналів повільні, тобто відкриваються і закриваються повільніше.
Пасивне транспортування води. В організмі постійно і з великою інтенсивністю відбувається обмін води між окремими рідкими середовищами. Він відбувається міжклітинними щілинами або безпосередньо через клітинні мембрани. Вода переміщується пасивно (без затрат енергії) під дією таких рушійних сил, як дифузія, осмос і гідростатичний тиск.
Дифузія. Якщо мембрана розділяє два розчини з різними концентраціями розчиненої речовини і здатна пропускати цю речовину, то вона буде рухатися з боку, де концентрація більша, у середовище, де вона менша, до їх вирівнювання. Таке перенесення речовин називається дифузією.
Осмос. Якщо мембрана розділяє два розчини з різними концентраціями розчиненої речовини і є непроникною для цієї речовини, то з боку меншої концентрації у напрямку більшої буде переміщуватися розчинник. Цей вид транспортування називається осмосом. Сила, що в даному випадку визначає рух розчинника, називається осмотичним тиском.
Величина осмотичного тиску визначається кількістю розчинених молекул, а не їх розмірами: велика молекула білка і малий мінеральний іон мають однаковий осмотичний тиск. В організмі для транспортування води велике значення має проникність мембран для різних сполук. Звичайно біологічні мембрани погано або зовсім не пропускають великі білкові молекули. У зв'язку з цим особливо виділяють ту частину осмотичного тиску, який створюють білки. Це онкотичний тиск. Наприклад, осмотичний тиск у плазмі крові близько 5600 мм рт. ст., а онкотичний - 25-30 мм рт. ст.
Гідростатичний тиск. Якщо вода під впливом осмотичного тиску надходить у просторово обмежену порожнину, то може виникнути така ситуація, що вирівнювання концентрацій ще не відбулося, а об'єм уже заповнений. У такому разі надлишки рідини, що надходить, створюють так званий гідростатичний тиск на стінки порожнини. Цей тиск може бути створений також активною роботою якої-небудь помпи, наприклад, коли серце нагнітає кров у судинне русло. Гідростатичний тиск виштовхує воду із замкнутої порожнини. Чим вищий гідростатичний тиск, тим з більшою силою вода виштовхується з порожнини. За наявності гідростатичного тиску по обидва боки мембрани сила, що виштовхує воду, буде дорівнювати різниці цих тисків.
Підґрунтям обміну води між клітинами та міжклітинним простором є взаємодія сил осмотичного (онкотичного) і гідростатичного тиску по обидва боки клітинної мембрани. Величина осмотичного тиску в клітині залежить від активності обмінних процесів, у результаті яких можуть утворюватися сполуки, що впливають на осмотичний та онкотичний тиск. Біосинтез білків у клітині призводить до підвищення онкотичного тиску. У разі окиснення утворюється вода, яка знижує осмотичний тиск. Крім того, в різних органах обмін води багато в чому залежить від особливостей проникності клітинної мембрани. Так, наприклад, мембрана еритроцита
погано пропускає аніони, і коли знижується активність Ма+-К+-АТФ-ази, то в клітині зростає концентрація Na+. Це спричиняє збільшення осмотичного тиску і надходження у клітину води, яка за умови надмірного переповнення розриває ЇЇ мембрану. Подібні процеси відбуваються у клітинах після смерті, що призводить до їх набрякання.