2. Современные представления о строении и функциях мембран. Активный и пассивный транспорт через мембраны, их роль в формировании мембранного потенциала покоя.

Мембранный потенциал покоя. У нейронов, как и у всех исследованных клеток животных и растений, поверхностная мембрана в покое электрически поляризована, т. е. имеет разный электрический потенциал наружной и внутренней поверхностей.

Величина внутриклеточного электрического потенциала у нервных клеток и волокон в покое составляет около – 70 мВ.

Эту величину называют мембранным потенциалом покоя (МПП). Во всех точках аксоплазмы этот потенциал практически одинаков.

Мембрана – очень тонкая (5 – 10 нм), но достаточно прочная оболочка. В основу современных представлений о структуре мембран положена жидкостно-мозаичная модель. Согласно этой модели в жидком липидном бислое плавают глобулярные белки – интегральные и периферические. Одни из них являются ионными каналами, другие содержат олигосахаридные белковые цепи, участвующие в узнавании клетками друг друга и межклеточной коммуникации. Структура мембраны высокодинамична: липиды способны к латеральной и вращательной диффузии, они могут переходить из одного монослоя в другой. Белкам свойственна и вращательная диффузия. Однако часть белков иммобилизована («заякорена») структурами цитоскелета и не может свободно плавать.

В последние годы предложена твердокаркасная жидкостно-мозаичная модель. В этой модели мембрана уподобляется белковому каркасу, ячейки которого заполнены липидным бислоем. В формировании непрерывного каркаса участвуют внутримембранные белки, белки цитоскелета, прилегающие к внутренней поверхности мембраны, а с наружной стороны – белки экстраклеточного матрикса: коллаген, фибронектин. Важным структурным компонентом мембран является вода.

В транспорте веществ через мембрану выделяют два типа – пассивный и активный транспорт.

Пассивный транспорт – перенос неэлектролитов и ионов через мембрану по градиенту химического или электрохимического потенциала. Это может быть простая диффузия через липидный бислой либо облегченная диффузия, осуществляемая переносчиками или по каналам в мембране. Процессы облегченной и простой диффузии направлены на выравнивание градиентов и установление равновесия в системе.

Активный транспорт – перенос неэлектролитов и ионов против градиента химического или электрохимического потенциала сопряжен с энергетическими затратами. Основное отличие активного транспорта от облегченной диффузии состоит в том, что одна из стадий активного транспорта энергозависима. Когда для переноса вещества используется энергия (АТФ) или окислительно-восстановительных реакций, транспорт называют первично-активным. Если же в качестве источника энергии используется градиент концентрации ионов, то транспорт называют вторично-активным.

Сейчас известны следующие механизмы прохождения ионов через мембрану:

1. Растворение иона в липидной фазе мембраны, диффузия и последующий переход из мембраны в раствор.

2. Движение по гидрофильным ионным каналам в мембране.

3. Транспорт с участием переносчиков. В качестве переносчиков чаще всего выступает внутриклеточный циклический аденозинмонофосфат – цАМФ, и инозитолтрифосфат – ИФ₃.

Мембрана состоит из липидов, белков и мукополисахаридов. Бимолекулярный слой липидов является матриксом мембраны. Белки, вкрапленные в липидный матрикс, образуют каналы для воды и ионов, формируют ионные насосы и т. п. Мукополисахариды, располагаясь в виде «деревьев» на поверхности мембраны, осуществляют рецепторные функции.

Мембрана легко проницаема для жирорастворимых веществ, молекулы которых проникают через липидный матрикс. Крупные водорастворимые молекулы совсем не проходят через мембрану. В то же время в мембране нервного волокна существуют каналы, проницаемые для воды, для малых молекул водорастворимых веществ и для малых ионов.

Ионные каналы. Эти мембранные структуры являются интегральными белками (гликопротеинами), пронизывающими липидный бислой и способными при адекватных внешних воздействиях избирательно менять проницаемость мембраны для определенных ионов (натрий, калий, кальций, хлор).

Каналам биомембран свойственна характерная избирательность для ионов (селективность), а также способность открываться и закрываться при различных воздействиях на мембрану (воротная функция). Переходы каналов из открытого состояния в закрытое могут быть обусловлены изменениями мембранного потенциала, взаимодействием с определенными химическими веществами, специфическим фосфорилированием каналов. Воротный механизм каналов управляется сенсором внешнего стимула. В зависимости от локализации сенсора каналы разделяются на две группы:

1. Каналы, имеющие собственный сенсор внешнего сигнала. Внешний стимул влияет непосредственно на макромолекулу канала. Эта группа включает два больших семейства ионных каналов: потенциал- и лигандозависимые.

2. Каналы, разобщенные с сенсором. Взаимодействие сенсора и канала осуществляется с помощью растворимых внутриклеточных вторичных посредников.

В покое практически все натриевые каналы мембраны аксона закрыты, а большое число калиевых – открыто. Определенное состояние ионных каналов мембраны очень важно для генерации МПП нервной клеткой.

Ионный насос. Важным условием для формирования МПП является отличие ионного состава аксоплазмы от ионного состава внешней среды. Различия в этих составах постоянны и в основном сводятся к тому, что в аксоплазме по сравнению с кровью меньше ионов натрия, больше калия и несравненно больше органических анионов. Последние не могут проникнуть через неповрежденную мембрану наружу. Что касается катионных различий, то они являются результатом работы натрий-калиевого насоса мембраны, непрерывно откачивающего натрий из клетки в обмен на калий.

Поскольку этот насос работает таким образом, что удаляя из клетки три иона натрия, он вводит в нее два иона калия, т. е. в конечном счете удаляя из клетки положительные заряды, он может вносить прямой вклад в создание потенциала покоя.

Функция мембранного потенциала покоя. МПП обеспечивает закрытое состояние активационных ворот натриевых каналов и открытое состояние их инактивационных ворот. Этим обеспечивается состояние покоя и готовности к возбуждению.