Normalnaya_fiziologia_V_P_Degtyarev

Клетку ограничивает тончайшая оболочка толщиной 6— 12 нм — поверхностная мембрана, или плазматическая мембрана, или плазмалемма. В ее состав входят липиды (в основном фосфолипиды), белки (в основном гликопротеины) и углеводы (в основном мукополисахариды). Согласно общепринятой трехмерной жидкостно-мозаичной модели мембраны Сингера—Николсона (1972), ее основу, метрике, образует двойной слой фосфолипидов (рис. 2.1). Механическую прочность липидных слоев мембраны увеличивает холестерол, связывающийся с полярными головками фосфолипидов. В фосфолипидный матрикс полностью (т.е. пронизывая его насквозь) погружены молекулы белков — интегральные белки. Другая группа мембранных белков, которые также частично погружены в мембрану и связаны с ее внешней или внутренней поверхностями, называется поверхностными белками. Интегральные белки выполняют функцию ионных каналов и насосов — переносчиков веществ через мембрану и наряду с поверхностными белками —• функции рецепторов

3 2

химических раздражителей (гормонов, медиаторов, антигеном) и редко — ферментов. Функции поверхностных белков бшнг многочисленны: рецепторные, ферментативные, Сфумурные, сократительные, адгезивные, медиаторные (и качестве вторичных посредников). Углеводы в виде оликк .тхаридных цепей присоединены к белкам (гликопротеиIIi.i) и липидам (гликолипиды) и создают на наружной поперчиости мембран разветвленную сеть рецепторов, участвующих в процессах определения специфичности белковых и kin-точных структур.

Мембраны выполняют следующие функции:

•барьерную, отделяющую внутреннюю среду клетки от окружающей среды, что обеспечивает клетке относительное постоянство состава цитоплазмы, определенный уровень ионной асимметрии с внешней средой, участие в генерации электрических явлений;

•транспортную, связанную с движением ионов через мембрану, т.е. с формированием ионных токов через ионные каналы, насосы и ионообменники;

•рецепторную, благодаря которой клетка реагирует на сигналы внешней среды или изменения состава внутренней среды;

•регуляторную, включающую тонкие изменения активности внутриклеточных ферментных систем в связи с действием биологически активных веществ;

•контактную, благодаря которой обеспечивается механическая связь между клетками, а также их функциональное взаимодействие;

•информационную, выражающуюся в передаче химических, электрических, электромагнитных сигналов от одной клетки к другой.

2.2.1.Транспорт веществ через мембрану

Жизнедеятельность возбудимой клетки связана с поступлением в нее питательных веществ, удалением продуктов обмена веществ, формированием специфических процессов, характеризующих возбуждение и сопровождающихся транспортом ионов через мембрану. Различают пассивный и активный транспорт, а также транспорт макромолекул.

Пассивный транспорт включает в себя фильтрацию, осмос и диффузию. Для создания МПП наиболее существенную роль играет диффузия. Существует несколько видов диффузии.

ж Простая диффузия через липидный матрикс мембраны, с помощью которой проходят малые неполярные молекулы —

33

02 , N2, этанол, эфир, малые полярные молекулы, не имеющие заряда — мочевина, аммиак, С02 , а также жирорастворимые вещества — низкомолекулярные жирные кислоты, гормоны щитовидной железы, стероидные гормоны половых

3.

жПростая диффузия через ионные каналы мембраны обеспечивает движение неорганических ионов по концентрационному или электрохимическому градиенту.

жОблегченная диффузия с помощью переносчиков лежит в основе транспорта большинства полярных молекул соединений среднего размера, не имеющих заряда: глюкозы, аминокислот, 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 обеспечение активного транспорта клетки затрачивают от 30 до 70 % энергии, образующейся в процессе жизнедеятельности. Источником энергии для активного транспорта в клетке являются энергия трансмембранных ионных градиентов и энергия связей АТФ. В зависимости от вида используемой для транспорта энергии различают два вида активного транспорта.

жПервично активный транспорт, создаваемый работой мембранных белков-насосов. Эти белки соединяют в себе свойства транспортной системы для переноса ионов и свойства фермента, расщепляющего АТФ. Получаемая энергия

используется насосом для транспорта ионов. В мембранах клеток обнаружены следующие насосы:желез

•К+~, Na+-Hacoc: 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 формирования 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 активностью Са2+ как регулятора многих процессов, протекаю-

щих в клетке, его внутриклеточная концентрация должна 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

34

в окружающую среду, например из обкладочных клеток желудка в желудочный сок или из клеток эпителия почечных 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 способом в клетках слизистой кишки или в канальцах почки транспортируются глюкоза и аминокислоты. Натрий, перемещаясь по электрохимическому градиенту молекулой-перенос- чиком, одновременно способствует переносу против градиента концентраций глюкозы или аминокислот, связанных с этим же переносчиком.

Разновидностью вторично активного транспорта является работа систем ионного обмена и систем совместного транспорта. Источником энергии для транспорта одного иона является энергия градиента концентраций другого. Транспорт может 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 градиенту 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; механизм работает в нейронах, клетках печени, мышц, эпителия канальцев нефрона;

•СГ-, НСО j — самый высокоскоростной ионообменник, участвующий в транспорте анионов; обеспечивает по-

глощение эритроцитами образовавшейся в тканях С02 и выход ее из них в виде Н С 0 3 в обмен на поступление С1~; механизм работает, помимо эритроцитов, в миоцитах, эпителиальных клетках почки и кишки;

• Na+-, К'-, О -симпорт группы ионов в одном направлении; источником энергии может быть градиент концентрации любого из этих ионов; направление транспорта определяется состоянием гомеостаза клетки; механизм работает в эритроцитах человека и связан с необходимостью уменьшения концентрации в клетке этих ионов.

Транспорт макромолекул — белков, полисахаридов, нуклеиновых кислот — осуществляется путем эндоцитоза и экзоцитоза.

Эндоцитоз заключается в образовании углубления с последующим отшнуровыванием участка мембраны, с которым контактирует макромолекулярный субстрат. Образовавшиеся эндоцитозные пузырьки транспортируются либо к лизосомам

35

для последующего расщепления вещества лизосомальными ферментами, либо к противоположной стороне клетки и выделяют 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 переноса сквозь клетку;

•эндоцитоз, опосредуемый рецепторами, — захват веществ после их взаимодействия с рецепторами мембра-

ны; после впячивания мембраны и ее отшнуровывания образовавшиеся эндосомы транспортируются к лизосомам для ферментативного расщепления; таким образом инактивируются гормоны, иммуноглобулины, антигены;

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

Экзоцитоз — выделение из клетки упакованных в гранулы (пузырьки) субстратов путем слияния мембран гранул с мембраной клетки; так выделяются гормоны, медиаторы, пищеварительные соки.

2.2.2.Каналы мембраны

Проницаемость наружной мембраны клетки для различных веществ определяется в основном наличием в ее составе канальных (образующих ионные каналы) и транспортных (образующих ионные насосы) белков. В формировании электрических сигналов ионные каналы играют первостепенную роль, так как ионные токи через каналы в тысячи раз превосходят ионные токи, создаваемые работой насосов.

Ионные каналы мембраны делят на неспецифические (низкоселективные — каналы утечки) и специфические или высокоселективные, обладающие способностью пропускать только определенные ионы. Неспецифические каналы пропускают различные ионы и открыты постоянно. Специфические каналы открываются и закрываются в ответ на изменения МП (эти каналы называются потенциалозависимыми) или в ответ на действие химических веществ (хемозависимые каналы), или в ответ на механическую деформацию мембраны (механочувствительные каналы).

Структурной основой канала является белок, имеющий третичную или четвертичную организацию. Он образует ансамбль из нескольких субъединиц или повторяющихся до-

36

менов одного белка. Каждый домен имеет трансмембранные сегменты, состоящие из определенных последовательностей аминокислот. Субъединицы, или домены, образуют цилиндр, имеющий пору. В структуре канала выделяют наружное и внутреннее устья, свойства белка которых обеспечивают селективность канала.

ж Селективные потенциалозависимые ионные каналы подразделяют на натриевые, калиевые, кальциевые и хлорные. Канал состоит из собственно канала (транспортной части) и воротного механизма («ворот»), который управляется электрическим полем мембраны (рис. 2.2). В каждом канале предполагают наличие двух типов «ворот»: быстрых, или активационных (т), и медленных, или инактивационных (h). «Ворога» могут быть открыты или закрыты. Например, в состоянии покоя клетки в натриевом канале «ворота» m закрыты, а «ворота» h открыты. При уменьшении заряда мембраны (деполяризации) «ворота» га открываются и канал переходит в проводящее состояние, т.е. через него начинают проходить иод действием сил концентрационного и электрохимического градиентов ионы натрия. Затем при достижении процессом деполяризации определенного момента закрываются инакти-

3 7

вационные «ворота» и канал перестает пропускать ионы, т.е. он инактивируется. По мере восстановления МП (реполяризация) инактивационные «ворота» медленно открываются, а активационные быстро закрываются и канал возвращается в свое исходное функциональное состояние. Активированный натриевый канал пропускает 6000 ионов в 1 мс. Суммарный ионный ток достаточно велик, так как активируется большое число натриевых каналов.

а Хемозависимые селективные каналы входят в состав мембранных рецепторов, на которые действуют химические посредники передачи информации в синапсе (медиаторы), лекарственные вещества, антигены и токсины.

Механочувствительные селективные каналы реагируют на механическую деформацию мембраны изменением проницаемости каналов к различным катионам и анионам.

Установлено, что каждый вид селективного канала по своим свойствам может быть дифференцирован еще на несколько типов. Так, потенциалозависимые натриевые каналы делят на каналы быстрого, медленного и сверхмедленного токов, что обеспечивает участие натриевых каналов в формировании различных процессов на мембране клетки.

Хемочувствительные натриевые каналы различают по чувствительности к медиаторам (Н — холинорецептивный, глутаматчувствительный, НМДА-рецептивный) и селективности к различным ионам.

Потенциалозависимые калиевые каналы делят на каналы раннего входящего тока, каналы задержанного выпрямления, каналы аномального выпрямления. Хемочувствительные калиевые каналы представлены М-холинорецептивными, Са2+-за- висимыми и №+-зависимыми типами.

Потенциалозависимые кальциевые каналы, увеличивая поступление Са2+ в клетку, обеспечивают сопряжение электрических мембранных процессов с метаболическими процессами. Различают каналы L-muna (медленные Са2+-каналы) — участвуют в формировании электрических процессов на мембране мышечных и нервных клеток; каналы Т-типа участвуют в формировании автоматии гладкомышечных и атипичных клеток миокарда, каналы Н-типа и Р-типа участвуют в освобождении медиатора из синаптических окончаний в мышцах и нервных клетках.

Хлорные каналы представлены в мембранах эритроцитов, сердечных и скелетных миоцитов, в синапсах различных отделов нервной системы. Потенциалозависимые хлорные каналы участвуют в процессах генерации электрических изменений на мембране, например укорачивают фазу реполяризации мембраны. Хемозависимые хлорные каналы входят в состав тормозных синапсов нервной системы: ГАМК-рецеп- тивных и глицин-рецептивных.

38

2.2.3. Формирование потенциала покоя

ипотенциала действия

Поляризация мембраны в состоянии покоя, т.е. возникновение МП, при наличии трансмембранного градиента концентраций ионов объясняется прежде всего выходом по каналам утечки внутриклеточного К+ в окружающую клетку среду. Так, в состоянии физиологического покоя мембрана, например, нервных волокон в 25 раз более проницаема для К+, чем для Na+. Выход положительно заряженных К+ приводит к формированию положительного заряда на наружной поверхности мембраны. Органические анионы — крупномолекулярные 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, движущиеся по их концентрационным градиентам, в конечном счете 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 получил 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, следовательно, 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 отрицательный заряд, имеющий электрогенное происхождение, суммирующийся с зарядом, связанным с диффузией К+.

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

Мембранный потенциал покоя создает электрическое поле, которое обеспечивает закрытое состояние активационных «ворот» и открытое состояние инактивационных «ворот» натриевых каналов, а также сохранение определенной пространственной организации мембраны.

Регистрация электрических потенциалов в нервном и мышечном волокнах или в нервной клетке показала, что при действии раздражителя происходит изменение МП. Под влиянием раздражителя подпороговой силы изменения МП невелики и имеют местный (локальный) характер. Такое изме-

39

нение МП получило название локального потенциала, и оно не сопровождается целостной реакцией клетки. При действии раздражителя пороговой или сверхпороговой силы изменения МП максимальны и последовательно охватывают всю мембрану клетки. Это изменение получило название распространяющегося потенциала, или потенциала действия (ПД), поскольку он вызывает характерную для данной клетки специализированную реакцию.

Механизм возникновения ПД заключается в следующем. Под влиянием раздражителя пороговой или сверхпороговой величины проницаемость мембраны клетки для Na+ возрастает, они устремляются внутрь клетки, что приводит к уменьшению величины МП — деполяризации мембраны (рис. 2.3). Вначале процесс деполяризации развивается медленно, что отражает так называемый предспайковый, или медленный, потенциал. При уменьшении МП до критического уровня деполяризации (КУД), т. е. момента, когда медленная деполяризация переходит в быструю, проницаемость мембраны для Na+ мгновенно и максимально увеличивается (в 500 раз) и превышает проницаемость для К+ в 20 раз. Быструю деполяризацию отражает так называемый спайковый, или быстрый, потенциал. В результате проникновения Na+ в цитоплазму и их взаимодействия с отрицательно заряженными анионами трансмембранная разность потенциалов сначала исчезает, а затем происходит перезарядка клеточной мембраны (поляризация с обратным знаком, или инверсия заряда, или овершут) — внутренняя поверхность мембраны заряжается положительно по отношению к наружной. Этот потенциал превышения достигает величины 30—50 мВ. При достижении про-

4 0

дессом обратной поляризации максимального значения закрываются быстрые натриевые каналы (происходит инактивация натриевой проницаемости) и открываются калиевые каналы, через которые К' выходит из клетки, что приводит к восстановлению исходного уровня мембранного потенциала покоя, т.е. происходит реполяризация мембраны. Процесс реполяризации отражают нисходящая часть спайкового потенциала, следовые деполяризация и гиперполяризация мембраны.

Потенциал действия может быть зарегистрирован двумя способами: внеклеточным — с помощью электродов, приложенных к внешней поверхности клетки; внутриклеточным — с помощью электродов, один из которых введен внутрь клетки, а другой расположен на ее поверхности.

При отведении от внутренней поверхности клетки потенциал действия имеет сложную форму и состоит из нескольких компонентов (см. рис. 2.3).

•Предспайковый потенциал (препотенциал, локальный потенциал) отражает процесс медленной деполяризации мембраны от уровня МП до критического уровня деполяризации.

•Спайковый потенциал (спайк, распространяющийся потенциал или собственно потенциал действия) своей восходящей частью отражает процесс быстрой деполяризации мембраны и ее перезарядки, а нисходящей — процесс быстрой реполяризации мембраны.

•Следовая деполяризация отражает процесс медленной реполяризации мембраны.

•Следовая гиперполяризация отражает увеличение поляризации мембраны относительно исходного уровня МП.

2.2.4.Изменение возбудимости при возбуждении

Развитие любого вида возбуждения (местного или распространяющегося) сопровождается фазным изменением уровня возбудимости. Характер этих изменений и их соотношение с фазами одиночного цикла возбуждения иллюстрирует рис. 2.3.

Состоянию исходной поляризации мембраны, которую отражает мембранный потенциал покоя, соответствует исходное состояние ее возбудимости, или нормальный уровень возбудимости, принимаемый за 100 %.

В период развития предспайкового потенциала возбудимость повышается. Эта фаза изменения возбудимости получила название фазы латентного дополнения (первичной экзальтации). Механизм повышения возбудимости в этот период связан с уменьшением поляризации мембраны, т.е. с приближением МП к критическому уровню. В этих условиях уменьшается прочность закрытия активационных ворот натриевых

41