2 курс / Правоведение / fiza_ekz_1_semestr_otvety

Наиболее четкое представление о строении мембраны дает жидкостно-мозаичная модель. Она была представлена учеными С.Джонатаном Сингером и Гартом Николсоном в 1972 году. Согласно этой модели:

-основной непрерывной частью мембраны, т.е. ее матриксом является липидный бислой.

-на поверхности расположенных в мембране интегральных белков имеются гидрофобные R-группы аминокислотных остатков («гидрофобные хвостики»)

-на поверхности перефирических белков, имеются в основном гидрофильные R- группы аминокислотных остатков («гидрофильные головки»)

Мембрана клетки — эластичная структура. Состоит из:

-липидов: от 40 до 90% — фосфолипиды-фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатедилсерин, сфингомиелин и фосфатидилинэозит; гликолипиды, представленные цереброзидами, сульфатидами, ганглиозидами и холестерин.

-белков: гликопротеины — интегральные (проникающие сквозь всю толщину мембраны) и периферические (прикреплены только к поверхности мембраны, в основном, к внутренней части)

Основная структура мембраны клетки — двойной слой фосфолипидных молекул.

-вытянутое состояние углеводных цепочек липидных молекул и их удерживание возле друг друга обеспечивается за счет гидрофобных взаимодействий;

-фосфолипидные молекулы обоих слоев взаимодействуют с белковыми молекулами, погруженными в липидную мембрану;

-большинство липидных компонентов бислоя находятся в жидком состоянии => мембрана обладает подвижностью, совершает волнообразные движения, ее участки, а также белки, которые погружены в липидный слой, перемещаются из одной части в другую — подвижность (текучесть) мембран облегчает транспорт веществ через мембрану.

-почти все периферические белки функционируют как энзимы (или ферменты; ускоряют химические реакции в живых системах): ацетилхолистераза, кислая и щелочная фосфатаза и др.

-некоторые интегральные белки также функционируют как энзимы — АТФ-аза; интегральные белки обеспечивают селективный обмен ионов через каналы мембран между экстрацеллюлярной (или внеклеточной) и интрацеллюлярной (или внутриклеточной) жидкостью;

-как интегральные, так и периферические белки могут представлять рецепторы и антигены мембраны.

Функции.

1)Барьерная — мембранам при помощи соответствующих механизмов участвует в создании концентрационных механизмов, препятствуя свободной диффузии. При этом мембрана принимает участие в механизмах электрогенеза (механизм создания потенциала покоя, генерация потенциала действия, механизмы распространения биоэлектрических импульсов по однородной и неоднородным возбудимым структурам).

2)Регуляторная — тонкая регуляция внутриклеточного содержимого и внутриклеточных реакций за счет рецепции внеклеточных биологически активных веществ, что приводит к изменению активности ферментных систем мембраны и запуску механизмов вторичных «мессенджеров».

3)Контактная — организация зон специфического или неспецифического контакта между клетками с образованием тканевой структуры. В области контакта возможен обмен ионами, медиаторами, макромолекулами между клетками, или передача электрических сигналов.

4)Преобразование внешних стимулов неэлектрической природы в электрические сигналы (в рецепторах).

5)Высвобождение нейромедиаторов в синаптических окончаниях.

Ионные каналы — специализированные белковые структуры мембраны.

Набор ионных каналов зависит от вида ткани клетки. Различают:

-натриевые

-калиевые

-кальциевые

-натрий-кальциевые

-хлорные

У ионных каналов выделяют 3 состояния: открытое, закрытое, инактивированное. Переходит из 1-го состояния в другое зависит или от изменения электрической разности потенциалов на мембране, или взаимодействием физиологически активных веществ с рецепторами => подразделяются на потенциалзависимые и рецептор-управляемые.

Избирательная проницаемость ионного канала для иона определяется наличием специальных селективных фильтров в его устье.

3. Виды транспорта веществ через клеточную мембрану.

Виды транспорта.

Перенос веществ может происходить пассивно за счет диффузии, фильтрации и осмоса, а также посредством активного транспорта.

Пассивный транспорт не требует затраты энергии метаболизма.

Простая диффузия.

Диффузия — процесс, при помощи которого газ или растворенные вещества распространяются и заполняют весь доступный объем.

1)Молекулы и ионы, растворенные в жидкости, находятся в хаотичном движении, сталкиваясь друг с другом, молекулами растворителя и клеточной мембраной. Столкновение может иметь двоякий исход: молекула либо «отскочит» от мембраны, либо пройдет через нее. При высокой вероятности последнего события говорят, что мембрана проницаема для данного вещества.

2)При различной концентрации вещества по обе стороны мембраны —> возникает поток частиц, направленный из более концентрированного раствора в разбавленный. Диффузия происходит до того момента, пока концентрация не выравнивается по обе стороны.

3)Через клеточную мембрану одинаково хорошо проходят как гидрофобные, так и гидрофильные вещества.

Осмос.

В том случае, когда клеточная мембрана непроницаема или плохо проницаема для растворенного вещества, но проницаема для воды, она подвергается действию осмотических сил. При более низкой

концентрации вещества в клетке, чем в окружающей среде, клетка сжимается. Если концентрация растворенного вещества в клетке выше, вода устремляется внутрь клетки.

Осмос — движение молекул воды (растворителя) через мембрану из области меньшей в область большей концентрации растворенного вещества.

Осмотическое давление — наименьшее давление, которое необходимо приложить к раствору для того, чтобы предотвратить протекание растворителя через мембрану в раствор с большей концентрацией вещества.

Молекулы растворителя, как и молекулы другого вещества, приводятся в движение силой, возникающей вследствие разности химических потенциалов. При растворении вещества происходит уменьшение химического потенциала растворителя => 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».

1)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.

2)Если клетка секретирует какое-то вещество, то для поддержания неизменной величины осмотического давления она должна выделять соответствующее количество воды, либо поглощать эквивалентное количество иного вещества. Т.к. окружающая клетку среда в большинстве случаев гипотонична (концентрация соли вне клетки меньше, чем внутри нее), для клеток важно предотвратить поступление больших количеств воды. Даже в изотонической среде поддержание постоянства объема требует расхода энергии, поэтому в клетке концентрация веществ неспособных к диффузии (белков, нуклеиновых кислот) выше, чем в околоклеточной среде. Также в клетке накапливаются метаболиты, что нарушает осмотическое равновесие.

Для решения «осмотической проблемы» клетки откачивают в интерстиций компоненты своего содержимого или поступающую в них воду. В большинстве случаев клетки откачивают вещества, чаще ионы, используя натриевый насос.

Облегченная диффузия.

Облегченная диффузия — диффузия вещества по градиенту его концентрации, которая осуществляется при участии особых белковых молекул-переносчиков.

Путем облегченной диффузии осуществляется перенос сравнительно небольших полярных молекул (гликоли, полисахариды, моносахариды, аминокислоты), т.к. они не проникают через мембрану клеток за счет простой диффузии (несмотря на то, что

простая диффузия обеспечивает проникновение многих веществ: от этанола до лекарственных препаратов). Большинство клеток обладают системой облегченной диффузии. Но перечень метаболитов, переносимых с помощью данного механизма, ограничен. В основном: сахара, аминокислоты, некоторые ионы. Те соединения, которые являются промежуточными продуктами обмена: фосфолирированные сахара, продукты метаболизма аминокислот, макроэрги (биологические молекулы, которые способны накапливать и передавать энергию в ходе реакции) — не транспортируются данной системой. Облегченная диффузия служит только для тех молекул, которые клетка получает из окружающей среды (исключением является транспорт органических молекул через эпителий).

Природа белков-переносчиков неизвестна. Они классифицируются по принципу действия на 2 типа:

1) Переносчики 1-ого типа совершают челночные движения через мембрану.

2) Переносчики 2-ого типа встраиваются в мембрану, образуя канал.

Специфические переносчики могут также осуществлять транспорт — Na+, K+, Cl-, Li +, Ca2+, HCO3-, H+.

В сравнении с простой диффузией, отличительными чертами облегченной диффузии являются:

-высокая скорость переноса вещества

-зависимость от строения молекул вещества

-насыщаемость, конкуренция и чувствительность к специфическим ингибиторам — соединениям, угнетающим облегченную диффузию

Данная характеристика облегченной диффузии — результат специфичности белковпереносчиков и их ограниченным количеством в мембране.

В том случае, когда переносимое вещество достигает определенной концентрации; когда все переносчики заняты транспортируемыми молекулами или ионами, то дальнейшее увеличение концентрации не приведет к возрастанию числа переносимых частиц — явление насыщения.

Сходные по строению молекул вещества и транспортируемые одним и тем же переносчиком, будут конкурировать между собой за переносчик — явление конкуренции.

Посредством облегченной диффузии выделяют следующие виды транспорта:

1) Унипорт.

Молекулы или ионы переносятся через мембрану независимо от наличия или переноса других соединений (транспорт глюкозы, аминокислот через базальную мембрану эпителиоцитов).

2) Симпорт.

Перенос осуществляется одновременно и однонаправленно с другими соединениями (натрийзависимый транспорт сахаров и аминокислот Na+, K+, 2Cl-).

3) Антипорт.

Транспорт вещества обусловлен одновременным и противоположно направленным транспортом другого соединения или иона (Na+/Ca2+, Na+/H+, Cl-/HCO3 — обмены).

Симпорт и антипорт — виды котранспорта (транспорт иона или молекулы, сопряженный с переносом другого иона), при которых скорость переноса контролируется всеми участниками транспортного процесса.

Активный траспорт.

Транспорт веществ из среды с низкой концентрацией в среду с более высокой

концентрацией не объясняется движением по градиенту (диффузией). Данный процесс осуществляется за счет: - энергии гидролиза АТФ или - энергия, обусловленная градиентом концентрации каких-либо ионов, чаще всего натрия

В том случае, когда энергия получена путем гидролиза АТФ, транспорт называют первично активным.

Первично-активный перенос.

Осуществляется: транспортные АТФ-азы, которые называются — ионными

насосами.

Данные белки обладают общим свойством — способность фосфорилироваться и образовывать в промежуточную фосфорилированную форму фермента (фермент может находиться в двух конформациях, которые обозначаются: Е1 и Е2).

Конформация фермента — способ пространственной укладки (ориентации) полипептидной цепи его молекулы. Указанные конформации фермента характеризуются различным сродством к переносимым ионам, т.е. — различной способностью связывать транспортируемые ионы.

Наиболее распространены:

-Na+, K+ — АТФ-аза (натрий-калиевый насос), который представляет собой интегральный белок плазматической мембраны. Обеспечивает сопряженный активный транспорт Na+ из клетки и К+ в цитоплазму. В молекуле имеется особый участок, в котором происходит связывание ионов Na и К.

При конформации фермента Е1 — область обращена внутрь клетки и обладает большим сродством к Na+, а при конформации фермента Е2 — область обращена наружу и обладает большим сродством к К+. В присутствии АТФ и Na2+ в цитоплазме запускается фосорилирование фермента —> происходит присоединение 3-х ионов натрия к области связывания Na+/K+ — АТФ-азы => происходит такое изменение конформации фермента, при котором участок молекулы, присоединивший 3 иона натрия, оказывается на наружной стороне мембраны и его сродство к ионам натрия уменьшается (переход в форму Е2) => это приводит к освобождению этих ионов во внеклеточную жидкость. В форме Е2 его область связывания обладает высоким сродством к К+. Связывание 2- ух ионов калия ведет к дефосорилированию фермента и 2-ому изменению конформации молекулы (переход в форму Е1). В данной форме область связывания ионов в молекуле Na+, K+ — АТФ-азы вновь обращена внутрь и имеет высокое сродство к Na+ и низкое К+ => ионы калия освобождаются в цитоплазму и цикл повторяется. Таким образом, соотношение числа переносимых за 1 цикл работы работы фермента ионов натрия и калия и, соответсвенно, электрических зарядов = 3/2 => ионный насос является электрогенным — при его работе возникает чистый поток положительных зарядов из клетки — выходящий ток.

-Ca2+ — АТФ-аза (кальциевый насос), который содержится в плазматической мембране сарко-(эндо)- плазматического ретикулума. Также характерно циклическое изменение сродства к переносимому иону. Например: сложная сеть трубочек и пузырьков — саркоплазматический ретикулум в скелетной мышце. Его основная функция: регуляция концентрации Са2+ в цитоплазме. Низкая концентрация Са2+ в цитоплазме покоящейся мышцы поддерживается благодаря работе кальциевого насоса мембраны саркоплазматического ретикулума.

Цикл превращения фермента в процессе транспорта Са2+ из цитоплазмы, где его концентрация низкая, в трубочки и пузырьки саркоплазматического ретикилума, где его концентрация высокая, состоит в следующем:

1)Если в цитоплазме скелетного мышечного волокна присутствует АТФ и Са2+ происходит фосорилирование Са2+ — АТФ-азы и присоединение Са2+ к особой области (кальций-связывающий участок) фермента.

2)Кальций-связывающий участок в конформации Е1 обращен в цитоплазму мышечного волокна —> фосфорилирование фермента и связывание Са2+ —> изменение конформации молекулы, в результате которого кальций-связывающий участок оказывается на стороне мембраны, обращенной в просвет саркоплазматического ретикулума (форма Е2).

3)В форме Е2 фермент обладает меньшим сродством к Са2+, поэтому Са2+ отщепляется от него и поступает во внутриретикулярное пространство.

4) Наступает следущая стадия превращения фермента — дефосорилирование и второе изменение конформации молекулы, при котором его сродство к Са2+ снова увеличивается и кальцийсвязывающий участок оказывается на обращенной в цитоплазму стороне мембраны саркоплазматического ретикулума. Для осуществления данной стадии необходимо присутствие в саркоплазматическом ретикулуме ионов магния. Цикл работы повторяется.

Вторичный активный транспорт.

Вторичный активный транспорт — перенос через мембрану вещества против градиента его концентрации за счет энергии градиента концентрации другого вещества, создаваемого в процессе активного транспорта. Источником данной энергии является энергия градиентов концентрации ионов натрия, который создается за счет работы Na+/K+ — АТФ-азы.

4. Мембранный потенциал покоя, его ионные механизмы.

Мембранный потенциал покоя — разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями мембраны клетки в состоянии покоя. Так как внутрення сторона мембраны заряжена отрицательно по отношении к наружной, то принимая потенциал наружного раствора за ноль, мембранный потенциал покоя записывают со знаком «минус». Величина у разных клеток колеблется от - 30 до - 100 мВ. Первая теория возникновения и поддержания мембранного потенциала была разработана немецким физиологом, нейробиологом и биофизиком Юлиусом Бернштейном в 1902 году. Исходя из того, что мембрана клеток обладает высокой проницаемостью ионов калия и малой проницаемостью для других ионов, он показал, что величину мембранного потенциала можно определить, используя формулу Нернста

.

В 1949-1952 годах была создана современная мембранно-ионная теория. Ее авторами являются британский нейрофизиолог Алан Ллойд Ходжкин, Э. Хаксли, Б. Катц. Она гласит о том, что мембранный потенциал обусловлен не только концентрацией ионов калия, но и натрия и хлора, а также неодинаковой проницаемостью для этих ионов мембраны клетки. Таким образом, согласно обновленной мембранной теории ассиметричное распределение ионов по обе стороны мембраны и связанное с этим создание и поддержание мембранного потенциала обусловлено как избирательной проницаемостью мембраны для различных ионов, так и их концентрацией по обе стороны от мембраны. Более точная величина рассчитывается по формуле:

Ионные механизмы мембранного потенциала покоя.

Поляризация мембраны в покое объясняется наличием открытых калиевых каналов и трансмембранным градиентом концентраций калия, что приводит к выходу части внутриклеточного калия в окружающую клетку среду, то есть к появлению положительного заряда на наружной поверхности мембраны.

Органические анионы — крупномолекулярные соединения, для которых мембрана клетки непроницаема, создают на внутренней поверхности мембраны отрицательный заряд => чем больше разница концентраций калия по обе стороны от мембраны, тем больше его выходит и тем выше значения мембранного потенциала.

Переход ионов калия и натрия через мембрану по их концентрационному градиенту в конечном итоге должен был бы привести к выравниванию концентрации этих ионов внутри клетки и в окружающей ее среде. Но в живых клетках этого не происходит, поскольку в клеточной мембране имеются натрийкалиевые насосы, обеспечивающие выведение из клетки ионов натрия и введение в нее ионов калия, работая с затратой энергии. Также они принимают прямое участие в создании мембранного потенциала. так как за единицу времени ионов натрия выводится из клетки больше, чем вводится калия (соотношение 3/2), что обеспечивает постоянный ток положительных ионов из клетки.

Таким образом, возникновение и поддержание мембранного потенциала покоя обусловлено избирательной проницаемостью мембраны клетки и работой натрий-калиевого насоса.

5. Потенциал действия, его фазы и ионные механизмы.

Потенциал действия — быстрое колебание потенциала, сопровождающееся, как правило, перезарядкой мембраны. Потенциал действия — специфический электрический сингал, характерный для возбудимых тканей.

Возникает на мембранах возбудимых клеток под влиянием раздражителя пороговой или сверхпороговой величины, который увеличивает проницаемость мембраны для ионов натрия. Ионы натрия входят внутрь клетки, что приводит к уменьшению величины мембранного потенциала — деполяризации мембраны.

При уменьшении мембранного потенциала до критического уровня деполяризации — открываются потенциал-зависимые каналы для натрия и проницаемость мембраны для этих ионов резко возрастает.

Врезультате проникновения ионов натрия натрия в цитоплазму, их взаимодействия с анионами разность потенциалов на мембране исчезает, а затем происходит перезарядка клеточной мембраны (инверсия заряда, овершут) — внутрення поверхность мембраны заряжается положительно по отношению к наружной (на 30-50 мВ), затем закрываются натриевые каналы и открываются потенциал-зависимые калиевые каналы.

Врезультате выхода калия из клетки начинается процесс восстановления исходного уровня мембранного потенциала покоя — реполяризации мембраны. Таким образом, в основе возбуждения (генерации потенциала действия) лежит повышение проводимости мембраны для натрия, вызываемое ее деполяризацией до порогового (критического) уровня.

Фазы потенциала действия.

1) Предспайк.

Процесс медленной деполяризации мембраны до критического уровня деполяризации (местное возбуждение, локальный ответ).

2) Спайк или пиковый потенциал.

Восходящая часть (деполяризация мембраны) и нисходящая часть (реполяризация мембраны).

3) Отрицательный следовой потенциал.

От критического уровня деполяризации до исходного уровня поляризации мембраны (следовая деполяризация).

4) Положительный следовой потенциал.

Увеличение мембранного потенциала и постепенное возвращение его к исходной величине (следовая гиперполяризация).

6. Фазы изменения возбудимости в разные фазы потенциала действия.

Изменение возбудимости в разные фазы потенциала действия.

В процессе развития потенциала действия происходят фазные изменения возбудимости ткани.

-состоянию исходной поляризации мембраны (мембранный потенциал покоя) соответствует нормальный уровень возбудимости.

-в период предспайка возбудимость ткани повышена. Эта фаза возбудимости получила название повышенной возбудимости (первичной экзальтации): мембранный потенциал приближается к критическому уровню деполяризации, поэтому дополнительный стимул, даже если он меньше порогового, может довести мембрану до критического уровня деполяризации.

-в период развитися спайка (пикового потенциала) идет лавинообразное поступление ионов натрия внутрь клетки —> происходит перезарядка мембраны и она утрачивает способность отвечать возбуждением на раздражители даже сверхпороговой силы — абсолютная невозбудимость (абсолютная рефрактерность). Длится до конца перезарядки мембраны и возникает в связи с тем, что натриевые каналы инактивируются.

-после окончания фазы перезарядки мембраны, ее возбудимость постепенно восстанавливается до исходного уровня — фаза относительной рефрактерности. Продолжается до восстановления заряда мембраны, достигая величины критического уровня деполяризации. Поскольку в этот период мембранный потенциал покоя еще не восстановлен, возбудимость ткани понижена и новое возбуждение может возникнуть только при действии сверхпорогового возбуждения.

Снижение возбудимости в фазу относительной рефрактерности связано с частичной инактивацией натриевых каналов и активацией калиевых. Период отрицательного следового потенциала соответствует повышенному уровню возбудимости (фаза вторичной экзальтации). Поскольку мембранный потенциал в эту фазу ближе к критическому вроню деполяризации по сравнению с состоянием покоя (исходной поляризацией), то порог раздражения снижен и новое возбуждение может возникнуть при действии раздражителей подпороговой силы.

В процессе развития положительного следового потенциала возбудимость ткани понижена — фаза субнормальной возбудимости (вторичной рефрактерности).

Эта фаза характеризуется увеличением мембранного потенциала (состояние гиперполяризации мембраны), удаляясь от критического уровня деполяризации, порог раздражения повышается и новое возбуждение может возникнуть только при действии раздражителей сверхпороговой величины.

Рефрактерность мембраны — следствие строения натриевого канала. Состоит из

1)Собственно самого канала — транспортной части;

2)Воротного механизма, который управляется электрическим полем мембраны

3)В канале предполагают наличие 2-ух «ворот»:

m — быстрые активационные

h — медленные инактивационные

Ворота могут быть полностью открыты или закрыты.

Например: в натриевом канале в состоянии покоя «ворота» m закрыты, а ворота h — открыты.

1)При уменьшении заряда мембраны (деполяризации) в начальный момент «ворота» m и h открыты

— канал способен проводить ионы.

2)Через открытые каналы ионы движутся по концентрационному и электрохимическому градиенту.

3)Затем инактивационные «ворота» закрываются, то есть — канал инактивируется.

4)По мере восстановления мембранного потенциала инактивационные «ворота» медленно открываются, а активационные быстро закрываются и канал возвращается в исходное состояние.

Следовая гиперполяризация мембраны может возникать вследствие трех причин:

1)Продолжающийся выход ионов калия.

2)Открытие каналов для хлора и поступление этих ионов в клетку.

3)Усиленная работа натрий-калиевого насоса.

7. Законы раздражения возбудимых тканей.

Данные законы отражают определенную зависимость между действием раздражителя и ответной реакцией возбудимой ткани.

К ним относятся;

-закон силы

-закон «все или ничего»

-закон раздражения Дюбуа-Реймона (аккомодации)

-закон силы-времени (силы-длительности)

-закон полярного действия постоянного тока

-закон физиологического электротока

Закон силы.

Чем больше сила раздражителя, тем больше величина ответной реакции. В соответствии с этим законом функционирует скелетная мышца. Амплитуда сокращений постепенно увеличивается с