2.5. Механизмы транспорта веществ через клеточную мембрану

2.5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ТРАНСПОРТА ВЕЩЕСТВ И ЕГО ЗНАЧЕНИЕ

А. Транспорт частиц является жизненно важ­ным для организма процессом. Он обеспечи­вает: 1) поступление в организм через желу­дочно-кишечный тракт различных веществ в кровь и лимфу и в каждую клетку организма, необходимых для синтеза клеточных струк­тур и выработки энергии; 2) регуляцию фи­зико-химических показателей внутренней среды (осмотическое давление, рН); 3) соз­дание электрических зарядов клеток, воз­никновение и распространение возбуждения; 4) сократительную деятельность поперечно­полосатых (в том числе сердечной) и гладких мышц внутренних органов; 5) выделение клетками секретов (гормонов, ферментов, других биологически активных веществ); 6) выделение продуктов обмена в окружаю­щую среду (почки, легкие, желудочно-ки­шечный тракт, кожа); 7) реализацию дейст­вия фармакологических препаратов.

Б. Транспорт веществ делят на пассивный (без затрат энергии) и активный (с затратой энергии). Считают, что движущей силой пассивного перемещения веществ являются концентрационный (химический), электри­ческий и гидростатический градиенты. Со­гласно концентрационному градиенту, час­тицы перемещаются из области с высокой концентрацией в область с низкой концент­рацией. При наличии разности гидростати­ческих давлений, например в сосудах и ин-терстиции, жидкость движется через полу­проницаемые мембраны из области с высо­ким гидростатическим давлением в область с более низким давлением. Вещества в этом случае следуют за растворителем, если мем­брана проницаема для них. Следует заме­тить, что термин «пассивный транспорт» не соответствует реальной действительности, так как электрический, концентрационный и гидростатический градиенты в животном организме создаются активно — с затратой энергии.

19

Обмен веществ между организмом и внешней средой может проходить частично без затрат энер­гии, если имеется концентрационный градиент, — это диффузия газов из легких в кровь или выход их из крови и всасывание питательных веществ в кровь из желудочно-кишечного тракта, если их концентрация в кишечнике больше, чем в крови. В организме транспорт веществ осуществляется с затратой энергии. Поэтому термин «пассивный транспорт* целесообразно исключить, так как по­добного механизма в животном организме вообще не существуют — все виды транспорта веществ в организме осуществляются активно, с затратой энергии. Но в одних случаях энергия затрачивает­ся непосредственно на транспорт какой-либо час­тицы, например иона Na⁺, с помощью белковой молекулы, называемой насосом. Это первично ак­тивный механизм: в данном случае создается кон­центрационный (химический) градиент — запас потенциальной энергии. В других случаях энергия на перенос частиц затрачивается опосредованно: например, перенос молекул глюкозы с помощью натрия — это вторично активный механизм, энер­гия расходуется на перенос только натрия. Счита­ют, что движение воды, согласно закону осмоса, осуществляется пассивно: без затрат энергии вода движется в область с высокой концентрацией час­тиц (с высокой осмолярностью). Однако когда ос­мотическое давление сравняется по обе стороны мембраны, одностороннее движение воды прекра­тится. Движение воды, в результате которого была израсходована потенциальная энергия в виде кон­центрационного градиента, нельзя назвать пас­сивным, без затрат энергии, — это вторично ак­тивный транспорт.

Необоснованность существующей классифика­ции транспорта веществ иллюстрируется и тем, что перенос глюкозы и аминокислот с помощью Na⁺ считают вторично активным механизмом, а движение воды в область с высокой концентра­цией Na⁺, согласно закону осмоса, — пассивным механизмом. Но ведь в обоих этих случаях затра­чивается энергия, причем только на транспорт на­трия. Называть транспорт активным в том случае, если частица движется сама активно, т.е. имеет собственный механизм передвижения и, естест­венно, расходует при этом энергию, тоже нет ос­нований, поскольку активно, в этом смысле, в ор­ганизме могут передвигаться лишь некоторые клетки, например лейкоциты, тучные клетки. В частности, амебоидная подвижность нейтрофилов обусловлена образованием двигательных псевдо­подий, при этом энергия расходуется на деятель­ность сократительного аппарата — актомиозино-вых структур. Однако все частицы, в том числе и ионы, не могут перемещаться сами вообще: у них нет собственного механизма передвижения (транспортного средства). Транспортируемые час­тицы являются пассивным элементом во всех слу­чаях без исключения — их движение обеспечивает какой-то механизм, находящийся вне их (внеш­няя относительно частицы сила), например кон­центрационный градиент, ионная помпа, пере­двигающая ион, градиент гидростатического дав­ления. Таким образом, расход энергии в организ-

ме на транспорт веществ в одних случаях осу­ществляется непосредственно, в других — опосре­дованно.

Если энергия расходуется непосредствен­но на перенос частиц, транспорт следует на­зывать первично активным.

Если же на транспорт частиц расходуется ранее запасенная энергия, например кон­центрационный градиент, такой транспорт следует называть вторично активным. По­скольку транспорт в обоих случаях является активным (с затратой энергии), обоснованно использовать термины первичный и вторич­ный транспорт веществ.

2.5.2. ПЕРВИЧНЫЙ ТРАНСПОРТ

Во-первых, это перенос отдельных ионов во­преки концентрационному и электрическому градиентам с помощью специальных ионных насосов, во-вторых — эндоцитоз, экзоцитоз и трансцитоз. В обоих случаях энергия расхо­дуется непосредственно на перенос частиц.

А. Насосы (помпы) представляют собой белковые молекулы, обладающие свойствами переносчика и АТФазной активностью. Не­посредственным источником энергии явля­ется АТФ. Достаточно хорошо изучены Na/K-, Ca²⁺- и Н^т-насосы. Есть основания предполагать наличие СП-насоса, о чем сви­детельствует участие ионов СП в процессах торможения ЦНС, а также в возникновении возбуждения в клетках проводящей системы сердца и в клетках рабочего миокарда. Отсут­ствие хлорной помпы привело бы к исчезно­вению концентрационного градиента ионов СП в перечисленных клетках и нарушению процессов возбуждения и торможения в них, чего в реальной действительности не наблю­дается. Насосы локализуются на клеточных мембранах или на мембранах клеточных ор-ганелл. Рассмотрим основные характеристи­ки насосов.

1. Специфичность насосов заключается в том, что они обычно переносят какой-то оп­ределенный ион или два иона. Например, Na/К-насос (объединенный насос для Na⁺ и К⁺) не способен переносить ион лития, хотя по своим свойствам последний очень близок к натрию.

Натрий-калиевый насос (Na/K-АТФаза) — это интегральный белок клеточной мембра­ны, обладающий, как и все другие насосы, свойствами фермента, т.е. сам переносчик обеспечивает расщепление АТФ и освобож­дение энергии, которую он же сам и исполь­зует. Этот насос изучен наиболее хорошо, он

20

имеется в мембранах всех клеток и создает характерный признак живого — градиент концентрации Na⁺ и К⁺ внутри и вне клетки, что обеспечивает формирование мембранно­го потенциала и вторичный транспорт ве­ществ. Главными активаторами насоса явля­ются гормоны (альдостерон, тироксин), не­достаток энергии (кислородное голодание) ингибирует насос. Его специфическими бло-каторами являются строфантины, особенно уабаин. Работа натриевого насоса после уда­ления К⁺ из среды сильно нарушается.

Кальциевый насос (Са²⁺-АТФаза) локализу­ется в саркоплазматическом ретикулуме мы­шечной ткани, в эндоплазм этическом рети­кулуме других клеток, клеточной мембране. Насос обеспечивает транспорт Са²⁺ и строго контролирует содержание Са²⁺ в клетке, по­скольку изменение содержания Са²⁺ в ней нарушает функцию. Насос переносит Са²⁺ либо во внеклеточную среду, например, в клетках сердечной и скелетных мышц, либо в цистерны ретикулума и митохондрии (внут­риклеточное депо Са²⁺).

Протонный насос (Н⁺-АТФаза) имеется в мембране обкладочных клеток в желудке, где играет важную роль в выработке соляной кислоты; в почке он участвует в регуля­ции рН внутренней среды организма; этот насос постоянно работает во всех митохонд­риях.

2. Постоянная работа насосов необходима для поддержания концентрационных гради­ентов ионов, связанного с ними электричес­кого заряда клетки и движения воды и неза­ряженных частиц в клетку и из клетки вто­рично активно, в частности согласно законам диффузии и осмоса. Совокупность этих про­цессов обеспечивает жизнедеятельность клетки. В результате разной проницаемости клеточной мембраны для разных ионов и по­стоянной работы ионных помп концентра­ция различных ионов внутри и снаружи клет­ки неодинакова. Поскольку ионы являются заряженными частицами, то существует электрический заряд клетки. Почти во всех изученных клетках внутреннее содержимое их заряжено отрицательно по отношению к внешней среде, т.е. внутри клетки преоблада­ют отрицательные ионы, а снаружи — поло­жительные.

Преобладающими ионами в организме человека являются Na⁺, K⁺, СГ, причем К⁺ находится преимущественно в клетке, a Na⁺ и СГ — во внеклеточной жидкости. Внутри клетки находятся также крупномолекуляр­ные (в основном белкового происхождения) анионы. Роль первичного транспорта в под-

держании различной концентрации разных ионов легко доказать, например, в опыте с эритроцитами. Если с помощью цианида подавить дыхание эритроцитов, то их ион­ный состав начинает постепенно меняться: Na⁺ и СГ диффундируют через клеточную мембрану в эритроцит, К⁺ — из эритроцита. Но в норме за счет энергии, поставляемой процессом дыхания, идет их первичный транспорт в обратном направлении, благо­даря чему и поддерживаются концентраци­онные градиенты.

Более трети энергии АТФ, потребляемой клеткой в состоянии покоя, расходуется на перенос только Na⁺ и К⁺, т.е. на работу №⁺/К.⁺-насоса. Это обеспечивает сохранение клеточного объема (осморегуляция), поддер­жание электрической активности в нервных и мышечных клетках, транспорт других ве­ществ в различных клетках организма.

3. Механизм работы ионных насосов за­ключается в следующем. Na⁺/K⁺-Hacoc — мо­лекула интегрального белка, пронизывающая всю толщу клеточной мембраны. Молекула имеет участок, который связывает либо Na⁺, либо К⁺, — это активный участок. При кон-формации Е, белковая молекула активной своей частью обращена внутрь клетки и об­ладает сродством к Na⁺, который присоеди­няется к белку, в результате чего активирует­ся АТФаза, обеспечивающая гидролиз АТФ и освобождение энергии. Последняя обеспечи­вает конформацию молекулы белка: она пре­вращается в форму Е₂, в результате чего ак­тивный ее участок уже обращен наружу кле­точной мембраны. Теперь белок теряет срод­ство к Na⁺, последний отщепляется от него, а белок-помпа приобретает сродство к иону К⁺ и соединяется с ним. Это ведет снова к изме­нению конформации переносчика: форма Е₂ переходит в форму Е,, когда активный учас­ток белка снова обращен внутрь клетки. При этом он теряет сродство к иону К⁺, и тот от­щепляется, а белок приобретает снова срод­ство к иону Na⁺ — это один цикл работы помпы. Затем цикл повторяется. Насос явля­ется электрогенным, поскольку за один цикл выводится из клетки 3 иона Na⁺, а возвраща­ется в клетку 2 иона К⁺. На один цикл рабо­ты Na/K-насоса расходуется одна молекула АТФ, причем энергия расходуется только на перенос Na⁺.

Подобным образом работают и Са-АТФа-зы сарко- и эндоплазматической сетей, а также клеточной мембраны, с тем лишь раз­личием, что переносятся только ионы Са и в одном направлении — из гиалоплазмы в сарко- или эндоплазматический ретикулум, а

21

также — наружу клетки. Кальциевый насос (Са-АТФаза) — молекула интегрального белка, также имеет активный участок, связы­вающий два иона Са^:+, и может быть в двух конформациях — Е, и Е₂. В конформации Е, активный участок молекулы белка обращен в гиалоплазму, обладает сродством к Са²⁺ и со­единяется с ним. В результате насос перехо­дит в конформацию Е₂, когда активный учас­ток молекулы белка обращен внутрь сарко-плазматического ретикулума или наружу клетки. При этом уменьшается сродство белка к Са²⁺, последний отщепляется от него. В присутствии иона магния освобождается энергия АТФ, за счет которой молекула белка Са-АТФазы вновь переходит в конфор­мацию Е,; цикл повторяется. Одна молекула АТФ переносит два иона Са²⁺.

Б. Эидоцитоз, экзоцитоз и трансцитоз (микровезикулярный транспорт) — это еще три вида первично-активного транспорта, близких по механизму друг к другу, посредст­вом которых различные материалы перено­сятся через мембрану либо в клетку (эндоци-тоз), либо из клетки (экзоцитоз), либо через клетку (трансцитоз). С помощью этих меха­низмов транспортируются крупномолекуляр­ные вещества (белки, полисахариды, нуклеи­новые кислоты), которые не могут транспор­тироваться по каналам или с помощью насо­сов.

1. При эндоцитозе клеточная мембрана об­разует впячивания или выросты внутрь клет­ки, которые, отшнуровываясь, превращаются в пузырьки. Последние затем обычно слива­ются с первичными лизосомами, образуя вторичные лизосомы, в которых содержимое подвергается гидролизу — внутриклеточному перевариванию. Продукты гидролиза исполь­зуются клеткой. Различают два типа эндоци-тоза — фагоцитоз (поглощение твердых час­тиц) и пиноцитоз — поглощение жидкого ма­териала (раствор, коллоидный раствор, в том числе и белков, суспензия). Пиноцитоз ха­рактерен для амебоидных простейших и для многих других клеток, таких как лейкоциты, клетки зародыша, клетки печени и некото­рые клетки почек, участвующие в водно-со­левом обмене, в обмене белков: они обеспе­чивают пиноцитоз белков из первичной мочи в клетки проксимальных канал ьцев и их лизис. С помощью пиноцитоза новорожден­ные получают с молоком матери иммуногло­булины, которые через энтероциты попадают в кровь ребенка и выполняют свои защитные функции. Процесс эндоцитоза имеет место при всасывании веществ в желудочно-ки­шечном тракте.

2. Экзоцитоз — процесс, обратный эндо- цитозу; это наиболее распространенный ме­ ханизм секреции. Таким способом различные материалы выводятся из клеток: из преси- наптических окончаний — медиатор, из пи­ щеварительных вакуолей удаляются остав­ шиеся непереваренными частицы, а из сек­ реторных клеток путем экзоцитоза выводится их жидкий секрет (слизь, гормоны, фермен­ ты), из гепатоцитов — альбумины.

Экзоцитозные пузырьки образуются в аппарате Гольджи. В пузырьки упаковываются белки, обра­зовавшиеся в рибосомах эндоплазматического ре­тикулума. Низкомолекулярные вещества (медиа­торы, некоторые гормоны) попадают в везикулы преимущественно с помощью вторичного транс­порта. Пузырьки транспортируются сократитель­ным аппаратом клетки, состоящим из нитей акти­на, миозина и микротрубочек, к клеточной мем­бране, сливаются с ней, и содержимое клеток вы­деляется во внеклеточную среду. Энергия АТФ расходуется на деятельность сократительного ап­парата клетки. Процесс слияния везикул с клеточ­ной мембраной активируется фосфолипидом ли-золецитином и внутриклеточным Са²⁺. Например, поступление Са²⁺ в нервное окончание обеспечи­вает выделение медиатора через пресинаптичес-кую мембрану в синаптическую щель. В процессе взаимодействия эндо- и экзоцитоза происходит самообновление клеточной мембраны (кругообо­рот, рециркуляция): в течение каждого часа в про­цессе эндоцитоза в разных клетках используется от 3 до 100 % клеточной оболочки, но с такой же скоростью происходит ее восстановление в ре­зультате экзоцитоза.

3. Трансцитоз сочетает в себе элементы эндо- и экзоцитоза: это перенос частиц через клетку, например, молекул белка в виде вези­ кул — через эндотелиальную клетку капилля­ ров на другую ее сторону. В этом случае эн- доцитозные пузырьки не взаимодействуют с лизосомами. При этом пузырьки могут сли­ ваться друг с другом, образуя каналы, пересе­ кающие всю клетку.

2.5.3. ВТОРИЧНЫЙ ТРАНСПОРТ

Вторичный транспорт — переход различных частиц и молекул воды за счет ранее запасен­ной (потенциальной) энергии. Потенциаль­ная энергия создается в виде электрического, концентрационного и гидростатического гра­диентов (это обеспечивает диффузию, осмос, следование за растворителем) и градиента гидростатического давления жидкости, обес­печивающего фильтрацию, что создается дея­тельностью сердца, скелетных и гладких мышц. К вторичному транспорту относятся следующие виды транспорта.

22

А. Диффузия. Согласно законам диффу­зии, частицы перемещаются из области с вы­сокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Частицы с одноименными электрическими зарядами отталкиваются, с разноименными зарядами — притягиваются друг к другу. Направление диффузии опреде­ляется взаимодействием электрического и концентрационного (химического) градиен­тов. Если частицы не заряжены, то направле­ние их диффузии определяется только гради­ентом концентрации. Скорость диффузии определяется проницаемостью мембраны, а также градиентом концентрации для незаря­женных частиц; электрическим и концентра­ционным градиентами — для заряженных частиц. Направления действия электрическо­го и концентрационного градиентов могут не совпадать. Например, Na^T в процессе воз­никновения возбуждения продолжает посту­пать в клетку, когда она внутри уже заряжена положительно. Этот переход ионов обеспечи­вается концентрационным градиентом во­преки электрическому градиенту. Совокуп­ность химического (концентрационного) и электрического градиентов называют элект­рохимическим градиентом. Различают прос­тую и облегченную диффузию и осмос как частный случай диффузии.

1. Простая диффузия осуществляется либо непосредственно через липидный бислой, либо через каналы. При этом заряженные частицы движутся согласно электрохимичес­кому градиенту, а незаряженные — согласно только химическому градиенту. Через липид­ный бислой проходят жирорастворимые час­тицы. Если они находятся в воде по одну сто­рону мембраны, то могут внедряться в ли-пидную оболочку благодаря тепловому дви­жению (при этом необходимо освободиться от гидратной оболочки). Частицы-неэлектро­литы обычно легко освобождаются от гидрат­ной оболочки (разрыв водородных связей). Естественно, с уменьшением молекулярной массы способность перехода частиц через мембрану возрастает. Примером простой диффузии через липидный слой может слу­жить диффузия малых незаряженных поляр­ных молекул этанола, кислорода, углекисло­го газа, стероидных гормонов и других липи-дов, тироксина, мочевины, а также чуждых клетке веществ, в частности ядов и лекарств. Этот процесс происходит слишком медленно и плохо контролируется. В ходе эволюции сформировались специальные каналы, по ко­торым могут проходить различные частицы, причем ионы — очень быстро — за 0,5—1 мс. Каналы заполнены водой и, кроме ионов.

через них могут проходить малые молекулы неэлектролитов (этанол, мочевина), заряжен­ные молекулы. Диаметр этих каналов 0,3— 0,8 нм. Скорость диффузии определяется электрохимическим градиентом и проницае­мостью клеточной мембраны для данного ве­щества. С течением времени скорость про­стой диффузии изменяется мало, пока суще­ствует движущая сила (электрический или концентрационный градиенты), так как по одному и тому же каналу или через липид­ный бислой после прохождения одной части­цы сразу же может следовать другая.

2. Облегченная диффузия осуществляется также согласно концентрационному градиен­ту и обеспечивает перенос веществ, способ­ных образовывать комплексы с другими мо­лекулами-переносчиками. Переносчик — специфический мембранный белок должен свободно переходить с одной стороны мем­браны на другую. Этот транспорт осущест­вляется очень быстро. С помощью простой диффузии не могут проходить через мембра­ну даже небольшие полярные молекулы — моносахариды, аминокислоты. Облегченная диффузия имеет ряд особенностей по сравне­нию с простой диффузией. 1. Имеются спе­цифические переносчики для отдельных или нескольких веществ, близких по строению. Вещества, имеющие сходные по строению молекулы, могут переноситься одним и тем же переносчиком и конкурировать за пере­носчик. 2. У молекулы-переносчика может быть особый канал, пропускающий вещество только одного определенного типа. 3. С уве­личением концентрации вещества с одной стороны мембраны скорость облегченной диффузии возрастает только до определенно­го предела в отличие от простой диффузии. Прекращение нарастания облегченной диф­фузии при увеличении концентрации веще­ства свидетельствует о том, что все перенос­чики уже заняты — явление насыщения. Пере­носчиками являются белковые молекулы мембран, которые совершают челночные движения с одной стороны мембраны на дру­гую и обратно либо встраиваются в мембра­ну. В последнем случае образуется канал, по которому проходят транспортируемые веще­ства, в основном сахара, аминокислоты. Од­нако неясно, каким образом транспортиру­ются сами переносчики.

В случае предполагаемых челночных движений белковых молекул-переносчиков возникает во­прос: какая сила обеспечивает транспорт самих переносчиков? Если это одностороннее движе­ние, то оно быстро прекратится после уравнива­ния концентрации самих переносчиков по обе

23

стороны клеточной мембраны. На этот вопрос от­вета пока нет. Возможны два механизма. Во-пер­вых, за счет создания градиента концентрации самого переносчика, с помощью концентрацион­ного градиента транспортируемого вещества. Если, например, концентрация глюкозы больше вне клетки, нежели в клетке, то она может пере­ходить в клетку согласно своему градиенту кон­центрации. Образование комплекса молекул глю­коза — переносчик лишь улучшает прохождение глюкозы через мембрану согласно концентраци­онному градиенту глюкозы. Движущей силой яв­ляется концентрационный градиент глюкозы. На внутренней стороне мембраны клетки комплекс распадается, поэтому концентрация молекул-ттереносчиков возрастает и они, согласно своему концентрационному градиенту, переходят на внешнюю сторону клеточной мембраны, снова соединяются с глюкозой и ускоряют ее переход в клетку. Такой транспорт возможен только при на­личии концентрационного градиента транспорти­руемого вещества, например при более высокой концентрации глюкозы и аминокислот в кишеч­нике вследствие приема пищи и гидролиза пище­вых веществ. Далее глюкоза и аминокислоты могут переходить из клетки в кровь согласно их концентрационным градиентам — если в энтеро-цитах их концентрация больше, чем в плазме крови. Из плазмы крови аминокислоты и глюкоза поступают в клетки различных органов и тканей организма согласно концентрационным их гради­ентам, так как клетка расходует эти вещества. По всей этой цепочке: полость кишки — знтероци-ты — кровь — интерстиций — клетки организма транспорт глюкозы и аминокислот осуществляет­ся без затрат энергии — это исключение из обще­го правила. В кишечнике же глюкоза и аминокис­лоты накапливаются вследствие пищеварения, на что также затрачивается энергия — механическая обработка пищи, продвижение ее химуса по желу­дочно-кишечному тракту, выработка пищевари­тельных соков. Во-вторых, челночные движения переносчика могут осуществляться или допол­няться с помощью ионов К⁺. Известно, что К⁺ постоянно диффундирует из клетки согласно кон­центрационному градиенту. При этом на внутрен­ней стороне мембраны клетки может образоваться комплекс ион К⁺ — молекула переносчика, кото­рый и перейдет на внешнюю сторону клеточной мембраны. В этом случае движущей силой являет­ся концентрационный градиент К⁺, который затем переносится в клетку Na/K-помпой с непо­средственной затратой энергии, т.е. первично ак­тивно. Напомним, что энергия здесь затрачивает­ся только на транспорт Na⁺ — транспорт веществ экономичен. Переносчик же транспортируется вторично активно: если не будет работать Na/K-помпа, челночные движения переносчика, соглас­но такому представлению, прекратятся, при этом сохраняется простая диффузия в случае наличия градиента концентрации вещества.

3. Осмос — это частный случай диффузии: движение воды (растворителя) через полу­проницаемую мембрану в область с большей

концентрацией частиц, т.е. с большим ос­мотическим давлением. Осмотическое давле­ние — это диффузионное давление, обеспе­чивающее движение растворителя через полупроницаемую мембрану. Измеряется оно минимальным механическим давлением на раствор (например, с помощью поршня), препятствующим движению растворителя через полупроницаемую мембрану. Осмоти­ческое давление одномолярного раствора чрезвычайно велико: 22,4 атм, в плазме крови оно существенно ниже — 7,6 атм, не­сколько больше оно внутри клетки, что обес­печивает ее упругость вследствие поступле­ния воды в клетку и растяжения ее мембра­ны. Вода поступает в клетку через водные ка­налы и временные поры, образующиеся между молекулами липидов и при смещении белков. Через водные каналы (аквапорионы) могут проходить также малые незаряженные молекулы: кислород, углекислый газ, этанол, мочевина,

Б. Следование за растворителем — это такой транспорт веществ, когда поток воды через мембрану увлекает за собой растворен­ные вещества, свободно проходящие через полупроницаемую мембрану, при этом час­тицы переходят через мембрану в неизменен­ной концентрации. Это наблюдается, напри­мер, в артериальном конце капилляров всех органов и тканей организма, в собиратель­ных трубках почки при переходе воды в моз­говой слой почки. Растворенные частицы, например мочевина, переходят с жидкостью в интерстиций почки, аминокислоты и глю­коза — в интерстиций всех органов и тканей организма.

В. Фильтрация — переход раствора через полупроницаемую мембрану (стенку сосуда) под действием градиента гидростатического давления между жидкостями по обе стороны этой мембраны- Градиент гидростатического давления создается либо деятельностью серд­ца (фильтрация в артериальном конце капил­ляра всех органов и тканей организма, а также образование первичной мочи в почке), либо гладкой мускулатурой желудочно-ки­шечного тракта и мышечного пресса, обеспе­чивающих повышение гидростатического давления в полости желудка и кишечника, что способствует всасыванию веществ в кровь.

Г. Натрийзависимый транспорт. В этом случае энергия затрачивается на создание градиента натрия. Имеется два варианта дан­ного механизма транспорта.

Первый вариант, когда направление дви­жения транспортируемого вещества совпада-

24

ет с направлением движения натрия согласно его электрохимическому градиенту {сим-порт), например перенос глюкозы в прокси­мальных канальцах нефрона в клетку каналь­ца из первичной мочи. Глюкоза соединяется с белком-переносчиком, последний соединя­ется с Na⁺, a Na⁺, согласно концентрацион­ному и электрическому градиентам, диффун­дирует в клетку канальца и несет с собой глюкозу. На внутренней стороне клеточной мембраны комплекс распадается, Na⁺ выво­дится помпой с непосредственной затратой энергии из клетки в интерстиций вопреки электрохимическому градиенту — первично активно. Глюкоза обратно пройти не может и по механизму простой или облегченной диф­фузии (с переносчиком) выходит из клетки уже с другой стороны — в интерстиций, а затем в кровь согласно концентрационному градиенту. С помощью натрийзависимого транспорта всасываются аминокислоты и мо-носахара в кишечнике, если всасывание идет вопреки концентрационному градиенту; про­исходит обратный захват медиатора в преси-наптическую терминаль из синаптической щели в синапсах ЦНС. Транспорт веществ с помощью Na⁺ осуществляется согласно зако­нам диффузии для Na⁺. Транспортируемое вещество при этом может поступать в клетку вопреки собственному концентрационному градиенту. Движущей силой является электрохимический градиент Na⁺. Глюкоза вместе с Na⁺ идет в клетку даже в том случае, если ее концентрация в клетке больше, неже­ли в среде, если, конечно, электрохимичес­кий градиент Na⁺ превосходит концентраци­онный градиент глюкозы.

Второй вариант натрийзависимого транс­порта, когда перемещение транспортируемых частиц направлено в противоположную по от­ношению к движению Na⁺ сторону, — это антипорт (противотранспорт). Этим обмен­ным механизмом регулируется, например, со­держание Са²⁺ в клетке, рН внутри клетки за счет выведения Н⁺-иона в обмен на внекле­точный Na\ В большинстве клеток (а воз­можно, и во всех) внутриклеточная концент­рация Са²⁺ на несколько порядков ниже вне­клеточной. Концентрационный градиент Na⁺ участвует в выведении Са²⁺ из клетки (в соот­ношении 3Na⁺ : 1Са²⁺). В некоторых клетках (кардиомиоциты, гладко мышечные клетки) он играет главную роль. Об этом свидетельст­вует, в частности, следующий факт. Выведе­ние Са²* из клеток снижается, если удалить из внеклеточной среды Na⁺. Это позволяет пред­положить, что Са²⁺ выводится из клетки в обмен на поступающий в нее Na⁺ и противо-

положно направленные потоки этих ионов сопряжены друг с другом; обеспечивается он переносчиком-обменником. Исходным ис­точником энергии этого процесса опять явля­ется градиент Na⁺, который в конечном счете формируется за счет АТФ-зависимого актив­ного транспорта Na⁺. Поэтому при ингибиро-вании Na/K-АТФазы сердечными гликозида-ми, при уменьшении внеклеточной концент­рации Na⁺ и в бескалиевой среде (когда "Na⁺ выводится из клетки недостаточно) Na/Ca-обменник блокируется, в результате чего уве­личивается внутри клеточная концентрация Са²⁺, что ведет к увеличению силы сокраще­ния сердца. Это свойство сердечных гликози-дов используется в клинической практике.

Вторичный транспорт веществ играет важ­ную роль в деятельности почки, например работа Na/H-обменника в канальцах почек. В этом случае выведение Н⁺ из клеток, вы­стилающих почечный каналец, в просвет ка­нальца сопряжено с поглощением клетками Na⁺ в отношении 1:1, что весьма важно; не приходится затрачивать энергию на выполне­ние электрической работы в процессе регуля­ции рН среды, поскольку происходит обмен двух одинаковых положительных зарядов.

Конкретный механизм работы переносчика-обмен -нщ неясен. Переносчик может транспортировать Са и Н вопреки их электрическим и концентраци­онным градиентам только в том случае, если сам пере­носчик имеет собственный градиент, — его концентра­ция в клетке больше, чем пне клетки, причем этот гра­диент яолжен₊постоянно поддерживаться, иначе пере­нос Са iЈ H прекратится. Полагаем, что выведение Са и Н из клетки в результате диффузии Na в клетку (противотранспорт) осуществляется следую­щим образом. Na постоянно поступает в клетку, со­гласно своему электрохимическому градиенту, и транспортирует с собой (в комплексе) молекулы-пере­носчики с внешней стороны клеточной мембраны на внутреннюю, что и ведет к созданию их концентраци­онных градиентов, направленных из клетки. Са и Н соединяются со своими переносчиками на внутренней стороне клеточной мембраны и транспортируются из клетки в виде комплексов согласно градиентам своих переносчиков. Именно поэтому, например, блокада Na /К -насоса ведет к накоплению Са ⁺ в кардиомио-цитах (транспорт Са из клетки уменьшается). Это примеры вторичного транспорта вещества за счет пер­вичного транспорта Na , который с помощью помпы выводится из клетки. Переносчики совершают челноч­ные движения за счет работы Na/K-насоса — вторич­но активно и транспортируют с собой Са иН .

Таким образом, механизмы вторичного транспорта веществ весьма разнообразны. Что касается вторичного транспорта ионов, то он осуществляется, как правило, с помо­щью простой диффузии через специальные ионные каналы.

25

2.5.4. ИОННЫЕ КАНАЛЫ

Ионные каналы образованы белками, они весьма разнообразны по устройству и меха­низму их действия. Известно более 50 видов каналов, каждая нервная клетка имеет более 5 видов каналов. Состояние активации управ­ляемого ионного канала обычно длится око­ло 1 мс, иногда до 3 мс и значительно боль­ше, при этом через один канал может пройти 12—20 млн ионов.

А. Классификация ионных каналов прово­дится по нескольким признакам.

1. По возможности управления их функ­ цией различают управляемые и неуправляе­ мые каналы (каналы утечки ионов). Через неуправляемые каналы ионы перемещаются постоянно, но медленно, естественно, при наличии электрохимического градиента, как и в случае быстрого перемещения ионов по управляемым каналам. Управляемые каналы имеют ворота с механизмами их управления, поэтому ионы через них могут проходить только при открытых воротах.

2. По скорости движения ионов каналы могут быть быстрыми и медленными. Напри­ мер, потенциал действия в скелетной мышце возникает вследствие активации быстрых Na- и К-каналов. В развитии потенциала действия сердечной мышцы наряду с бы­ стрыми каналами для Na⁺ и К⁺ важную роль играют медленные каналы — кальциевые, ка­ лиевые и натриевые.

3. В зависимости от стимула, активирую­ щего или инактивируюшего управляемые ионные каналы, различают несколько их видов: а) потенциалчувствительные, б) хемо- чувствительные, в) механочувствительные, г) кальцийчувствительные, д) каналы, чувст­ вительные ко вторым посредникам. Послед­ ние расположены во внутриклеточных мем­ бранах, они изучены недостаточно, так же как и кальцийчувствительные каналы. При взаимодействии медиатора (лиганда) с рецеп­ торами, расположенными на поверхности клеточной мембраны, может происходить от­ крытие ворот хемочувствительных каналов, поэтому их называют также рецепторуправля- емыми каналами. Л и г а н д — это биологи­ чески активное вещество или фармакологи­ ческий препарат, активирующий или блоки­ рующий рецептор. Открытие хемочувстви­ тельных каналов происходит в результате конформационных изменений рецепторного комплекса. Ворота потенциалзависимых ка­ налов открываются и закрываются при изме­ нении величины мембранного потенциала. Поэтому в конструкции их воротного меха-

низма должны быть частицы, несущие элект­рический заряд. Механочувствительные ка­налы активируются и инактивируются сдав­ливанием и растяжением. Кальцийчувстви­тельные каналы активируются, как видно из названия, кальцием, причем Са²⁺ может ак­тивировать как собственные каналы, напри­мер Са-каналы саркоплазматического рети-кулума, так и каналы других ионов, напри­мер каналы ионов К⁺. Мембраны возбудимых клеток (гладких и поперечнополосатых мышц, в том числе и сердечной мышцы, нервной системы) содержат потенциало-, хемо-, механо- и кальцийчувствительные ка­налы. Следует заметить, что Са-чувствитель­ные каналы — это один из примеров хемо­чувствительных каналов.

4. В зависимости от селективности разли­ чают ионоселективные каналы, пропускаю­ щие только один ион, и каналы, не обладаю­ щие селективностью. Имеются Na-, K-, Са-, С1- и Na/Ca-селективные каналы. Есть кана­ лы, пропускающие несколько ионов, напри­ мер Na⁺, K⁺ и Са²⁺ в клетках миокарда, т.е. не обладающие селективностью. Наиболее высока степень селективности потенциалчув- ствительных (потенциалзависимых) каналов, несколько ниже она у хемочувствительных (рецепторзависимых) каналов. Например, при действии ацетилхолина на Н-холиноре- цептор постсинаптической мембраны в нерв­ но-мышечном синапсе активируются ионные каналы, через которые проходят одновремен­ но ионы Na⁴", K⁺ и Са²⁺. Механочувствитель­ ные каналы являются вообще неселективны­ ми для одновалентных ионов и Са²⁺.

5. Один и тот же ион может иметь не­ сколько видов каналов. Наиболее важными из них для формирования биопотенциалов яв­ ляются следующие.

Каналы для К⁺:

а) неуправляемые каналы покоя (каналы утечки) через которые К⁺ постоянно выходит из клетки, что является глав­ ным фактором в формировании мем­ бранного потенциала (потенциала покоя);

б) потенциалчувствительные управляемые К-каналы;

в) К-каналы, активируемые Са²⁺;

г) каналы, активируемые и другими иона­ ми и веществами, например ацетилхо- лином, что обеспечивает гиперполяри­ зацию миоцитов сердца.

Каналы для Na⁺ ~ управляемые быстрые и медленные и неуправляемые (каналы утечки ионов):

26

а) потенциалчувствительные быстрые Na- каналы — быстро активирующиеся при уменьшении мембранного потенциала, обеспечивают вход Na⁺ в клетку во вре­ мя ее возбуждения;

б) рецепторуправляемые Na-каналы, акти­ вируемые ацетилхолином в нервно-мы­ шечном синапсе, глутаматом — в си­ напсах нейронов ЦНС;

в) медленные неуправляемые Na-каналы — каналы утечки, через которые Na⁺ по­ стоянно диффундирует в клетку и пере­ носит с собой другие молекулы, напри­ мер глюкозу, аминокислоты, молекулы- переносчики. Таким образом, Na-кана­ лы утечки обеспечивают вторичный транспорт веществ и участие Na в фор­ мировании мембранного потенциала.

Каналы для Са²⁺ весьма разнообразны и наиболее сложны: рецепторуправляемые и потенциалуправляемые, медленные и бы­стрые:

а) медленные кальциевые потенциалчув­ ствительные каналы (новое название: L-типа), медленно активирующиеся при деполяризации клеточной мембра­ ны, обусловливают медленный вход Сгг⁺ в клетку и медленный кальциевый потенциал, например, у кардиомиоци- тов. Имеются в исчерченных и гладких мышцах, в нейронах ЦНС;

б) быстрые кальциевые потенциалчувстви­ тельные каналы саркоплазматического ретикулума обеспечивают выход Са²⁺ в гиалоплазму и электромеханическое со­ пряжение (см. раздел 6.1.2).

Каналы для хлора имеются в скелетных и сердечных миоцитах, эритроцитах, в неболь­шом количестве в нейронах и сконцентри­рованы в синапсах, Потенциалуправляемые Cl-каналы имеются в кардиомиоцитах, ре­цепторуправляемые — в синапсах ЦНС и ак­тивируются тормозными медиаторами ГАМК и глицином.

Б. Структура ионных каналов и их функци­онирование. Каналы имеют устье и селектив­ный фильтр, а управляемые каналы — и во­ротный механизм; каналы заполнены жид­костью, их размеры 0,3—0,8 нм. Селектив­ность ионных каналов определяется их раз­мером и наличием в канале заряженных час­тиц. Эти частицы имеют заряд, противопо­ложный заряду иона, который они притяги­вают, что обеспечивает проход иона через данный канал (одноименные заряды, как из­вестно, отталкиваются). Через ионные кана­лы могут проходить и незаряженные части-

цы. Ионы, проходя через канал, должны из­бавиться от гидратной оболочки, иначе их размеры будут больше размеров канала. Диа­метр иона Na⁺, например, с гидратной обо­лочкой равен 0,3 нм, а без гидратной оболоч­ки — 0,19 нм. Слишком мелкий ион, проходя через селективный фильтр, не может отдать гидратную оболочку, поэтому он не может пройти через канал. Однако, по-видимому, имеются и другие механизмы селективности клеточной мембраны. Гипотеза «просеива­ния» не в состоянии объяснить, например, почему К⁺ не проходит через открытые Na-каналы в начале цикла возбуждения клет­ки, но тем не менее она дает удовлетвори­тельное, а в некоторых случаях и абсолютно убедительное объяснение избирательной (се­лективной) проницаемости клеточных мем­бран для разных частиц и ионов.

В. Взаимодействие различных видов управ­ляемых каналов. У каналов одного и того же вида возможно взаимовлияние друг на друга. Так, открытие одних электроуправляемых ка­налов способствует активации рядом распо­ложенных электрочувствительных каналов, в то время как открытие одного хемо- или ме-ханочувствительного канала и прохождение через него ионов практически не влияют на состояние соседних таких же каналов. Час­тичная деполяризация клеточной мембраны за счет активации механочувствительных ка­налов может привести к активации потенци-алчувствительных каналов Na⁺, K⁺ (или СГ) и Са²⁺.

Г. Ионные каналы блокируются специфи­ческими веществами и фармакологическими препаратами, что широко используется с ле­чебной целью. Специфическим блокатором механочувствительных каналов является Gadolinium (Gd³⁺). Блокаторами различных потенциалчувствительных каналов являются разные препараты или химические вещества. Так, например, блокатором хемочувствитель-ного (рецепторчувствительного) канала эф-фекторных клеток, активируемого ацетилхо­лином, является атропин. Потенциалзависи-мые Na-каналы блокируются тетродотокси-ном (действует только снаружи клетки); кальциевые — двухвалентными ионами, на­пример ионами никеля, марганца, а также верапамилом, нифедипином. Число ионных каналов на клеточной мембране огромно. Так, на 1 мкм² насчитывают примерно 50 №⁺-каналов, в среднем они располагаются на расстоянии 140 нм друг от друга. Успеш­ное изучение ионных каналов дает возмож­ность глубже понять механизм действия фар­макологических препаратов, а значит, более

27

успешно применять их в клинической прак­тике. Новокаин, например, как местный анестетик снимает болевые ощущения пото­му, что он, блокируя Na-каналы, прекращает проведение возбуждения по нервным волок­нам.

2.6. ЭКОНОМИЧНОСТЬ ТРАНСПОРТА ВЕЩЕСТВ

На процессы транспорта веществ в организ­ме расходуется значительная часть энергии. Тем не менее транспорт веществ осуществля­ется весьма экономично, поскольку обычно транспорт одних частиц обеспечивает пере­ход других, о чем свидетельствуют многие факты.

1. В процессе работы Na/K-насоса энер­ гия расходуется на перенос Na⁺ из клетки в окружающую ее среду, тогда как перенос К⁺ в клетку происходит без непосредственной затраты энергии в результате конформации белковой молекулы (Na/K-АТФазы) после присоединения К⁺ к активному ее участку (см. раздел 2.5.2).

2. Создание концентрационного градиента ионов, являясь причиной возникновения мембранного потенциала, одновременно формирует осмотический градиент, который в свою очередь создает предпосылки направ­ ленного перемещения воды. Созданный электрический градиент принимает участие в переносе заряженных частиц, обеспечивает возникновение потенциала действия и рас­ пространение возбуждения.

3. Процесс перехода воды из одной облас­ ти в другую, согласно закону осмоса, обеспе­ чивает транспорт всех частиц, растворенных в ней и способных пройти через биологичес­ кие фильтры (следование за растворителем). Энергия на переход воды непосредственно не затрачивается (вторичный транспорт), не за­ трачивается, естественно, энергия и на пере­ нос частиц, растворенных в воде, которые следуют вместе с водой.

4. Натрийзависимый транспорт (транс­ порт неэлектролитов) требует затрат энергии на перенос Na⁺ из клетки, но при этом часто диффузия Na⁺ в клетку обеспечивает переме­ щение мембранных переносчиков, соединен­ ных с молекулами глюкозы, аминокислот. Следовательно, глюкоза, аминокислоты могут поступать в клетку вместе с Na⁺ (сим- порт). Обратный захват медиатора в преси- наптическую терминаль из синаптической щели в синапсах ЦНС также осуществляется с помощью подобного механизма. Натрийза­ висимый транспорт может также обеспечи-

вать челночные движения молекул-перенос­чиков, которые в свою очередь транспорти­руют ионы Са²⁺, Н⁺ из клетки (противотран-спорт, антипорт) согласно концентрацион­ному градиенту переносчиков.

5. Глюкоза и аминокислоты переносятся с помощью облегченной диффузии вторично активно без непосредственной затраты энер­ гии.

6. Диффузия газов в легких между возду­ хом и кровью, а также в тканях между кро­ вью и интерстицием происходит вообще без затрат энергии, как и обмен ионов НСО₃ и СГ между эритроцитами и плазмой, когда кровь находится в различных тканях организ­ ма и легких. Диффузия веществ из кишечни­ ка, например глюкозы в кровь после приема с пищей, если ее концентрация в кишечнике больше, происходит согласно градиенту кон­ центрации, на создание которого клетки ор­ ганизма энергию не затрачивают. Эти два случая (диффузия газов в легком, тканях и частиц — в кишечнике) являются исключе­ нием, когда транспорт в организме осущест­ вляется вообще без затраты энергии. Однако энергия расходуется на доставку этих ве­ ществ в организм — дыхательные движения, приготовление пищи и обработка ее в пище­ варительной системе.

7. Энергия, затрачиваемая сердцем на дви­ жение крови по сосудам, обеспечивает не только транспорт кровью всех веществ, в том числе и газов, но и образование фильтрата (движение всех частиц) в тканях организма и мочеобразование.

Таким образом, первичный транспорт не­скольких ионов, главным из которых являет­ся Na⁺, обеспечивает перенос подавляющего большинства веществ в организме.

Все виды транспорта играют жизненно важную роль в процессе жизнедеятельности клеток и организма в целом. В частности, транспорт ионов обеспечивает формирова­ние мембранных потенциалов клеток мы­шечной и нервной тканей, одной из функций последней является регуляция различных систем организма.

2.7. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА КЛЕТКИ И ТКАНИ

Раздражимость — способность живой мате­рии активно изменять характер своей жизне­деятельности при действии раздражителя. Ре­акции отдельных клеток, тканей на действие раздражителя могут быть весьма разнообраз­ными: изменение интенсивности обмена ве­ществ, рН, ускорение клеточного деления и

28

роста, структурно-функциональные реакции. Степень выраженности возможных измене­ний может быть различной. Она зависит от вида клеток или ткани, которые подвергают­ся действию раздражителя. По степени выра­женности биоэлектрических явлений все ткани делят на возбудимые и невозбудимые.

Возбудимость — это способность клетки генерировать потенциал действия (ПД) при раздражении. Возбудимость является част­ным случаем наиболее общего свойства всех клеток — раздражимости.

К возбудимым тканям относятся только те, клетки которых генерируют ПД. Это мы­шечная и нервная ткань. Нередко к возбуди­мым тканям относят и «железистую ткань». Однако это не обосновано, поскольку желе­зистой ткани нет — имеются различные же­лезы и железистый эпителий как вид тканей. В процессе активной деятельности железы в ней действительно регистрируются биоэлект­рические явления, поскольку железа как орган состоит из различных клеток — соеди­нительнотканных, эпителиальных, мышеч­ных. ПД проводится по мембранам возбуди­мых клеток, с его помощью передается ин­формация и обеспечивается управление дея­тельностью клеток организма.

ПД (электрические импульсы) различной длительности и амплитуды зарегистрированы у клеток водорослей, в гигантских клетках гриба Neurospora, многих высших растений с длинными стеблями, например гороха и тыквы (по-видимому, эти клетки перекачи­вают сок по сосудам стебля), у одноклеточ­ных организмов, например у парамеций, в яйцеклетках многих животных, в коже голо­вастиков, в раковых клетках (см. рис. 2.1).

Невозбудимыми являются эпителиальная и соединительная (собственно соединитель­ная, ретикулярная, жировая, хрящевая, кост­ная, кровь) ткани. Клетки этих тканей не ге­нерируют ПД при действии на них раздражи­теля.

Раздражитель — это изменение внешней или внутренней среды организма, воспринимаемое клетками и вызывающее от­ветную реакцию. В зависимости от своей природы раздражители делят на физические (электрические, механические, температур­ные, световые) и химические. В зависимости от степени специфической чувствительности клеток к тому или иному раздражителю их подразделяют на адекватные и неадекватные. Адекватный раздражитель — это такой раз­дражитель, к которому клетка в процессе эволюции приобрела наибольшую чувстви­тельность вследствие развития специальных структур, воспринимающих этот раздражи­тель. Например, рецепторы сетчатки глаза обладают наибольшей чувствительностью к свету, вкусовые рецепторы — к химическим веществам.

В эксперименте весьма часто используют электрический раздражитель, поскольку он является универсальным, его легко дозиро­вать по силе, длительности, частоте и крутиз­не нарастания силы. Электрические раздра­жители часто используют в клинической практике как с диагностической, так и с ле­чебной целями.

Проводимость — это способность ткани и клетки передавать возбуждение.

Сократимость присуща мышечной ткани и выражается в изменении ее длины и/или на­пряжения.