Основные свойства клеточной мембраны.

♦ Обладает избирательной проницаемостью, которая изменяется при различных состояниях клетки. Это зависит:

· от механического фактора (соответствие размера каналов диаметру ионов);

· электростатического фактора (заряда канала);

· конкуренции между ионами (Na + и Ca 2+).

♦ Имеет каналы, через которые проникают ионы:

· потенциалзависимые каналы – открываются при изменении разности потенциалов;

· потенциалнезависимые (лигандозависимые, гормонрегулируемые) – открываются при взаимодействии рецепторов с веществами.

♦ Каналы могут быть открыты или закрыты благодаря воротам. Существует два вида ворот:

· активационные (в глубине канала);

· инактивационные (на поверхности канала).

♦ Ворота могут находиться в одном из 3-х состояний:

· открытое (открыты оба вида ворот);

· закрытое (закрыты активационные ворота);

· инактивационное (закрыты инактивационные ворота).

Мембранные транспортные механизмы.

Транспорт веществ через мембрану клетки осуществляется диффузией через липидный бислой или посредством двух классов мембранных белков – переносчиков или каналов.

Проницаемость плазматической мембраны.

♦ Если бы в плазматической мембране не присутствовали белки, легкость, с которой молекулы проходят сквозь фосфолипидный бислой по градиенту концентрации, зависела бы от размера молекулы, растворимости ее в жире и электрического заряда.

♦ Жирорастворимые (неполярные) молекулы диффундируют быстро. Примеры: О 2 , CO 2 , N 2 .

♦ Жиронерастворимые (полярные) молекулы диффундируют быстро при условии малого размера и электронейтральности. Примеры: H 2 O и мочевина. Диффундируют только большие незаряженные полярные молекулы типа глюкозы и сахарозы.

♦ Заряженные молекулы (ионы), даже при условии небольшого размера (Na + , K + , Cl –) практически не проникают через липидный бислой при отсутствии специальных транспортных механизмов.

♦ Транспорт ионов и больших полярных молекул обеспечивается специальными трансмембранными белками.

♦ Белки-переносчики передают вещества физическим движением одной части белковой молекулы относительно другой. Транспорт с помощью переносчиков может быть пассивным или активным (требует источник энергии).

♦ Каналы транспортируют вещества по их электрохимическому градиенту. Такой транспорт не требует прямого расхода метаболической энергии и поэтому называется пассивным транспортом.

♦ Транспорт макромолекул, таких как белок, сопровождается котранспортом вещества в пределах мембранного окружения.

♦ Если вещество транспортируется из клетки, процесс называется экзоцитозом.

♦ Транспорт в клетку называется эндоцитозом.

А. Терминология. В настоящее время различные авторы по-разному трактуют термины «проницаемость» и «проводимость». Под проницаемостью клеточной мембраны мы понимаем ее спо­собность пропускать воду и частицы - заряженные (ионы) и неза­ряженные согласно законам диффузии и фильтрации. Проницае­мость клеточной мембраны определяется следующими факторами: 1) наличием в составе мембраны различных ионных каналов -управляемых (с воротным механизмом) и неуправляемых (каналы утечки); 2) размерами каналов и размерами частиц; 3) растворимо­стью частиц в мембране (клеточная мембрана проницаема для рас­творимых в ней липидов и непроницаема для пептидов).

Термин «проводимость» следует использовать только приме­нительно к заряженным частицам. Следовательно, под проводи­мостью мы понимаем способность заряженных частиц (ионов) проходить через клеточную мембрану согласно электрохимиче­скому градиенту (совокупность электрического и концентрацион­ного градиентов).

Как известно, ионы, подобно незаряженным частицам, перехо­дят через мембрану из области с высокой концентрацией в об­ласть с низкой концентрацией. При большом градиенте концен­трации и хорошей проницаемости мембраны, разделяющей соот­ветствующие растворы, проводимость ионов может быть высо­кая, при этом наблюдается односторонний ток ионов. Когда кон­центрация ионов по обе стороны мембраны уравняется, проводи­мость ионов уменьшится, односторонний ток ионов прекратится, хотя проницаемость сохранится прежней - высокой. Кроме того, проводимость иона при неизменной проницаемости мембраны зависит и от заряда иона; одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются, т.е. важную роль в проводимости иона играет его электрический заряд. Возможна ситуация, когда при хорошей проницаемости мембраны проводимость ионов че­рез мембрану оказывается низкой или нулевой, - в случае отсут­ствия движущей силы (концентрационного и /или электрического градиентов).

Таким образом, проводимость иона зависит от его электрохи­мического градиента и от проницаемости мембраны; чем они больше, тем лучше проводимость иона через мембрану. Перемеще­ния ионов в клетку и из клетки согласно концентрационному и электрическому градиентам в состоянии покоя клетки осуществля­ются преимущественно через неуправляемые (без воротного меха­низма) каналы (каналы утечки). Неуправляемые каналы всегда от­крыты, они практически не меняют своей пропускной способности при электрическом воздействии на клеточную мембрану и ее воз­буждении. Неуправляемые каналы подразделяются на ионоселективные каналы (например, калиевые медленные неуправляемые каналы) и иононеселективные каналы. Последние пропускают различные ионы; К+, Ка + , С1".

Б. Роль проницаемости клеточной мембраны и различных ионов в формировании ПП (рис. З.2.).

внутри клетки является отрицательным как абсолютно (в гиалоплазме клетки содержится больше анио­нов, чем катионов), так и относительно наружной поверхности клеточной мембраны.

Калий является главным ионом, обеспечивающим формирова­ние ПП. Об этом свидетельствуют результаты опыта с перфузией внутреннего содержимого гигантского аксона кальмара солевыми растворами. При уменьшении концентрации ионов К + в перфуза-те ПП снижается, при увеличении их концентрации ПП повыша­ется. В состоянии покоя клетки устанавливается динамическое равновесие между числом выходящих из клетки и входящих в клетку ионов К + . Электрический и концентрационный градиенты противодействуют друг другу: согласно концентрационному гра­диенту К + стремится выйти из клетки, отрицательный заряд внут­ри клетки и положительный заряд наружной поверхности клеточ­ной мембраны препятствуют этому. Когда концентрационный и электрический градиенты уравновесятся, число выходящих из клетки ионов К + сравнивается с числом входящих ионов К + в клетку. В этом случае на клеточной мембране устанавливается так называемый равновесный потенциал.

Равновесный потенциал для иона можно рассчитать по формуле Нернста. Концентрация положительно заряженного иона, находя­щегося снаружи, в формуле Нернста записывается в числителе, а иона, находящегося внутри клетки, - в знаменателе. Для отрица­тельно заряженных ионов расположение противоположное.

Вклад Na + и Cl - в создание ПП. Проницаемость клеточной мем­браны в покое для иона N3+ очень низкая, намного ниже, чем для иона К + , тем не менее она имеется, поэтому ионы Ка* согласно концентрационному и электрическому градиентам стремятся и в небольшом количестве проходят внутрь клетки. Это ведет к умень­шению ПП, так как на внешней поверхности клеточной мембраны суммарное число положительно заряженных ионов уменьшается, хотя и незначительно, а часть отрицательных ионов внутри клетки нейтрализуется входящими в клетку положительно заряженными ионами Nа + . Вход иона Na+ внутрь клетки снижает ПП. Влияние СГ на величину ПП противоположно и зависит от проницаемости кле­точной мембраны для ионов СГ. Дело в том, что ион СГ, согласно концентрационному градиенту, стремится и проходит в клетку. Препятствует входу иона СГ в клетку электрический градиент, по­скольку заряд внутри клетки отрицательный, как и заряд СГ. На­ступает равновесие сил концентрационного градиента, способст­вующего входу иона СГ в клетку, и электрического градиента, пре­пятствующего входу иона СГ в клетку. Поэтому внутриклеточная концентрация ионов СГ значительно меньше внеклеточной. При поступлении иона СГ внутрь клетки число отрицательных зарядов вне клетки несколько уменьшается, а внутри клетки увеличивается: ион СГ добавляется к крупным, белковой природы анионам, нахо­дящимся внутри клетки. Эти анионы из-за своих больших размеров не могут пройти через каналы клеточной мембраны наружу клетки - в интерстиций. Таким образом, ион СI - , проникая внутрьклетки, увеличивает ПП. Частично, как и вне клетки, ионы № + и С1" внутри клетки нейтрализуют друг друга. Вследствие этого со­вместное поступление ионов Ка + и С1~ внутрь клетки не сказывается существенно на величине ПП.

В. Определенную роль в формировании ПП играют поверх­ностные заряды самой клеточной мембраны и ионы Са 2+ . На­ружная и внутренняя поверхности клеточной мембраны несут собственные электрические заряды, преимущественно с отрица­тельным знаком. Это полярные молекулы клеточной мембра­ны: гликолипиды, фосфолипиды, гликопротеиды. Фиксиро­ванные наружные отрицательные заряды, нейтрализуя поло­жительные заряды внешней поверхности мембраны, снижают ПП. Фиксированные внутренние отрицательные заряды кле­точной мембраны, напротив, суммируясь с анионами внутри клетки, увеличивают ПП.

Роль ионов Са 2+ в формировании ПП заключается в том, что они взаимодействуют с наружными отрицательными фиксиро­ванными зарядами мембраны клетки и нейтрализуют их, что ве­дет к увеличению и стабилизации ПП.

Таким образом, ПП - это алгебраическая сумма не только всех зарядов ионов вне и внутри клетки, но также алгебраическая сумма отрицательных внешних и внутренних поверхностных за­рядов самой мембраны.

При проведении измерений потенциал окружающей клетку среды принимают равным нулю. Относительно нулевого потен­циала внешней среды потенциал внутренней среды нейрона, как отмечалось, составляет величину порядка -60-80 мВ. Поврежде­ние клетки приводит к повышению проницаемости клеточных мембран, в результате чего различие проницаемости для ионов К + и N3+ уменьшается. ПП при этом снижается. Подобные из­менения встречаются при ишемии ткани. У сильно поврежден­ных клеток ПП может снизиться до уровня донанновского рав­новесия, когда концентрация внутри и вне клетки будет опреде­ляться только избирательной проницаемостью клеточной мембраны в состоянии покоя клетки, что может привести к на­рушению электрической активности нейронов. Однако и в нор­ме происходит перемещение ионов согласно электрохимическо­му градиенту, однако ПП не нарушается.

Растение - непре­рывно поглощает извне разные вещества, необходимые для его ж/д, а также постоянно выделяет вещества во вн. среду. Это указывает на то, что мембраны растения проницаемы, т. е. способны пропускать через себя поглощаемые и выделяемые вещества. Но клеточные мембраны пропускают через себя не все вещества, а лишь некоторые. Т. о., они обладают избирательной проницаемостью. Факты подтверждающие то, что в-ва в кл. поступают не только пассивно, но и активно:

1. Вещества проникают в клетку не только по градиенту концентраций (от высокой к более низкой) - пассивно, но и против градиента, когда в клетке накапливается веществ больше, чем в окружающей среде. Например концентрация йода, брома в талломах водорослей, растущих в морской воде.

2. В клетку могут поступать и из нее выделяться не только низкомолекулярные соединения, но и вещества с крупными молекулами.

3. При нахождении в растворе какой-либо соли, ионы, составляющие ее молекулу, будут проникать в клетку не равномерно, а в различных соотношениях (разное количество катионов или анионов).

Во-первых , проницаемость мембран цитоплазмы сильно варьирует в течение жизни раст. Она зависит от t°, света, содержания влаги и действия ядовитых в-в. Во-вторых , проницаемость связана с дыханием, что можно наблюдать при действии веществ, стимулирующих и ослабляющих этот процесс. Так, при действии макроэнергетического АТФ увеличивается поступление веществ в корни, а клеточные яды (цианид, фторид и др.) подавляют этот процесс. Известно несколько теорий, пытающихся объяснить проницаемость активными процессами. Основная - Теория переносчиков . Сущность: предполагается, что само вещество (А), не может проникать через мембрану. Тогда оно соединяется с особым переносчиком (X), который транспортирует его; затем переносимое вещество освобождается и остается внутри клетки, а переносчик с другим веществом (В) выходит наружу и снова становится способным к переносу. Схематически перенос вещества в клетку можно изобразить следующим образом: A + X =AX ->> AX =A + X.

Обратный перенос: В + X =ВХ ->> ВХ =В + X.

Предполагается, что переносчики - орг. в-ва белковой природы; один для переноса катионов , др. для переноса анионов . В основе их действия лежит процесс обменной адсорбции, когда поглощаемые и переносимые ионы обмениваются на другие, которых в клетке избыток. Катионы , как правило, обмениваются на Н + и Na + , Анионы - на ОН и НСО 3 . У бактерий они представлены Ant (типа грамицидина и валина). У высших растений их роль выполняют мембранные АТФ-азы и ионные насосы.

Ионные насосы - особые образования, встроенные в клеточные мембраны. Это глобулы, состоящие из 3-х субъединиц. Две из них представляют собой белковый канал по которому движутся ионы, третья - фермент АТФ-аза, при участии которой происходит распад АТФ с освобождением остатка фосфорной кислоты и некоторого количества энергии. К+, Na+-нacoc , который выводит из клетки натрий и закачивает калий; протонный, или водородный , выносящий Н+ и закачивающий другие вещества. Действие ионных насосов: в наружной среде (например в почве) всегда много ионов натрия. Вследствие высокой концентрации он движется по градиенту и пассивно проникает в клетки. Но растению такое большое кол-во натрия не нужно, поэтому в клетках быстро создается его избыток, который за счёт освобождающейся энергии АТФ выбрасывается из них. Калий напротив, необходим растению в больших количествах, чем натрий, однако в почве его мало, и сам по градиенту он поступать не может. Тогда одновременно с выбросом натрия происходит принудительное закачивание калия. Транспорт многих других веществ - минеральных и органических - у растений осуществляет Н-насос, который и служит главным переносчиком. Протонный насос участвует при загрузке флоэмы сахарами, образующимися при фотосинтезе.

Проницаемость - это способность тканей, клеток и субклеточных структур (ядра клетки и др.) пропускать газы, воду и различные вещества. Проникновение веществ через биологические мембраны происходит пассивно или путем активного переноса с участием специальных механизмов. Проницаемость мембран для различных агентов зависит как от физико-химических свойств последних, так и от особенностей самих мембран.

Нарушения проницаемости могут возникать в результате действия разнообразных повреждающих факторов: высокой и низкой температуры, облучения, некоторых веществ (например, ), недостатка кислорода, витаминов, гормонов и т. д. Нарушения проницаемости играют важную роль в патогенезе многих болезненных процессов: (см.), (см.), шока (см.), инфекционных заболеваний, нарушений выделительных процессов и др. Изменения проницаемости могут быть как проявлением защитной реакции, так и причиной многих тяжелых расстройств.

Проницаемость - это способность клеток и тканей пропускать и поглощать растворы и газы из окружающей среды и выделять их наружу. Проницаемость - общебиологическая проблема, связанная с взаимоотношением организма со средой, с обменом веществ и имеющая важное значение для физиологии и патологии.

Имеются следующие теории избирательной проницаемости клеток и тканей, по-разному трактующие субстрат и условия этого процесса. Согласно мембранной теории клеточной проницаемости распределение веществ между клеткой и средой объясняется наличием субмикроскопической мембраны, избирательно проницаемой для молекул и ионов. Протоплазма клеток считается коллоидом, в котором почти вся вода находится в свободном состоянии и обладает свойствами растворителя. В основе сорбционной теории проницаемости лежит представление о протоплазме как о несмешивающейся с водой фазе, в которой вода и ионы находятся в связанном состоянии. Поступление веществ в клетку регулируется всей протоплазмой и определяется факторами сорбции (растворимостью, химическим связыванием, адсорбцией и др.). По современным представлениям клеточные мембраны (см. Клетка) имеют общую толщину 70-80 А и состоят из двух параллельных слоев молекул липидов, ориентированных полярными группами к поверхности мембраны, с адсорбированными на них слоями белка. Кроме того, в цитоплазме имеется система мембранных образований, связанных с эндоплазматической сетью и митохондриями.

Низкомолекулярные вещества, вода, газы могут проникать в клетку под действием осмотических сил (см. Осмотическое давление), путем диффузии (см.) и ультрафильтрации (см.), без энергетических затрат (пассивный перенос). Для ионов проницаемость зависит от электрического заряда, градиента потенциала между наружной и внутренней поверхностью мембран.

Активным переносом обозначаются процессы, происходящие с затратой энергии, вырабатываемой в клетке в процессе метаболизма (фосфорилирование, дефосфорилирование, образование сложных комплексов веществ, наличие молекул-переносчиков, участие ферментов и т. д.). При этом вещества могут двигаться против градиента концентраций. Так, содержание ионов К в эритроцитах в 20 раз выше, чем ионов Na, однако ионы К накапливаются в них, а ионы Na выходят в плазму против 50-кратного градиента концентрации. Одним из способов проникновения веществ в клетку является пиноцитоз (см.). Процесс этот заключается в адсорбции веществ клеточной оболочкой, уменьшении ее поверхностного натяжения и впячивании внутрь цитоплазмы с образованием пиноцитарных вакуолей; впоследствии их оболочка разрушается, и вещества включаются в клеточный метаболизм.

Селективная проницаемость веществ зависит как от структуры и химического строения клеточных мембран, так и от размеров, электрического заряда, гидратации, растворимости веществ в липоидах. В отличие от сильных кислот и оснований, не проникающих в клетку, слабые кислоты и основания, в составе которых преобладают недиссоциированные молекулы, обладают большой проникающей способностью. При сдвиге активной реакции в кислую или щелочную сторону, сопровождающемся изменением степени диссоциации молекул, усиливается или ослабляется проникновение веществ в клетку. Так, установлено, что третичные аммониевые соединения, не несущие заряда, проникают в мозг, в отличие от ионизированных четвертичных аминов и их солей.

В организме многие ткани являются мембранами, обладающими избирательной проницаемостью (эндотелий капилляров и серозных полостей, кишечная стенка, эпителий кожи и др.). Проницаемость таких мембран зависит не только от составляющих их клеточных структур, но и от проницаемости межклеточного вещества. Важное значение имеет проницаемость гисто-гематических барьеров, регулирующих относительное постоянство внутренней среды органов и тканей (см. Барьерные функции).

Нарушения проницаемости являются существенным звеном в патогенезе многих патологических процессов (аллергия, воспаление, отек, шок), в механизме изменений всасывания (см.), секреции, экскреции, обмена веществ. Особое значение в клинической патологии имеют нарушения проницаемости капилляров, наблюдаемые при многих инфекционных, токсических, аллергических и других заболеваниях (дизентерия, бруцеллез, скарлатина, грипп, ревматизм, брюшной и сыпной тифы, тонзиллит, нефрит и др.). Нарушения проницаемости сосудов отмечены при заболеваниях сердечно-сосудистой системы (ревматический панкардит, миокардит, септический эндокардит, гипертоническая болезнь, атеросклероз), органов дыхания (эмфизема легких, пневмония, пневмосклероз), почек, печени, кожи, нервной системы. Изменения сосудистой проницаемости характерны для разных стадий лучевой болезни.

Важное значение в патогенезе ряда заболеваний имеют также нарушения проницаемости гисто-гематических барьеров. В частности, проницаемость гематоэнцефалического барьера увеличивается при черепно-мозговой травме, воспалении оболочек мозга, некоторых формах эпилепсии, нарушениях мозгового кровообращения, шоке, лучевой болезни и других патологических процессах. Имеются данные о влиянии различных лекарственных веществ на проницаемость капилляров, гематоэнцефалического и других гисто-гематических барьеров, что позволяет регулировать нарушения проницаемости в условиях патологии.

Мембранный транспорт

Транспорт веществ внутрь и наружу клетки, а также между цитоплазмой и различными субклеточными органеллами (митохондриями, ядром и т.д.) обеспечивается мембранами. Если бы мембраны были глухим барьером, то внутриклеточное пространство оказалось бы недоступным для питательных веществ, а продукты жизнедеятельности не могли бы быть удалены из клетки. В то же время при полной проницаемости было бы невозможно накопление определенных веществ в клетке. Транспортные свойства мембраны характеризуются полупроницаемостью: некоторые соединения могут проникать через нее, а другие - нет:

Проницаемость мембран для различных веществ

Одной из главных функций мембран является - регуляция переноса веществ. Существуют два способа переноса веществ через мембрану: пассивный и активный транспорт:

Пассивный транспорт. Если вещество движется через мембрану из области с высокой концентрацией в сторону низкой концентрации (т.е. по градиенту концентрации этого вещества) без затраты клеткой энергии, то такой транспорт называется пассивным, или диффузией. Различают два типа диффузии: простую и облегченную.

Простая диффузия характерна для небольших нейтральных молекул (H2O, CO2, O2), а также гидрофобных низкомолекулярных органических веществ. Эти молекулы могут проходить без какого-либо взаимодействия с мембранными белками через поры или каналы мембраны до тех пор, пока будет сохраняться градиент концентрации.

Облегченная диффузия. Характерна для гидрофильных молекул, которые переносятся через мембрану также по градиенту концентрации, но с помощью специальных мембранных белков - переносчиков. Для облегченной диффузии, в отличие от простой, характерна высокая избирательность, так как белок переносчик имеет центр связывания комплементарный транспортируемому веществу, и перенос сопровождается конформационными изменениями белка. Один из возможных механизмов облегченной диффузии может быть следующим: транспортный белок (транслоказа) связывает вещество, затем сближается с противоположной стороной мембраны, освобождает это вещество, принимает исходную конформацию и вновь готов выполнять транспортную функцию. Мало известно о том, как осуществляется передвижение самого белка. Другой возможный механизм переноса предполагает участие нескольких белков-переносчиков. В этом случае первоначально связанное соединение само переходит от одного белка к другому, последовательно связываясь то с одним, то с другим белком, пока не окажется на противоположной стороне мембраны.