БИОЛОГИЯ Конспект лекций - Золотые страницы 2003

1. КЛЕТКА

Функции плазматической мембраны

Мембрана является не только барьером между клеткой и внешней средой, но и представляет собой устройство, обеспечивающее относительное постоянство состава внутриклеточного объема. Наряду с этим она содержит специфические рецепторы для внешних «сигналов», присутствием которых могут объясняться такие разнообразные ответы, как ориентированное движение клетки (хемотаксис), стимуляция связанных с мембраной ферментов (циклаз) или генерации сигналов, которые могут быть химическими (цАМФ, цГМФ) или электрическими, как в нервной клетке. Плазматическая мембрана также является местом расположения специфических для клетки антигенов, которые характерны как для данного типа клеток, так и для вида млекопитающего в целом. Белки и специфические ферменты, локализованные в мембране, связаны с транспортом ионов и метаболитов через мембранный барьер. Благодаря инвагинациям (впячиваниям) плазматическая мембрана может образовывать единое целое с протяженными внутриклеточными каналами, что позволяет осуществлять поступление веществ извне далеко «внутрь» клетки, и участвует в формировании пространства между внутренней и внешней мембранами ядра.

Основные механизмы переноса через мембрану

Проницаемость мембраны для различных веществ зависит как от свойств молекул этих веществ, так и от характеристики мембран. В зависимости от того, требует ли перенос вещества через мембрану затраты энергии, эти процессы могут быть разделены на пассивные (перенос веществ по градиенту концентрации или электрохимическому градиенту без затрат энергии) и активные (против концентрационного и электрохимического градиента с затратой энергии).

Пассивный транспорт. Наличие трансмембранного градиента концентрации молекул различных веществ является движущей силой пассивного транспорта. Различают два типа пассивного транспорта: неопосредованный транспорт и опосредованный транспорт.

Неопосредованный пассивный перенос веществ осуществляется путем:

1) простой физической диффузии молекул. Диффундирующая молекула не модифицируется химически и не соединяется с другими видами молекул (например, диффузия малых молекул: воды, мочевины, СО₂);

2) диффузии через липидную фазу — растворитель для ряда малополярных веществ: простых и сложных эфиров, высших спиртов, жирных кислот. В клетке ускорение свободной диффузии достигается увеличением площади поверхности переноса, например, эпителий тонкого кишечника состоит из большого числа складок, которые образуют на поверхности мембраны микроворсинки.

Для ряда ионов существуют специфические каналы проницаемости, обусловливающие их быстрое селективное проникновение через мембрану: селективные каналы для К⁺, Na⁺. Такой перенос зависит от размера молекул, заряда ионов.

Для опосредованных, или облегченных, мембранных транспортных процессов характерны кинетика насыщения (т. е. транспортная система может насыщаться транспортируемым растворенным веществом) и специфичность к транспортируемому веществу. Опосредованный транспорт обусловливается белками, способными обратимо связывать специфические субстраты. Эти транспортирующие белки имеют названия: транспортные системы, переносчики, носители или транслоказы. Носители облегчают перенос веществ в направлении градиента концентрации и не требуют затраты метаболической энергии. Таким процессом является вход глюкозы в клетки печени — гепатоциты, эритроциты и мышечные клетки по концентрационному градиенту. В тех случаях, когда переносчик облегчает перенос вещества в одном направлении и одновременно другого — в другом без затрат энергии, этот процесс носит название обменной диффузии.

Активный транспорт. Активным транспортом называются процессы, в которых молекула должна двигаться через мембрану независимо от направления концентрационного градиента. Энергия, необходимая для такого процесса, поставляется одним из двух следующих способов. Во-первых, транспорт данного метаболита может быть сопряжен с одновременным движением второго вещества, которое движется по своему концентрационному градиенту. Вторая молекула может двигаться в том же направлении, что и первая (симпорт), или в противоположном направлении (антипорт). Во-вторых, энергия может поставляться сопряженным гидролизом АТФ (АТФ-азная активность) или какого-либо другого высокоэнергетического соединения на поверхности белка, который служит носителем. Такое «устройство» называется насосом.

В тканях млекопитающих обнаружено несколько основных систем активного транспорта, таких, как натриевый и кальциевый насосы (Na⁺- насос, Са²⁺-насос), системы транспорта глюкозы и других сахаров и системы транспорта аминокислот. Наряду с этим высокоселективные транспортные системы, включающие специфические белковые переносчики, могут функционировать при переносе определенных ионов из внеклеточной во внутриклеточную среду.

Процессы активного транспорта, в которых энергия АТФ непосредственно используется для переноса вещества против градиента, называется первично-активным транспортом. Этот процесс отличается от переноса веществ против градиента с помощью переносчиков, использующих при этом энергию уже существующего градиента другого вещества, чаще всего ионов Na⁺. Такой процесс принято называть вторично-активным транспортом.

Na⁺-Hacoc. В большинстве клеток животных внутриклеточная концентрация [К⁺] высока и постоянна, составляет 120-160 ммоль/л, в то время как концентрация [Na⁺] < 10 ммоль/л. Напротив, внеклеточная жидкость содержит много ионов Na⁺ ([Na⁺] ≈ 150 ммоль/л) и гораздо меньше ионов К⁺ ([К⁺] < 4 ммоль/л). Поэтому на клеточных мембранах возникает концентрационный градиент этих двух ионов. Постоянство высокой внутриклеточной концентрации [К⁺] поддерживается происходящим с затратой энергии выходом из клетки Na⁺ с заменой его на К⁺. Аналогия с механическим насосом оправдана в том смысле, что энергия используется для движения ионов против препятствующего движению концентрационного градиента. Источником энергии для этой работы служит АТФ-субстрат для мембранной АТФ-азы. Так, в мембранах эритроцитов содержится АТФ-аза, для активации которой требуется и Na⁺, и К⁺. Na⁺К⁺-АТФ-аза участвует в транспорте Na⁺ и К⁺ через плазматическую мембрану клеток всех эукариотов.

Аминокислоты и некоторые сахара транспортируются активно, что может сопровождаться метаболическими изменениями транспортируемых молекул. Описываемый сопряженный обменный перенос осуществляется с помощью белков-переносчиков, которые связывают одновременно субстрат и ионы Na⁺ и переносят вещество против градиента его концентрации за счет движения Na⁺ по градиенту. Это сопряжение транспорта Na⁺ и транспорта глюкозы позволяет предположить существование белка-переносчика с центрами связывания как для глюкозы, так и для Na⁺. Когда внутри клетки происходит разрядка этих центров, Na⁺-насос возвращает Na⁺ обратно во внеклеточную среду. Так как последний процесс нуждается в АТФ, то гидролиз АТФ, происходящий на одну стадию раньше, опять предоставляет энергию для транспорта глюкозы против ее концентрационного градиента.

Цитоз

Цитоз — особый механизм транспорта, предназначенный для поглощения клеткой или выведения из нее больших молекул с помощью изменения формы мембраны. Пиноцитоз — процесс поглощения клеткой различных субстратов, при котором инвагинация ее мембраны завершается образованием пиноцитарного пузырька вокруг поглощенного материала. Явление поглощения субстратов существенно отличается от явления проницаемости. Поглощенный материал находится вне клетки точно так же, как содержащаяся в просвете кишечника пища находится вне тела. Для того чтобы поглощенный субстрат смог включиться в обменные процессы клетки, он должен проникнуть через мембрану пузырька. Так как мембрана пузырька, образующаяся в процессе цитоза, по существу представляет собой фрагмент плазматической мембраны, то можно предположить, что она сохраняет и ее свойства. При пиноцитозе образуются пиноцитарные пузырьки диаметром 200700 нм. Субстраты, включенные в клетку в процессе пиноцитоза, в большинстве своем подвергаются распаду. Контакт лизосом с содержимым пиноцитарных пузырьков приводит к тому, что последнее распадается до низкомолекулярных соединений. Вместе с тем некоторые поглощенные молекулы сохраняются неизмененными и могут оказывать выраженное воздействие на клетку.

Пиноцитоз наблюдается у самых разнообразных клеток. Он особенно развит у клеток эпителия тех органов, где происходит процесс всасывания.

Фагоцитоз. Во время фагоцитоза клетка охватывает объект распластывающейся вокруг него мембраной. Такое обволакивание объекта протекает обычно с участием микрофиламентов. Когда мембрана полностью охватит фагоцитируемую частицу, происходит слияние ее краев. Фагоцитозом поглощаются вещества или твердые частицы диаметром более 1 мкм. Фагоцитарной активностью обладают лейкоциты (микрофаги — нейтрофилы, эозинофилы, базофилы; макрофаги — моноциты, большие лимфоциты); гистиоциты соединительной ткани; купферовские клетки печени; альвеолярные макрофаги, макрофаги лимфоузлов, селезенки.

Окаймленные пузырьки диаметром 60-70 нм участвуют в сортировке белков на плазматической мембране. Участие этих структур в процессе селективного (т. е. зависимого от рецепторов) эндоцитоза было обнаружено в 1976 году. Рецепторы различных лигандов на клеточной поверхности собираются в структурах, называемых окаймленными ямками. Эти ямки впячиваются и отрываются, образуя окаймленные пузырьки, которые доставляются в лизосомы. Большая часть белков плазматической мембраны исключается из окаймленных ямок. Такой эффект концентрирования одних белков и исключения других приводит к повышению концентрации рецепторов в 10³-10⁴ раз по сравнению с другими белками мембраны. Таким образом, окаймленные пузырьки представляют собой настоящую машину для сортировки.

Основной белок окаймленных пузырьков — клатрин. Окаймленные пузырьки из клатрина, несомненно, являются важнейшими переносчиками при мембранном транспорте (транспорт холестерола в составе липопротеинов низкой плотности и т. д.).

После эндоцитоза рецепторы многие сотни раз возвращаются на клеточную поверхность для повторного использования, и в то же время лиганды, связанные с ними, эффективно разрушаются. Рецепторам удается избежать протеолиза за счет эндосом — компартментов (отсеков), где рецепторы и лиганды диссоциируют из комплекса. Рецепторы затем возвращаются в плазматическую мембрану, а лиганды доставляются в лизосомы.

Экзоцитоз характерен для всех секреторных клеток: клеток, продуцирующих гормоны, ферменты, нейромедиаторы и другие продукты метаболизма. Это единственный вид транспорта при выделении медиаторов (ацетилхолина, адреналина и др.) через пресинаптическую мембрану.