2 курс / Нормальная физиология / Молекулярная_физиология_Пятин_В_Ф_,_Баишева_Г_М_и_др_

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И ФУНКЦИИ МЕМБРАН КЛЕТОК

Фармакология. Блокаторы кальциевых каналов (антагонисты Блокаторы кальциевых кальция)–средства,блокирующиекальциевыеканалы каналов. L-типа, то есть блокаторы медленных кальциевых каналов - гетерогенная группа лекарственных средств, имеющих одинаковый механизм действия, но различающихся по ряду свойств, в том числе по фармакокинетике, тканевой селективности, влиянию на частоту сердечных сокращений.

Препараты преимущественно используются для лечения артериальной гипертензии и нарушений сердечного ритма. Наиболее известными и применяемыми в клинической практике примерами являются верапамил, нифедипин, дилтиазем,

циннаризин и их производные.

2.3. ИОННЫЕ НАСОСЫ

Ионными насосами называют молекулярные механизмы, локализованные в мембранеиспособныетранспортироватьвеществазасчетэнергии,высвобождаемой при расщеплении АТФ, или любого другого вида энергии.

Признаки ионного насоса:

1)Движение против градиента электрохимического потенциала.

2)Поток вещества сопряжён с гидролизом АТФ (или другого источника энергии).

3)Асимметрия транспортной машины.

4)Насос in vitro способен гидролизовать АТФ только в присутствии тех ионов, которые он переносит in vivo.

5)При встраивании насоса в искусственную среду он способен сохранять селективность.

АТФ-энергетические насосы определяют так называемый активный транспорт. Активный транспорт использует энергию для осуществления перемещения вещества через мембрану из области низкой концентрации в область высокой, т.е. против электрохимического градиента вещества. В настоящее время известны три типа электрогенных ионных насосов, осуществляющих активный перенос ионов через мембрану - для H+, Na+, Ca2+.

ИОННЫЕ НАСОСЫ

Активный транспорт требует связывания транспортируемого вещества с переносчиком мембраны. Поскольку эти переносчики перемещают вещество против градиента концентрации, они называются «насосами». Насосы, обеспечивающие активный транспорт, специфичны для транспортируемого вещества и насыщаемы, т.е. их поток максимален, когда все специфические места связывания с переносимым веществом заняты.

Движениеизобластисболеенизкойконцентрациейкобластисболеевысокой и обеспечение поддержания установившейся концентрации на одной стороне мембраны могут быть достигнуты только непрерывным энергетическим обеспечением транспортного процесса. Эта энергия может:

•изменять аффинность центра связывания на транспортере так, чтобы аффинность связывания на одной стороне мембраны была более высокой, чем на другой;

•изменять скорости, с которыми центр связывания на переносчике сдвигается от одной поверхности до другой.

Ионные насосы на основании особенностей их молекулярной организации могут быть сгруппированы в три класса (P, V и F).

Ионные насосы класса Р самые простые по структуре и состоят из четырех трансмембранных полипептидных субъединиц - 2α и 2β. Большая α-субъединица фосфорилируется в течение процесса транспорта, сквозь нее перемещаются транспортируемые ионы. К ним относятся:

1)электрогенный Na+/K+-насос, основанный на работе Na+/K+-ATФазы;

2)Са2+-ATФазы плазматической мембраны клетки, саркоплазматического ретикулума мышечных клеток, мембран ряда внутриклеточных органелл;

3)Н+/ К+ - АТФаза в секретирующих кислоту клетках.

Ионные насосы классов V и F сходны по структуре друг с другом, но не гомологичны с классом Р. Все известные типы этих двух классов насосов транспортируют только протоны (Н+). Отличие состоит в том, что насосы V-класса используют для переноса протонов через мембрану энергию гидролиза АТФ, а насосы F-класса, напротив, используют энергию трансмембранного переноса для синтеза АТФ.

Са2+-АТФаза

Ca2+- ATФаза поддерживает концентрацию свободных ионов Ca2+ в пределах от 10-7 до 2х10-7 М. Са2+-АТФаза, локализованная в плазматической мембране клеток, транспортирует Ca2+ из клетки против его концентрационного градиента. Мышечные клетки содержат другую Ca2+-АТФазу, транспортирующую Са2+ из цитозоля в полость саркоплазматического ретикулума.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И ФУНКЦИИ МЕМБРАН КЛЕТОК

Кальциевый насос в плазматической мембране

Плазматическая мембрана содержит Ca2+-ATФазы, транспортирующие ионы Ca2+ из цитозоля во внеклеточный раствор. Во многих случаях активностьэтихферментовстимулируетсяповышениемвцитозолесвободногоCa2+, вызванного, например, гормонной стимуляцией. Связывающий кальций регуляторный протеин кальмодулин (calmodulin) - существенная субъединица Са2+- АТФазы эритроцита и других Ca2+-ATФаз плазматической мембраны. Подъем цитозольного Ca2+ приводит к связыванию ионов Ca2+ с кальмодулином. Как результат этого процесса, экспорт ионов Ca2+ из клетки ускоряется, и восстанавливается исходно низкая концентрация свободного Ca2+ в цитозоле (примерно 10-6 M).

Рис. 16. Молекулярный механизм работы Ca2+-

АТФазы. NB - домен, ответственный за связывание нуклеотидов; Р - домен, ответственный за фосфорилирование; ТА - домен, ответственный за транслокацию.

Показаны этапы работы насоса.

Кальциевый насос в мышцах

Крайне высокая аффинность центров связывания этого фермента для ионов Са2+ на поверхности, обращенной в цитозоль, позволяет ему очень эффективно связывать и транспортировать Ca2+ из цитозоля, где концентрация свобод-

ИОННЫЕ НАСОСЫ

ного Ca2+ находится в диапазоне от 10-7 M (покоящиеся клетки) до более чем 10-6 M (сокращающаяся клетка), в полость саркоплазматического ретикулума, где общая концентрация Ca2+ может быть высокой, достигая 10-2 M. Активность мышечной Ca2+-ATФазы регулируется концентрацией свободного Ca2+. Если эта концентрация становится слишком высокой, скорость закачивания Ca2+ увеличивается до тех пор, пока его концентрация не станет меньше чем

10-6 M.

Концентрация свободного Ca2+ внутри саркоплазматического ретикулума значительно меньше, чем его общая концентрация, максимально равная 10-2 M. Два растворимых протеина в полостях везикул саркоплазматического ретикулума связывают ионы Ca2+. Один из них, кальсеквестрин (calsequestrin), связывает 43 иона Ca2+. Второй – Са2+-связывающий протеин - имеет более низкую «валентность» для ионов Ca2+, но высокую аффинность по сравнению с кальсеквестрином. Такие протеины работают как резервуары для внутриклеточного Ca2+, снижая концентрацию свободных ионов Ca2+ в везикулах саркоплазматического ретикулума и, соответственно, уменьшая энергию, необходимую для закачивания ионов Ca2+ внутрь этих везикул из цитозоля.

Принцип работы Са2+-АТФазы

Конформационные изменения Са2+-АТФазы приводят к перемещению Са2+- связывающих центров на одну или другую сторону мембраны, в соответствии с этим различают Е1 и Е2 типы конформации. Цикл работы насоса состоит из 6 этапов:

1) Связывание АТФ и 2 ионов Са2+ (Е1 тип конформации).

2) Са2+ связывается с ферментом, АТФаза переносит фосфатную группу кцелевомуаспартату.Фосфорилированиесмещаетконформационное равновесие АТФазы в сторону Е2 состояния.

3) Переход от Е1 к Е2 конформации приводит к смещению ион-связыва- ющих центров на противоположную сторону мембраны (флип-флоп механизм), где будет происходить диссоциация ионов.

4) Низкое сродство Е2 конформации к ионам Са2+ будет приводить к их высвобождению.

5) Высвобождение Са2+ и присутствие ионов Mg2+ стимулирует дефосфорилирование фосфоаспартата и запускает гидролиз АТФ.

6) АТФаза, лишенная фосфатной группы, нестабильна в состоянии Е2, в связи с чем она «переворачивается» вновь в конформацию Е1, тем самым завершая цикл.

Nа+/К+-АТФаза

Этот вид ионного насоса расположен на плазматических мембранах всех животных клеток. Na+/K+-ATФаза ответственна за взаимосвязанное движение ионов натрия и калия из клетки и в клетку, при этом 3 иона Na+ выходят из клетки, а 2 иона К+ перемещается в клетку, при этом происходит гидро-

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И ФУНКЦИИ МЕМБРАН КЛЕТОК

лиз 1 молекулы АТФ. Механизм действия Na+/K+-ATФазы подобен механизму Са2+-ATФазы. В случае Na+/K+-ATФазы насчитывается семь этапов переноса ионов, сопряженных с гидролизом АТФ.

1)образование комплекса фермента с АТФ на внутренней поверхности мембраны (эта реакция активируется ионами магния);

2)связывание комплексом трех ионов натрия;

3)фосфорилирование фермента с образованием АДФ;

4)переворот (флип-флоп) фермента внутри мембраны;

5)реакция ионного обмена натрия на калий, происходящая на внешней поверхности мембраны;

6)обратный переворот ферментного комплекса с переносом двух ионов калия внутрь клетки;

7)возвращение фермента в исходное состояние с освобождением ионов калия и неорганического фосфата (Р).

Рис. 17. Принцип работы Na+/

K+- ATФазы. Показан принцип обмена 3 ионов Na+ внутри клетки на 2 иона К+ из внеклеточного пространства. В процессе участвуют АТФ, АДФ, фосфат (Р). Показано также место связывания с оубаином – ингибитором

Na+/K+-ATФазы.

Н+/К+-АТФаза

Впроцессеклеточногодыханияпротонныенасосызабираютпротоныизматрикса и выпускают их внутрь клетки или органеллы. Эти запертые внутри органеллы протоны формируют градиент как pH, так и электрического заряда и создают электрохимический потенциал, который служит запасом энергии для клетки. На Н+/К+-АТФазе плазматической мембраны, а также у трансмембранной АТФазы других клеточных мембран транспорт протонов осуществляется за счет гидролиза АТФ. Протонные насосы F-класса, использующие Н+ для синтеза АТФ, называют АТФ-синтазами (или комплексом F0F1). Так, АТФ-синтазаF0F1 митохондрийпереноситпротонычерезмембрануизобласти

ИОННЫЕ НАСОСЫ

высокой в область низкой концентрации, используя энергию, выделяющуюся при этом переносе, для синтеза АТФ. Для обеспечения прохождения протонов через внутреннюю мембрану в ней временно открывается протонный канал. Протонные насосы V-класса обеспечивают поддержание определенного значения рН у растений.

Протонный насос (Н+/К+-АТФаза) у человека выполняет важнейшую роль при секреции соляной кислоты в желудке. Присутствующая в большом количестве в обкладочных (париетальных) клетках слизистой оболочки желудка протонная помпа транспортирует ион водорода Н+ из цитоплазмы в полость желудка через апикальную мембрану обкладочных клеток в обмен на ион калия К+, который она переносит внутрь клетки (ПРИЛОЖЕНИЕ 14).

Обменники, транспортеры и ко-транспортеры

Ионообменники обменивают один ион на другой, используя градиент концентраций одного из обмениваемых ионов, созданный ионными насосами или другими ферментными системами (Na+/H+-обменник, НСO3+/Сl--обменник, Na+/Ca2+-oбменник и др.).

Трансмембранный транспорт с помощью транспортеров подразделяют на унипорт, симпорт, антипорт в зависимости от количества переносимых веществ и направления переноса. Для унипорта характерен перенос единственного типа молекул по градиенту концентрации, как например, при об-

легченной диффузии. Особенностью котранспортеров является возможность переносить одновременно два вида молекул (или ионов) с помощью симпорта или антипорта. В отличие от АТФ-насосов, в которых источником энергии для транспорта веществ является гидролиз АТФ, котранспортеры используют энергию, запасенную в электрохимическом градиенте, созданным работой АТФ-насоса. Соответственно, для их работы не требуется непосредственных затрат энергии АТФ, поэтому этот вид транспорта называется вторично-ак- тивным. Транспортный белок во вторично-активной транспортной системе также имеет центр связывания для иона. Этот ион - часто Na+, но в некоторых случаях, это может быть HCO3-, Cl- или K+. Связывание иона со вторично-ак- тивным транспортером вызывает конформационные изменения в транспортере, а именно изменение аффинности центра связывания на транспортере для транспортируемоговещества,илиизмененияскорости,скоторойцентрсвязывания на транспортном белке перемещается от одной поверхности до другой

(ПРИЛОЖЕНИЕ 8).

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И ФУНКЦИИ МЕМБРАН КЛЕТОК

АКТУАЛЬНОСТЬ И КЛИНИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

ИОННЫЕ НАСОСЫ

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Определение понятия и функции биологической мембраны.

2.Опишите жидкостно-мозаичную модель биологических мембран. Кто ее авторы?

3.Липидный состав биологических мембран: основные классы, функции и свойства.

4.Понятие «липидных рафтов», или «мембранных плотов». Их функции на мембране клетки.

5.Классификация белков биологических мембран. Какими свойствами и функциями они обладают?

6.Физиологическое значение транспорта веществ через мембрану. Виды мембранного транспорта.

7.Понятие мембранных ионных каналов. Основные типы ионных каналов, классификация.

8.Свойства и функции ионных каналов мембран. Функциональные состояния («формы жизни») ионных каналов на примере натриевого канала.

9.Понятие о «сенсоре напряжения» ионных каналов.

10.Опишите принципы работы и молекулярную организацию кальциевых ионных каналов. Кальциевые токи (L-тип, N-тип,T-тип). Са2+-каналы рианодиновых рецепторов и их роль в мышечном сокращении.

11.Опишите принципы работы и молекулярную организацию калиевых и хлорных ионных каналов. Разновидности калиевых и хлорных каналов. Каналы утечки, их роль в формировании мембранного потенциала.

12.Определение понятия «каналопатии». Примеры.

13.Особенности преобразования механического сигнала в клетке. Механосенситивные каналы мембран.

14.Классы аквапоринов и их функции.

15.Что такое «ионные насосы»? Какие ионные насосы Вам известны? Молекулярные механизмы их работы.

16.Предположите клинические эффекты лекарственных препаратов-блокато- ров медленных кальциевых каналов.

НАДМЕМБРАННЫЕХ И ПОДМЕМБРАННЫЕХ СТРУКТУРЫЦИТОЛЕМММЫ

3.МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ НАДМЕМБРАННЫХ И ПОДМЕМБРАННЫХ СТРУКТУР ЦИТОЛЕММЫ

Воснове цитолеммы лежит биологическая мембрана, снаружи с внешней средой она контактирует через надмембранные структуры – гликокаликс, с внутренней стороны мембраны находятся подмембранные компоненты, обеспечивающие цитоскелет.

3.1.КОМПОНЕНТЫ НАДМЕМБРАННЫХ СТРУКТУР И ИХ ФУНКЦИИ

Надмембранный комплекс животных клеток представляет собой тонкий поверхностный слой, образованный большим количеством соединений (ПРИЛОЖЕНИЕ 15). В него входят олигосахариды, протеогликаны, гликопротеиды, гиалуроновая кислота, фибронектин, коллаген, ферменты, катионы. Структурынадмембранногокомплексаобеспечиваютнепосредственнуюсвязь клеток с внешней средой и межклеточное взаимодействие, участвуют в восприятии клеткой раздражений, а также – благодаря наличию ферментов – во внеклеточном пищеварении.

Олигосахариды хорошо растворимы в воде и в соединении с другими молекуламипридаютпоследнимрастворимость.Основнойфункциейгликолипидов является межклеточная адгезия, также они выступают в роли поверхностных клеточных антигенов (например, антигены АВ0 эритроцитов).

Функцией гликопротеинов надмембранных структур клеток крови, соединительной ткани, гладкомышечных клеток является адгезия. Выделяют 3 основных структурных семейства межклеточных адгезивных молекул – селектины, интегрины, адгезивные рецепторы суперсемейства иммуноглобулинов (дополнительновыделяютеще2семействамолекуладгезии:кадгерины–каль- цийзависимые межклеточные молекулы адгезии, а также различные хоминговые рецепторы, обеспечивающие движение лимфоцитов в специфическую лимфоидную ткань). К интегрину крепится 2 субъединицы фибронектина, к которому, в свою очередь, прикрепляется гиалуроновая кислота и коллаген. Гликопротеины эпителия ЖКТ и воздухоносных путей называются муцинами, которые могут быть мембрансвязанными и секреторными. Секреторные муцины продуцируются бокаловидными клетками и формируют над гликокаликсом 2 слоя: плотный слизистый, с которым ассоциированы продукты синтеза бокаловидных клеток, клеток Панета (обеспечивающих антибактериальную защиту тонкой кишки) и IgA, а также рыхлый слизистый, где происходит взаимодействие антимикробных веществ с микроорганизмами.

К гликопротеинам относятся коллаген и эластин, транспортные белки плазмы крови, иммуноглобулины, ферменты и т.д.

Протеогликаны в надмембранном комплексе участвуют в формировании GPI-якоря (ГФИ-якорь). Гликозилфосфатидилинозитол (GPI) – это гликоли-

ГЛИКОКАЛИКС

пид, который может присоединяться к C-концу белка в процессе посттрансляционной модификации, а жирные кислоты, составляющие фосфатидил-инози- толовуюгруппу,«заякоривают»белоквклеточноймембране.GPI-якорьсвязан снаружнойповерхностьюклеточноймембраныификсируетнанейразличные белки, включая ферменты, антигены групп крови, молекулы адгезии, клеточныерецепторыиповерхностныебелки,регулирующиедействиекомплемента. Примечательно, что белки, содержащие GPI, предпочтительно размещаются в липидных рафтах, что позволяет предположить высокий уровень организации плазматической мембраны микродоменов.

3.2. ГЛИКОКАЛИКС. ФУНКЦИИ ГЛИКОКАЛИКСА

Гликокаликс, или надмембранный компонент, представляет собой внешний по отношению к липопротеидной мембране слой, содержащий полисахаридные цепочки мембранных интегральных белков — гликопротеидов. Эти цепочки содержат такие углеводы, как манноза, глюкоза, N-ацетилглюкозамин, сиаловая кислота и др. Такие углеводные гетерополимеры образуют ветвящиеся цепочки, между которыми могут располагаться выделенные из клетки гликолипиды и протеогликаны. Слой гликокаликса сильно обводнен, имеет желеподобную консистенцию, что значительно снижает в этой зоне скорость диффузии различных веществ. Здесь же могут «застревать» выделенные клеткой гидролитические ферменты, участвующие во внеклеточном расщеплении полимеров (внеклеточное пищеварение) до мономерных молекул, которые затем транспортируются в цитоплазму через плазматическую мембрану. Максимально он выражен в эпителии желудочно-кишечного тракта, воздухоносных путей и в эндотелии сосудов.

Гликокаликс выполняет рецепторную и маркерную функции, содержит молекулы межклеточной адгезии, отрицательно заряженные молекулы гликокаликса создают электрический заряд на поверхности клеток. Определенный набор молекул на поверхности клеток является своеобразным распознавателем клеток, определяя их индивидуальность и узнаваемость сигнальными молекулами организма. Это свойство имеет очень большое значение в работе таких физиологических систем организма, как нервная, эндокринная, иммунная. В ряде специализированных клеток (например, во всасывающих клетках кишечного эпителия) гликокаликс несет основную функциональную нагрузку в процессах мембранного пищеварения, участвуя в обеспечении избирательности транспорта веществ. Периферические белки, входящие в состав гликокаликса, большей частью функционируют как энзимы (ацетилхолинестераза, кислая и шелочная фосфатазы и др.). Некоторые энзимы также представлены интегральными белками (АТФ-аза).

НАДМЕМБРАННЫЕХ И ПОДМЕМБРАННЫЕХ СТРУКТУРЫЦИТОЛЕМММЫ

Функции гликокаликса

1)Клеточная адгезия и межклеточные взаимодействия;

2)препятствие взаимодействию иммунных клеток и лейкоцитов с клеточными рецепторами здоровых, неповрежденных тканей;

3)выработка NO;

4)контроль клеточного микроокружения:

•связывание ферментов и питательных веществ с повышением их локальной концентрации;

•связывание веществ из плазмы крови и соединительной ткани, способствующих транскрипции гена фактора роста;

•защита функциональной активности клетки за счет прикрепления ферментов, их агонистов и ингибиторов;

•связывание ионов Nа+, Ca2+, K+.

Рис. 18. Сопряжение гликокаликсной сети с цитоскелетом. Показаны основные компоненты гликокаликса эндотелия и способы их прикрепления к мембране.

3.3.МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ БАЗАЛЬНОЙ МЕМБРАНЫ

Базальная мембрана – тонкий бесклеточный слой, отделяющий соединительную ткань от эпителия или эндотелия. Базальная мембрана состоит из двух пластинок: светлой, электроннопрозрачной (lamina lucida) – внутренний слой, прилежащий к собственно мембране, и тёмной, электронноплотной, на-

Базальная мембрана

ружной (lamina densa). Иногда к тёмной пластинке прилегает образование, называемое фиброретикулярной пластинкой (lamina fibroreticularis).

В основе базальной мембраны лежат полимерные сети ламинина и коллагена IV, а также вспомогательные компоненты.

Таблица. Белки базальной мембраны

Протеогликаны перлекан

коллаген IV

Коллагены

коллагены I, II, III

ламинин

Мультиадгезивные матричные белки фибронектин

нидоген/энтактин

Главными компонентами базальной мембраны являются ламинины, представляющие собой адгезивные гликопротеины, способные к самосборке с образованием полимера. Для этого необходимо связывание ламининов с мембранными рецепторами и накопление их критической массы. В результате образуется сотоподобная пластинчатая структура, в которой есть места связывания для специфических молекул (интегрина и др.).

Коллаген IVотносится к нефибриллярным коллагенам, его молекулы также способны к самосборке, в результате образуется стабилизированная полимерная цепь, которая «вплетается» в существующую ламининовую сеть.

Стабилизаторами базальной мембраны являются ее вспомогательные компоненты: нидогены, перлекан, агрин, коллагены VI, VII, XV, XVIII.

Базальная мембрана связана с эпителием полудесмосомой . Базальные мембраны делят на двухслойные, трехслойные, прерывистые, сплошные.

Функции базальной мембраны:

1)Структурная – поддержание архитектоники клетки; обеспечение прочной связи эпителия с подлежащей соединительной тканью (с одной стороны к базальной мембране прикрепляются эпителиальные клетки с помощью полудесмосом, с другой – коллагеновые волокна соединительной ткани посредством якорных фибрилл);

НАДМЕМБРАННЫЕХ И ПОДМЕМБРАННЫЕХ СТРУКТУРЫЦИТОЛЕМММЫ

2)фильтрационная – избирательная фильтрация питательных веществ, поступающих в эпителий (базальная мембрана играет роль молекулярного сита);

3)обеспечение клеточного заряда;

4)участие в регуляции клеточного метаболизма;

5)морфогенетическая – обеспечение и регуляция роста и/или регенерации эпителия.

3.4.МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПОДМЕМБРАННЫХ СТРУКТУР ЦИТОЛЕММЫ

Подмембранные структуры выполняют роль цитоскелета клетки.

Функции:

•обеспечивают клетку механическим каркасом;

•способствуют клеточному движению и изменению формы клеток;

•обеспечивают транспорт внутри клетки между различными клеточными органеллами.

«Скелет» клетки выполняет опорную, транспортную, контрактильную и двигательную функции. Онпредставлен3 видамифиламентов (фибрилл) - ми- крофиламентами,промежуточнымифиламентамиимикротрубочками-макро- филаментами. Каждый из филаментов, выполняя ряд общих функций клетки, специализирован в отношении преимущественно одной из них - контракции (микрофиламенты), статики (промежуточные филаменты) или движения органелл и транспорта (микротрубочки) (ПРИЛОЖЕНИЯ 15, 16, 30).

Микрофиламенты имеют прямое отношение к актину и миозину. Актиновые филаменты, как и миозин, обнаружены почти во всех клетках. Для миозина, независимо от того, принадлежит он мышечным или немышечным клеткам, характерна способность — обратимо связываться с актиновыми филаментами и катализировать гидролиз АТФ, что требует присутствия самого актина. Количество миозина в мышечных клетках в 50 раз больше по сравнению с немышечными, кроме того, миозиновые филаменты мышечных клеток длиннее и толще, чем филаменты немышечных клеток.

Микрофиламентыпредставляютсобойфибриллыполимеризованногоактина, связанного с многими другими белками (известно порядка 50 актинассоциированных белков). Микрофиламенты во всех немышечных клетках могут осуществлять, по крайней мере, два типа функций: быть частью сократительного аппарата, взаимодействуя с моторными белками (миозин), или участвовать в формировании скелетных структур, способных к собственному движениюзасчетпроцессовполимеризацииидеполимеризацииактина.Существует два типа актиновых филаментов: G-актин – мономерная форма актина, имеет вид глобулы, содержащей в своем составе молекулу АТФ, и F-актин – тонкая фибрилла толщиной 8 нм, образующаяся при полимеризации G-актина, представляет собой пологую спиральную ленту. При достаточной концентрации в

ПОДМЕМБРАННЫЕ СТРУКТУРЫ ЦИТОЛЕММЫ

клеткеG-актинначинаетсамопроизвольнополимеризоваться.Притакойспон- танной полимеризации актина на образовавшейся нити микрофиламента один из ее концов быстро связывается с G-актином (плюс-конец микрофиламента) ипоэтомурастетбыстрее,чемпротивоположный(минус-конец).Есликонцен- трация G-актина будет недостаточной, то образовавшиеся фибриллы F-актина начинают деполимеризоваться.

Микрофиламентозная система служит секреторным процессам, фагоцитозу и митозу; отвечает за форму клетки, участвует в межклеточном взаимодействии (образовании адгезивных контактов), передаче сигналов и, вместе с миозином — в мышечном сокращении. С помощью цитоплазматических миозинов по микрофиламентам может осуществляться везикулярный транспорт.

Промежуточные филаменты строятся из фибриллярных мономеров, относятся к самым стабильным и долгоживушим элементам цитоскелета. Этот тип подмембранных компонентов получил свое название из-за того, что толщина цитоскелетных структур, состоящих из промежуточных филаментов, занимает промежуточное положение между толщиной актиновых/миозиновых филаментовимикротрубочек(среднийдиаметрпромежуточныхфиламетовсоставляет 9-11 нм).

Промежуточные филаменты специализированы в зависимости от типа клеток, в которых встречаются: цитокератины находят в эпителиях, скелетин (десмин) — в мышечных клетках, виментин - в мезенхимальных клетках, нейрофиламенты - в клетках центральной и периферической нервной системы, глиальные филаменты — в клетках глии. Однако в клетках одного и того же происхождения могут встречаться промежуточные филаменты разного типа. Так, в гладких мышцах пищеварительной, дыхательной и мочеполовой систем промежуточные филаменты представлены главным образом скелетином, а в гладких мышечных клетках сосудов, как и во многих мезенхимальных клет- ках,-виментином.Всвязисэтимпонятнымистановятсяфункциональныевоз- можности гладких мышечных клеток сосудов (фагоцитоз, фибробластическая трансформация и др.).

Спектрин — это белок цитоскелета, который выстилает внутреннюю сторону плазматической мембраны многих типов клеток. Он имеет пентагональнуюилигексагональнуюструктуру.Спектринформируетструктурнуюсеткуи играетважнуюрольвподдержаниицелостностиклеточноймембраныиструктуры цитоскелета. Гексагональная структура формируется тетрамерами спектрина, которые связываются с короткими микрофиламентами актина обоими концами.Этифиламентыактинадействуюткаксоединительныеэлементы,позволяющие формировать гексагональные сети (ПРИЛОЖЕНИЕ 16).

Микротрубочки выполняют множество разнообразных функций: определяют движение и ориентацию хромосом, митохондрий, рибосом, цитоплазматических гранул; принимают участие в секреции, митотическом делении клетки; осуществляют цитоплазматический транспорт.

НАДМЕМБРАННЫЕХ И ПОДМЕМБРАННЫЕХ СТРУКТУРЫЦИТОЛЕМММЫ

3.5.УЧАСТИЕ ПОДМЕМБРАННЫХ СТРУКТУР В ПОДДЕРЖАНИИ ФОРМЫ КЛЕТОК

И КЛЕТОЧНОМ ДВИЖЕНИИ. ПИНОЦИТОЗ. ЭНДОЦИТОЗ. ФАГОЦИТОЗ

Основной ролью подмембранных структур является поддержание формы клетки и клеточное движение. Они формируют опорно-сократительный аппарат клетки, который представляет собой динамичную структуру, которая постоянно обновляетсяпомереизменения внешних условий исостояния клетки, а также осуществляют эндоцитоз, пиноцитоз и фагоцитоз (ПРИЛОЖЕНИЕ

17А).

Эндоцитоз – процесс захвата (интернализации) внешнего материала клеткой, осуществляемый путём образования мембранных везикул. В результате эндоцитоза клетка получает для своей жизнедеятельности гидрофильный материал, который иначе не проникает через липидный бислой клеточной мембраны. Различают фагоцитоз, пиноцитоз и рецептор-опосредованный (кла- трин-опосредованный) эндоцитоз.

Фагоцитоз – процесс поглощения клеткой твёрдых объектов (корпускулярных частиц более 0,5 мкм в диаметре), таких как бактерии, вирусы, остатки мёртвых клеток и др., осуществляется по клатрин-независимому механизму. Фагоцитоз обусловлен каскадом локальных реакций в подмембранных структурах. С помощью актиновых филаментов вокруг поглощаемого объекта образуется чашеобразная структура (фагосома). В процессе ее формирования актин концентрируется на ее ведущем конце, в результате происходит обволакивание частицы цитолеммой. Путем слияния фагосомы с первичной лизосомой образуется вторичная лизосома. В кислой среде гидролитические ферменты (при кислород-независимом механизме) или активные формы кислорода, миелопероксидаза, перекись водорода (при кислород-зависимом механизме реализации фагоцитоза) расщепляют макромолекулы, оказавшиеся во вторичной лизосоме. Продукты расщепления (аминокислоты, моносахариды и прочие полезные вещества) транспортируются затем через лизосомную мембрану в цитоплазму клетки. Фагоцитоз осуществляется двумя разновидностями клеток: циркулирующими в крови зернистыми лейкоцитами (гранулоцитами) и тканевыми макрофагами. У человека различают два типа профессиональных фагоцитов: нейтрофилы и моноциты (в ткани — макрофаги). Фагоцитарная деятельность лейкоцитов и макрофагов имеет огромное значение в защите организма от попадающих в него патогенных микробов и других нежелательных частиц.

Пиноцитоз – процесс поглощения клеткой из окружающей среды жидкой фазы, содержащей растворимые вещества, включая крупные молекулы (белки, полисахариды и др.). Пиносомы являются самособирающимися структурами и формируются спонтанно. При пиноцитозе от мембраны отшнуровываются внутрь клетки небольшие пузырьки – эндосомы. Они меньше фагосом (их раз-

пиноцитоз. ЭНДОЦИТОЗ. ФАГОЦИТОЗ

мердо150нм)иобычнонесодержаткрупныхчастиц.Молекулярныемеханизмы их формирования сходны с механизмами при фагоцитозе.

Рецептор-опосредованный (клатрин-опосредованный) эндоцитоз – актив-

ный процесс, при котором клеточная мембрана выгибается внутрь клетки, формируя окаймлённые ямки. Внутриклеточная сторона окаймлённой ямки содержит набор адаптивных белков (адаптин, клатрин, обуславливающий необходимую кривизну выгибания, и др. белки). Макромолекулы, связывающиеся со специфическими рецепторами на поверхности клетки, проходят внутрь со значительно большей скоростью, чем вещества, поступающие в клетки за счет пиноцитоза. Внешняя сторона мембраны имеет специфические рецепторы (например, рецептор липопротеинов низкой плотности, ЛПНП-рецептор). При связывании лиганда из окружающей клетку среды клатрин-окаймлённые ямки формируют внутриклеточные везикулы. Рецептор-опосредованный эндоцитоз включается для быстрого и контролируемого поглощения клеткой соответствующего лиганда (например, ЛПНП). Эти пузырьки быстро теряют свою кайму и сливаются между собой, образуя более крупные пузырьки

— эндосомы. После этого эндосомы сливаются с первичными лизосомами, в результате чего формируются вторичные лизосомы. Например, когда животной клетке необходим холестерол для синтеза мембраны, она экспрессирует ЛПНП-рецепторы на плазматической мембране. Богатые холестеролом и его эфирами ЛПНП, связавшиеся с ЛПНП-рецепторами, быстро доставляют холестерол в клетку. (ПРИЛОЖЕНИЕ 17Б).

Кавеолы – специализированные мембранные плоты, представляющие собой колбообразные инвагинации на цитолемме. Липидную основу составляют сфинголипиды, холестерол и фосфоинозитиды. Организация и функции кавеол определяются окантовывающими белками – кавеолинами и кавинами. Кавеолин регулирует продукцию NO, сосудистую проницаемость, ангиогенез, вхождение Ca2+ в клетку, а его проникновение в клетку контролируется инсулином. Кавины формируют наружный периферический слой кавеолы и, предположительно, стабилизируют «скелет» кавеолы, обеспечивают изгиб ее мембраны и участвуют в почковании кавеолы. Кавеолы играют большую роль в миокарде.Онипредставленыкаквкардиомиоцитах,такивпроводящейсистеме сердца, участвуя в формировании фазы медленной диастолической деполяризации через пейсмекерные каналы, ответственные за If токи, а также способствуя Ca2+ токам через каналы L-типа, формирующим фазу плато.

НАДМЕМБРАННЫЕХ И ПОДМЕМБРАННЫЕХ СТРУКТУРЫЦИТОЛЕМММЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ И КЛИНИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Антитела к Аnti-F-Actin antibodies (ААА) - являются одним из маркеров ау-

F-актину тоиммунного гепатита, при целиакии уровень коррелирует со степенью повреждения­ кишечника, при раке желудка повышение уровня от­носится к неблагоприятным признакам прогрессии заболевания.

Патология Циркуляция желчи в печени регулируется микрофиламентоз- микрофила- ной системой, так как микрофиламенты в большом количестве ментов окружают желчные канальцы и, прикрепляясь к плазматической мембране гепатоцитов, могут влиять на размер просвета желчных канальцев. Показано, что воздействия на микрофиламенты, угнетающие их сократительную способность, ведут к застою желчи. Возможно, что подобный механизм лежит в основе некоторых видов холестаза. Резкое увеличение микрофиламентов находят в эпителии желчных протоков при первичном билиарном циррозе. Увеличение количества микрофиламентов описано в клетках злокачественных опухолей, особенно в зонах инвазии опухоли. Микрофиламентозная активность характерна и для ряда репаративных процессов, например, для заживления ран.

Патология С патологией промежуточных филаментов, преимуществен- промежу- но их аккумуляцией, пытаются связать многие патологические точных процессы: образование алкогольного гиалина (телец Мэллори), филаментов нейрофибриллярных сплетений в нервных клетках и сенильных бляшек при старческом слабоумии и болезни Альцгеймера. С ак-

кумуляцией промежуточных филаментов связывают и развитие некоторых форм кардиомиопатии.

Патология Патология микротрубочек может быть основой некоторых кли- микротру- нико-морфологических синдромов, например, синдромом непод- бочек вижных ресничек, ранее известный как синдром Картагенера.

При этом врожденном синдроме реснички покровного эпителия дыхательных путей и слизистой оболочки среднего уха, основой строения которого являются дефектные микротрубочки, малоподвижны. Поэтому мукоцеллюлярный транспорт резко ослаблен или отсутствует, что ведет к хроническому воспалению дыхательных путей и среднего уха. У таких больных неподвижны также и сперматозоиды, так как их хвост эквивалентен ресничкам.

НАДМЕМБРАННЫЕ И ПОДМЕМБРАННЫЕ СТРУКТУРЫ ЦИТОЛЕММЫ

Спектрин В определенных случаях черепно-мозговых травм, таких как диф- и черепно- фузное аксональное повреждение головного мозга, спектрин не- мозговые обратимо расщепляется протеолитическими ферментами каль- травмы паином (Са2+-активируемая цистеиновая протеаза) и каспазой-3 на фрагменты с молекулярной массой от 120 до 150 кДа, получившие название «продукты распада спектрина» - SBDPs, что в результате разрушает цитоскелет. Спектрин расщепляется, вызывая формирование мембраной пузырей и, в конце концов, разрушение мембраны, обычно ведущее к смерти клеток мозга.

Такие «продукты распада спектрина» (SBDPs) можно использовать в качестве биохимического маркера черепно-мозговых травм в клинической практике.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Что понимают под определением «надмембранный комплекс»? Какие структуры относят к надмембранному комплексу, их функции?

2.Классы межклеточных адгезивных молекул.

3.Понятие «GPI-якорь», его функциональное значение.

4.Гликокаликс как надмембранная структура цитолеммы. Физиологическое значение гликокаликса.

5.Структурно-функциональные особенности базальной мембраны.

6.Молекулярная физиология актиновых микрофиламентов как составляющих подмембранного комплекса цитолеммы.

7.Структурно-функциональные отличия промежуточных филаментов.

8.Белок цитоскелета спектрин и его функции. Молекулярный механизм аксонального повреждения мозга при черепно-мозговых травмах.

9.Функциональные отличия фагоцитоза и пиноцитоза, их физиологическая роль.

10.Чем отличаетсяреализация кислород-независимого и кислород-зависимо- го механизмов фагоцитоза?

11.Вклад отечественного ученого (микробиолога, физиолога, иммунолога) И.И. Мечникова в развитие учения о фагоцитозе?

12.Опишите механизм рецептор-опосредованного эндоцитоза.

13.Строение и функции кавеол.

МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

4.МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. ТИПЫ МЕЖКЛЕТОЧНЫХ КОНТАКТОВ

Межклеточные контакты — соединения между клетками, образованные при помощи белков, возникают в местах соприкосновения клеток в тканях, обеспечивают непосредственную связь между клетками и служат для межклеточного транспорта веществ и передачи сигналов, а также для механического скрепления клеток друг с другом. В тех тканях, в которых клетки или их отростки плотно прилегают друг к другу (эпителий, мышечная ткань и пр.) между мембранами контактирующих клеток формируются связи – межклеточные контакты. Каждый тип межклеточных контактов формируется за счет специфических белков, подавляющее большинство которых — трансмембранные белки. Специальные адапторные белки могут соединять белки межклеточных контактов с цитоскелетом, а специальные «скелетные» белки — соединять отдельные молекулы этих белков в сложную надмолекулярную структуру. Через щелевые межклеточные контакты могут передаваться электрические сигналы. Во многих случаях межклеточные соединения разрушаются при удалении из среды ионов Ca2+ (ПРИЛОЖЕНИЕ 18).

По функциональным свойствам межклеточные контакты подразделяются на:

1.Контакты простого типа:

1)простые межклеточные соединения

2)интердигитации (пальцевидные соединения)

2.Контакты сцепляющего типа «клетка-клетка»:

1)десмосомы

2)адгезивный (сцепляющий) поясок

3.Контакты сцепляющего типа «клетка – межклеточное пространство»:

1)локальная (фокальная) адгезия

2)полудесмосома

4.Контакты запирающего типа:

1)плотное соединение (запирающая зона)

5.Контакты коммуникативного типа:

1)щелевидные соединения (нексусы)

2)синапсы

Простое межклеточное соединение

При простом межклеточном соединении мембраны клеток сближены на расстояние 15 – 20 нм. Это соединение занимает наиболее обширные участки соприкасающихся клеток. Посредством простых соединений осуществляется слабая механическая связь, не препятствующая транспорту веществ в межклеточных пространствах.

ТИПЫ МЕЖКЛЕТОЧНЫХ КОНТАКТОВ

Пальцевидные соединения (интердигитации)

Разновидностью простого соединения является интердигитация, когда билипидные мембраны соседних клеток вместе с участком цитоплазмы вдавливаются друг в друга, чем достигается большая поверхность соприкосновения и более прочная механическая связь. Это один из трех видов контактов между кардиомиоцитами.

Десмосома. Полудесмосома

Десмосомой (desmosome) называется образованное клетками соединение, прочно склеивающее клетки, или «пятно слипания». Если эти соединения образуются между клетками и внеклеточным матриксом, то они называются полудесмосомами. Их функциональная роль заключается, главным образом, в механической связи между клетками. Такие контакты встречаются между клетками, которые могут подвергаться трению и другим механическим воздействиям(эпителиальныеклетки,клеткисердечноймышцы).Состороныцитоплазмы к десмосомам прикрепляются промежуточные филаменты, которые формируют остов цитоплазмы, обладающий большой прочностью на разрыв. Такимобразом,черездесмосомыпромежуточныефиламентысоседнихклеток объединяются в непрерывную сеть по всей ткани. Тип промежуточных филаментов зависит от типа клеток: в большинстве эпителиальных клеток они кератиновые, а в клетках сердечной мышцы – десминовые.

Адгезия

Клеточная адгезия (лат. аdhaesio — прилипание) — способность клеток слипаться друг с другом и с различными субстратами, которая обусловлена специфическими белками, связанными с плазматической мембраной. Существуют два основных типа клеточной адгезии: клетка/внеклеточный матрикс и клетка/клетка. К белкам клеточной адгезии относятся: интегрины; селектины, обеспечивающие адгезию лейкоцитов к клеткам эндотелия; кадгерины – каль- ций-зависимые межклеточные белки; адгезивные рецепторы иммуноглобулинов, которые особенно важны в эмбриогенезе, при заживлении ран и иммунном ответе; хоминговые рецепторы, обеспечивающие попадание лимфоцитов в специфическую лимфоидную ткань.

Плотные контакты

Плотные контакты (tight junctions) – запирающие межклеточные контакты, присущие клеткам позвоночных животных, в составе которых мембраны соседних клеток максимально сближены и «сшиты» специализированными белками клаудинами и окклюдинами. Распространены в эпителиальных тканях, где составляют наиболее апикальную часть комплекса контактов между клетками,вкоторыйвходятадгезионныеконтактыидесмосомы.Плотныеконтакты построены из нескольких лент, опоясывающих клетку, которые, пересекаясь между собой, образуют сетевидную связь. С цитоплазматической стороны ассоциированы с актиновыми филаментами.