2 курс / Нормальная физиология / Физиология_с_основами_анатомии_человека_Малоштан_Л_Н_ред_,_Рядных

6.Структурные белки (спектрин в мембране эритроцитов) играют важную роль в поддержании совместно с белками цитоскелета формы клеток.

7.Сократительные белки, обладающие АТФEазной активностью,

т.е.способностьрасщеплятьАТФсобразованиемАДФифосфата,участE

вуют в процессе экзоцитоза.

Функции плазматической мембраны

Мембрана является не только барьером между клеткой и внешней средой,нопредставляетсобойустройство,обеспечивающееотносительE ное постоянство состава внутриклеточного объема. Наряду с этим она содержит специфические рецепторы для внешних «сигналов», присутE ствием которых могут объясняться такие разнообразные ответы, как ориентированное движение клетки (хемотаксис), стимуляция связанE ных с мембраной ферментов (циклаз) или генерации сигналов, котоE рыемогутбытьхимическими(цАМФ,цГМФ)илиэлектрическими,как внервнойклетке.ПлазматическаямембранатакжеявляетсяместомрасE положения специфических для клеткиантигенов, которыехарактерны как для данного типа клеток, так и для вида млекопитающего в целом. Белки и специфические ферменты, локализованные в мембране, свяE заныстранспортомионовиметаболитовчерезмембранныйбарьер.БлаE годаря инвагинациям (впячиваниям) плазматическая мембрана может образовывать единое целое с протяженными внутриклеточными канаE лами, что позволяет осуществлять поступление веществ извне далеко «внутрь»клеткииучаствуетвформированиипространствамеждувнутE ренней и внешней мембранами ядра.

1.4. Основные механизмы переноса через мембрану

Проницаемость мембраны для различных веществ зависит как от свойств молекул этих веществ, так и от характеристики мембран. В заE висимости от того требуетли переносвеществачерезмембранузатраты энергии, эти процессы могут быть разделены на пассивные (перенос веществ по градиенту концентрации или электрохимическому градиE ентубеззатратэнергии)иактивные(противконцентрационногоиэлекE трохимического градиента с затратой энергии).

Пассивный транспорт. Наличие трансмембранного градиента конE центрации молекул различных веществ является движущей силой пасE сивного транспорта. Различают два типа пассивного транспорта: неE опосредованный транспорт и опосредованный транспорт.

Неопосредованный пассивный перенос веществ осуществляется путем: 1) простой физической диффузии молекул. Диффундирующая

11

молекула не модифицируется химически и не соединяется с другими видами молекул (например, диффузия малых молекул: воды, мочевиE ны, СО2); 2) диффузия через липидную фазуEрастворитель для ряда малополярных веществ: простых и сложных эфиров, высших спиртов, жирных кислот. В клетке ускорение свободной диффузии достигается увеличениемплощадиповерхностипереноса,например,эпителийтонE когокишечникасостоитизбольшогочисласкладок,которыеобразуют на поверхности мембраны микроворсинки.

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

Дляопосредованных,илиоблегченных,мембранныхтранспортных процессовхарактерныкинетиканасыщения(т.е.транспортнаясистема можетнасыщатьсятранспортируемымраствореннымвеществом)испеE цифичностьктранспортируемомувеществу.Опосредованныйтранспорт обусловливается белками, способными обратимо связывать специфиE ческие субстраты. Эти транспортирующие белки имеют названия: транспортные системы, переносчики, носители или транслоказы. НоE сители облегчают перенос веществ в направлении градиента концентE рации и не требуют затраты метаболической энергии. Таким процесE сомявляетсявходглюкозывклеткипечени—гепатоциты,эритроциты

имышечные клетки по концентрационному градиенту. В тех случаях, когда переносчик облегчает перенос вещества в одном направлении

иодновременно другого — в другом без затрат энергии, этот процесс носит название обменной диффузии.

Активный транспорт. Активным транспортом называются процесE

сы, в которых молекула должна двигаться через мембрану независимо от направления концентрационного градиента. Энергия, необходиE мая для такого процесса, поставляется одним из двух следующих споE собов. ВоEпервых,транспортданногометаболитаможетбытьсопряжен содновременнымдвижениемвтороговещества,котороедвижетсяпосвоеE му концентрационному градиенту. Вторая молекула может двигаться в том же направлении, что и первая (симпорт), или в противоположном направлении(антипорт).ВоEвторых,энергияможетпоставлятьсясопряE женнымгидролизомАТФ(АТФEазнаяактивность)иликакогоEлибодруE гоговысокоэнергетическогосоединениянаповерхностибелка,который служитносителем.Такое«устройство»называетсянасосом.

В тканях млекопитающих обнаружено несколько основных сисE тем активного транспорта таких, как натриевый и кальциевый насоE

12

сы (Na+Eнасос, Са2+Eнасос), системы транспорта глюкозы и других саE харов исистемытранспорта аминокислот.Нарядусэтим высокоселекE тивныетранспортныесистемы,включающиеспецифическиебелковые переносчики, могут функционировать при переносе определенных ионов из внеклеточной во внутриклеточную среду.

Процессыактивноготранспорта,вкоторыхэнергияАТФнепосредE ственно используется для переноса вещества против градиента, назыE ваются первичноEактивным транспортом. Этот процесс отличается от переноса веществпротив градиента спомощью переносчиков, испольE зующих при этом энергию уже существующего градиента другого веE щества, чаще всего ионов Nа+. Такой процесс принято называть втоE ричноEактивнымтранспортом.

Nа+ насос. В большинстве клеток животных внутриклеточная концентрация [К+] высока и постоянно составляет 120–160 ммоль/л,

вто время как концентрация [Nа+] <10ммоль/л.Напротив,внеклеточE ная жидкость содержит много ионов Nа+ ([Nа+]≈ 150 ммоль/л) и горазE до меньше ионов К+ ([К+]<4 ммоль/л).Поэтому на клеточных мембраE нах возникает концентрационный градиент этих двух ионов. ПостоянE ство высокой внутриклеточной концентрации [К+] поддерживается происходящим с затратой энергии выходом из клетки Nа+ с заменой его на К+. Аналогия с механическим насосом оправдана в том смысле, что энергия используется для движения ионов против препятствующеE го движению концентрационного градиента. Источником энергии для этой работы служит АТФEсубстрат для мембранной АТФEазы. Так,

вмембранахэритроцитовсодержитсяАТФEаза,дляактивациикоторой требуется и Nа+, и К+. Nа+К+EАТФEаза участвует в транспорте Nа+ и К+ через плазматическую мембрану клеток всех эукариот.

Аминокислотыинекоторыесахаратранспортируютсяактивно,что можетсопровождатьсяметаболическими изменениямитранспортируE емыхмолекул.ОписываемыйсопряженныйобменныйперенососущеE ствляется с помощью белковEпереносчиков, которые связывают одноE временно субстрат и ионы Nа+ и переносят вещество против градиента его концентрации за счет движения Nа+ по градиенту. Это сопряжение транспорта Nа+ и транспорта глюкозы позволяет предположить сущеE ствование белкаEпереносчика с центрами связывания как для глюкоE зы, так и для Nа+. Когда внутри клетки происходит разрядка этих ценE тров, Nа+Eнасос возвращает Nа+ обратно во внеклеточную среду. Так как последний процесс нуждается в АТФ, то гидролиз АТФ, происхоE дящийнаоднустадиюраньше,опятьпредоставляетэнергиюдлятрансE порта глюкозы против ее концентрационного градиента.

13

Цитоз — особый механизм транспорта, предназначенный для поE глощения клеткой или выведения из нее больших молекул с помощью измененияформымембраны. Пиноцитоз —процесспоглощенияклетE кой различных субстратов, при котором инвагинация ее мембраны заE вершается образованием пиноцитарного пузырька вокруг поглощенE ного материала. Явление поглощения субстратов существенно отличаE етсяотявленияпроницаемости.Поглощенныйматериалнаходитсявне клетки, точно так же, как содержащаяся в просвете кишечника пища находится вне тела. Для того чтобы поглощенный субстрат смог вклюE читьсявобменныепроцессыклетки,ондолженпроникнутьчерезмемE брану пузырька. Так как мембрана пузырька образующаяся в процессе цитозапосуществупредставляетсобойфрагментплазматическоймембE раны,томожнопредположить,чтоонасохраняетиеесвойства.ПрипиE ноцитозеобразуютсяпиноцитарныепузырькидиаметром(200–700нм). Субстраты, включенные в клетку в процессе пиноцитоза, в большинE стве своем подвергаются распаду. Контакт лизосом с содержимым пиE ноцитарных пузырьков приводит к тому, что последнее распадается до низкомолекулярных соединений. Вместе с тем некоторые поглощенE ные молекулы сохраняются неизмененными и могут оказывать выраE женное воздействие на клетку.

Пиноцитознаблюдаетсяусамыхразнообразныхклеток.ОнособенE но развит у клеток эпителия тех органов, где происходит процесс всаE сывания.

Фагоцитоз.ВовремяфагоцитозаклеткаохватываетобъектраспласE тывающейся вокруг него мембраной. Такое обволакивание объекта протекает обычно с участием микрофиламентов. Когда мембрана полE ностью охватит фагоцитируемую частицу происходит слияние ее краE ев. Фагоцитозом поглощаются вещества или твердые частицы диаметE ром более 1 мкм. Фагоцитарной активностью обладают лейкоциты (микрофаги —нейтрофилы,эозинофилы,базофилы;макрофаги —моE ноциты, большие лимфоциты); гистиоциты соединительной ткани; купферовские клетки печени; альвеолярные макрофаги, макрофаги лимфоузлов,селезенки.

Окаймленныепузырькидиаметром60–70нмучаствуютвсортировE ке белков на плазматической мембране. Участие этих структур в проE цессе селективного (т. е. зависимого от рецепторов) эндоцитоза было обнаружено в 1976 году. Рецепторы различных лигандов на клеточной поверхностисобираютсявструктурах,называемыхокаймленнымиямE ками. Эти ямки впячиваются и отрываются, образуя окаймленные пуE зырьки,которыедоставляютсявлизосомы.БольшаячастьбелковплазE

14

матической мембраны исключается из окаймленных ямок. Такой эфE фект 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.

Основнойбелококаймленныхпузырьков —клатрин.Окаймленные пузырьки из клатрина, несомненно, являются важнейшими переносE чиками при мембранном транспорте (транспорт холестерола в составе липопротеинов низкой плотности и т. д.).

После эндоцитоза рецепторы многие сотни раз возвращаются на клеточную поверхностьдля повторного использования, и в то же время лиганды,связанныесними,эффективноразрушаются.РецепторамудаE ется избежать протеолиза за счет эндосом — компартментов (отсеков), где рецепторы и лиганды диссоциируют из комплекса. Рецепторы заE тем возвращаются в плазматическую мембрану, а лиганды доставляютE ся в лизосомы.

Экзоцитоз характерендлявсехсекреторныхклеток:клеток,продуциE рующихгормоны,ферменты,нейромедиаторыидругиепродуктыметаE болизма.Этоединственныйвидтранспортапривыделениимедиаторов (ацетилхолина,адреналинаидр.)черезпресинаптическуюмембрану.

1.5. Гликокаликс

Плазматическая мембранаокруженавнешнейоболочкой — гликоE каликсом.Гликокаликс —этосложныеуглеводсодержащиесоединения. Углеводы связаны с мембранными белками, причем их состав и струкE тура характерны для каждого типа клеток.

СущественнарольэтихуглеводныхцепочекгликопротеиноввпроE цессах специфического узнавания клеток, т. к. благодаря большому числусахарныхостатковиразнообразиюсвязеймеждунимиэтимакроE молекулы способны нести обширную информацию.

1.Остатки сахаров создают гидрофильность на отдельных участках мембраны.

2.Олигосахариды эритроцитов обладают антигенной активностью АВО и MNEгрупп крови.

3.Большинство углеводов содержит сиаловые, уроновые кислоты, благодаря чему клеточная поверхность в нейтральной среде имеет отрицательный электрический заряд. При возникновении межклеточE ныхсвязей,поEвидимому,важнуюрольиграютионыСа2+,которыемоE гутсвязыватьдвеотрицательнозаряженныегруппынаповерхностисоE седних клеток.

15

Углеводныеостатки:

1)способнымодифицироватьфизикоEхимическиесвойствабелков;

2)необходимы для приобретения белками «правильной» конфигуE рации;

3)участвуют во взаимодействии субъединиц белка;

4)помогают белку находить нужную ориентацию и закрепиться

влипидном бислое;

5)защищают белок от протеолиза (разрушения ферментами);

6)олигосахариды вирусов могут маскировать антигенные участки белка;

7)образуют межклеточные контакты.

1.6. Клеточные органоиды 1.6.1. Ядро

В эукариотических клетках ядро имеет две мембраны — внутренE нюю и наружную. Между мембранами — перинуклеолярное проE

16

Структурной единицей хроматина является нуклеосома (рис. 4). Ядро нуклеосомы образовано четырьмя типами гистонов, дающих октамер. Октамер взаимодействует с двойной спиралью ДНК. Только часть генетической информации, записанной в ДНК-хроматина, реализуется в виде копий ДНК. Молекулы ДНК, связанные с нуклеосомами, далее сворачиваются в сверхспираль. Перед делением клетки хроматин находится в наиболее конденсированном состоянии и образует хромосомы.

Генетическая функция ДНК была впервые доказана в экспериментах Эвери. Все соматические диплоидные клетки организма данного вида содержат одно и то же количество ДНК, независимо от питания и условий внешней среды. Нуклеотидный состав ДНК разли- чен у разных видов, но специфи- чен для организмов данного вида. Во всех ДНК число остатков аденина равно числу остатков тимина, а число остатков гуанина равно числу остатков цитозина.

На основании данных рентгеноструктурногоанализаволоконДНК,а такжезакона«эквимолярности»осно- ваний(Чаргафф,1949–1953)Уотсони Крик(1953)высказалипредположение, чтомолекулаДНКсостоитиздвухантипараллельных цепей, образующих двойнуюспираль,вкоторойзасчетво-

дородныхсвязейобразуютсяпарыоснованийАденин-Тимин,Гуанин-Цито- зин.Парыоснованийуложеныплотной«стопкой»вдольосимолекулыДНК на расстоянии 3,4 А0 друг от друга.

Двойная спираль построена из строго комплементарных цепей, и эта ее способность позволяет понять механизм, обеспечивающий точную репликацию молекул ДНК.

Гипотеза Уотсона — Крика позволила сформулировать общий принцип, названный Криком «центральным постулатом молекулярной генетики»: поток генетической информации направлен от ДНК через РНК к белку (ДНК РНК белок). Согласно центральному постулату, имеется три основных процесса, участвующих в хранении и передаче генетической информации: репликация — копирование ДНК с образованием идентичных дочерних молекул; транскрипция — процесс,

17

в результате которого генетическая информация, заключенная в ДНК, переписываетсянаРНКспоследующимпереносомРНКкрибосомам; трансляция — процесс, в результате которого генетическая информаE ция переводится на «язык» белковой структуры, в котором используетE ся двадцатибуквенный алфавит аминокислот.

Состав нуклеоплазмы. Нуклеоплазма — это жидкая фаза ядра. В нукE леоплазме локализованы ферменты гликолиза, есть все аминокислоE ты, свободные нуклеотиды, ферменты репликации ДНК.

Функции ядра:

1.ЯдроявляетсяхранителемгенетическойинформацииввиденукE леотидной последовательности молекул ДНК.

2.В ядре происходят следующие этапы синтеза белка:

— репликация (точноевоспроизведение)ДНКполуконсервативным способом,т.к.толькооднаизцепейдочернейДНКсинтезируетсязаново;

—транскрипция —копированиеинформациисучастковДНКнаматричE нуюРНК,синтезтранспортныхирибосомальныхРНКнаматрицеДНК;

—созревание мРНК, тРНК и иРНК;

—сборка субъединиц рибосомы;

—репарация — удаление при помощи комплекса ферментов ошиE

бок цепи ДНК.

3.Участие в процессах деления клетки. Деление клетки начинается

сделения ядра, содержащего ДНК, количество которой постоянно для всех клеток данного вида, и у которых содержится одинаковое количеE ство хромосом.

4.Транспортнаяфункция.

1.6.2. Ядрышко

В клетках, где идет активный синтез белка, в ядре наблюдается неE сколько ядрышек. В ядрышке различают фибриллярные структуры — нуклеолонема (нити гетерохроматина — более спирализованная молеE кулаДНК)игранулярныеструктуры —гранулыРНП(рибонуклеопроE теидов). Аморфное вещество, заполняющее пространство между граE нулами и фибриллярными структурами, содержит: 3–5 % РНК; белкиE фосфопротеиды;ферменты:кислаяфосфотаза,нуклеозидфосфорилаза, участвующая в синтезе нуклеотидов и коферментов; ферменты, катаE лизирующиеобразованиемРНК.

Функции ядрышка:

1.Синтез компонентов, идущих на сборку рибосомы.

2.Синтез рибосомной и матричной РНК.

3.Сборка субъединиц рибосомы.

18

1.6.3. Эндоплазматический ретикулум

Строениеэндоплазматическогоретикулума.

Всветовом микроскопе эндоплазматический ретикулум («эндо» — внутри, «ретикулум» — сеть) выглядит как сеть (рис. 5).

Мембраны эндоплазматического ретикулума состоят в основE ном из липопротеидов.

Вклетке эндоплазматический ретикулум состоит из систем, ограE ниченных мембраной, каналов, представляющих собой уплощенные «цистерны», трубочки, сообщающиеся друг с другом. При гомогенизаE ции ткани эндоплазматический ретикулум разрушается, мембраны заE мыкаются, образуя мелкие пузырьки — макросомы.

К поверхности эндоплазматического ретикулума могут быть приE крепленырибосомы.ВэтомслучаеэндоплазматическийретикулумнаE зывают шероховатым.

НаповерхностимембраншероховатогоэндоплазматическогоретиE кулумарасположеныбелкиEрецепторыдлярибосом,функциякоторых заключенавсвязываниирибосомсэндоплазматическимретикулумом.

Мембраны эндоплазматического ретикулума, не имеющие рибосом, наE зывают гладкими.

Шероховатыйэндоплазматический ретикулум состоит из большого числа цистерн, расположенных параллельно друг другу и связанных друг с другом так,чтовклеткесоздаетсясистемакомE муникаций,покоторойсинтезируемые намембранахэндоплазматическогореE

19

из рибосомы через поры, образованные рецепторным белком, попадаE етвцистерныэндоплазматическогоретикулума.Тамсамопроизвольно формируются II и III структуры белка. Решение о том, останется ли вновьсинтезированныйбелоквцитоплазмеилипопадетвсистемуЭР — Гольджи, принимается в процессе синтеза белка (трансляции) в завиE симости от присутствия или отсутствия в составе этого белка «сигнальE ной»последовательностиаминокислот.

2.МембраныгладкогоэндоплазматическогоретикулуматакжеучаE ствуют в синтезе различных веществ: в них протекает синтез гормоновE стероидов,триглициридов;метаболизмгликогена;циклглюкуроновой кислоты, который связан с расщеплением токсинов.

3.В мембране гладкого эндоплазматического ретикулума, наприE мер, в клетках печени существует система транспорта электронов, неE обходимая для окисления чужеродных веществ. При протекании проE цессовдетоксикацииплощадьмембраныгладкогоэндоплазматического ретикулума увеличивается в десятки раз. В процессе детоксикации чуE жеродные вещества, как правило, плохо растворимые в воде, окисляE ютсядоводорастворимыхпродуктов,которыелегковыводятсяизоргаE

низма. Эта система содержит ферментыEцитохромы В5, Р45 и флавоE протеины.

4.ОднойизфункцийгладкогоэндоплазматическогоретикулумамыE шечнойклетки,называемогосаркоплазматический ретикулум, является

поглощениеионовкальция, которыевыбрасываютсявцитоплазму(сарE коплазму)присокращениимышечноговолокнавответнараздражение.

Следуетотметить,чтогладкийэндоплазматическийретикулумсильE но развит в тех клетках, которые транспортируют ионы (например, в железистых клетках слизистой оболочки желудка).

1.6.4. Структура комплекса Гольджи

«Стопка»Гольджисостоитизуплощенных,ограниченныхмембраE ной, структурEцистерн, с которыми связаны разного рода пузырьки («стопка блинов») (рис. 6).

Число аппаратов Гольджи на клетку зависит от степени дифференE цировки.Пузырькиформируютсянацистернах,отпочковываясьотних. Таккакцистерныимеютизогнутуюформу(чаша),торазличаютдвепоE верхностиаппаратаГольджи:1)вогнутую (внутреннюю —секретируюE щий полюс), обращенную к цитоплазме; 2) выпуклую поверхность (формирующий полюс), обращенную к эндоплазматическому ретикуE лумуиядру.

20