Рис. 2-2. Молекулы плазматической мембраны. Наружный слой содержит преимущественно фосфатидилхолин, сфингомиелин и гликолипиды. Внутренний слой содержит фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин и фосфатидилинозитол. Холестерин распределён по обоим слоям. Показаны отрицательные заряды головок фосфатидилсерина и фосфатидилинозитола. A — холестерин; B — олигосахарид в составе гликопротеина на наружной поверхности; C — погружённый интегральный белок; D — погружённый полуинтегральный белок; E — молекулы фосфолипидов; F — хвосты жирных кислот в составе фосфолипидов; G — полярные головки фосфолипидов; H — поверхностный (периферический) белок.
Транспорт веществ через плазматическую мембрану
Избирательная проницаемость мембраны поддерживает внутриклеточный гомеостаз, оптимальное содержание в клетке ионов, воды, ферментов и субстратов, обеспечивающих жизнедеятельность клетки. Гидрофобный характер сердцевины бислоя определяет возможность (или невозможность) непосредственного проникновения через мембрану различных с физико-
12
химической точки зрения веществ (в первую очередь, полярных и неполярных). Неполярные вещества (например, холестерин и его производные) свободно проникают через биологические мембраны. Трансмембранный перенос полярных соединений осуществляют специальные транспортёры, встроенные в билипидный слой.
Существует три механизма трансмембранного переноса молекул: пассивный транспорт, облегчённая диффузия и активный транспорт. В зависимости от направления перемещения веществ и количества переносимых веществ данным транспортёром различают три типа транспорта: унипорт, симпорт и антипорт
(рис 2-3).
Рис. 2-3. Типы транспорта. Унипорт — однонаправленный перенос ионов по концентрационному градиенту. Симпорт — сочетанный (совместный) транспорт двух и более веществ в одном направлении при помощи одного переносчика за счет разницы концентраций. Антипорт (противотранспорт) — согласованный перенос двух и более веществ через мембрану в противоположных направлениях. Перенос вещества в одном направлении сопряжён с потоком другого вещества в противоположном направлении.
13
Пассивный транспорт
Этот вид транспорта характеризуется низкой специфичностью. Молекулы в обоих направлениях перемещаются по градиенту концентрации без затрат энергии. Так, при дыхании диффузия газов происходит по градиенту их концентрации, а определяющим диффузию фактором является парциальное давление O2 и CO2 (рис. 2-4).
Рис. 2-4. Газообмен. Парциальное давление O2 (pО2) в тканях равняется 40 мм рт. ст., что способствует диссоциации оксигемоглобина. O2 свободно диффундирует из плазмы в ткани, а дезоксигемоглобин соединяется с Н+. В лёгких (pО2 = 100 мм рт. ст.) комплекс «дезоксигемоглобин– Н+» диссоциирует, Н+ участвует в реакции Н+ ± НСО3– ↔ СО2 ± Н2О, а дезоксигемоглобин связывается с O2, образуя оксигемоглобин.
Облегчённая диффузия
Облегчённая диффузия осуществляется с участием компонентов мембраны (ионные каналы, белки-переносчики, анионообменники) по градиенту концентрации и без непосредственных затрат энергии; проявляет специфичность по отношению к транспортируемым молекулам (рис. 2-5).
14
Ионные каналы (унипорты) представлены большой группой гетеромультимерных интегральных мембранных белков, обеспечивающих избирательный транспорт ионов через фосфолипидный бислой мембраны из клетки в межклеточное пространство и обратно. Пору канала, как правило, образуют несколько белковых субъединиц. Просвет поры сформирован остатками гидрофильных аминокислот и заполнен водой. Узкий просвет поры и поверхностный заряд образуют селективный фильтр, который определяет специфичность канала, т.е. его проницаемость для конкретного иона. В геноме человека закодирован синтез не менее 50 различных типов ионных каналов. Общее количество пептидов, связанных с работой каналов, достигает 400, 100 из которых клонированы и функционально охарактеризованы. Различают каналы утечки
иворотные каналы.
•Каналы утечки позволяют ионам перемещаться по градиенту концентрации в клетку или из неё. Например, утечка из клетки положительно заряженных ионов калия приводит к тому, что внутренняя поверхность мембраны заряжается отрицательно относительно наружной.
•Воротные каналы постоянно закрыты и открываются в ответ на действие различных стимулов. Воротные каналы подразделяют на потенциалозависимые, внеклеточный лиганд-активируемые, внутриклеточный лиганд-управляемые и механочувствительные, или регулируемые объёмом клетки.
o Натриевые каналы в возбудимых структурах (например, скелетные мышечные волокна, кардиомиоциты, нейроны) участвуют в генерации потенциала действия, присутствуют практически в любой клетке, не обязательно генерирующей потенциалы
действия.
o Калиевые каналы — обнаружены в плазмолемме всех клеток; их функции: поддержание мембранного потенциала, регуляция объёма клетки, модуляция электрической возбудимости нервных и мышечных структур.
o Кальциевые каналы (каналы депо кальция) участвуют в сокращении, секреции (в т.ч. гормонов и нейромедиаторов) и множестве иных клеточных процессов.
o Хлорные каналы регулирует электрическую возбудимость плазмолеммы скелетных мышечных волокон, регуляция объёма клетки, образовании соляной кислоты в желудке.
Водные каналы — мембранные поры для воды, образованные белком аквапорином. Семейство аквапорина включает не менее 12 белков, образующих мембранные каналы для воды в клетках различных тканей и органов. Вода — основное вещество, поступающее в клетки и выходящее из них. Организм человека в основном состоит из воды. Её содержание в общей массе тела постепенно уменьшается от 75% у новорождённых до 55% у пожилых людей. Внутриклеточная жидкость составляет 55%, внеклеточная жидкость — 45% всей воды организма. Вода служит растворителем, обеспечивает транспорт веществ и является средой для химических реакций. Движение воды в организме подчиняется законам осмоса.
15
•Аквапорин 1 (ген AQP1, локализация 7p14). AQP1 экспрессируется в эритроцитах, в почке (проксимальные извитые канальцы и тонкий отдел петли Хенле), в тканях глаза обеспечивает гомеостаз внутриглазной жидкости.
•Аквапорин 2 (ген AQP2, 12q13) экспрессируется только в собирательных трубочках почки. Активность этого канала регулирует антидиуретический гормон (АДГ), увеличивая реабсорбцию воды из просвета трубочек в межклеточное пространство. Нефрогенный несахарный диабет (тип II, 107777, 12q13) — следствие мутации гена AQP2.
•Аквапорин 3 (ген AQP3, локализация 7q36.2-q36.3) — водный канал базолатеральных мембран собирательных трубочек почки. Экспрессия AQP3 найдена также в печени, поджелудочной железе, кишечнике, селезёнке, простате.
•Аквапорин 4 (ген AQP4, локализация 18q11.2-q12.1) экспрессируется в клетках эпендимной выстилки сосудистого сплетения желудочков и водопровода мозга, в синтезирующих вазопрессин нейросекреторных нейронах гипоталамуса. Этот канал расценивают как осморецептор. AQP4 присутствует в астроцитах. При тяжёлой форме множественного склероза, известной как оптиконевромиелит (болезнь Девика), в организме больных вырабатываются аутоантитела, которые атакуют этот водный канал.
•Аквапорин 5 (ген AQP5, локализация 12q13) принимает участие в формировании слёзной жидкости, слюны, секретов желёз воздухоносных путей. AQP5 выявлен в эпителиальных клетках околоушной, подчелюстной, подъязычной, слёзной, потовой железы, трахеи, легких.
Осмос — поток воды через полупроницаемую мембрану из компартмента с меньшей концентрацией растворённых в воде веществ в компартмент с большей их концентрацией. Поток воды через биологические мембраны определяет разность осмотического и гидростатического давлений по обе стороны мембраны. Численно осмотическое давление при равновесном состоянии (вода перестала проникать через полупроницаемую мембрану) равно гидростатическому давлению. По отношению к клетке растворы, в которых она находится, могут быть изо-, гипер- и гипоосмотическими (иногда применяют термин «–тонический», справедливый для электролитов).
• Изоосмотические (изотонические) растворы — концентрация растворённых веществ и осмотическое давление такие же, как в клетке. В этих растворах объём клетки остаётся неизменным. Изотонические растворы называются физиологическими (0,85% раствор NaCl). Вливание изотоничного солевого раствора увеличивает объём межклеточной жидкости, но не влияет на объём внутриклеточной жидкости.
•Гиперосмотические (гипертонические) растворы — концентрация растворённых веществ и осмотическое давление выше, чем в клетке. Клетки в таких растворах уменьшаются в объёме («сжимаются»), поскольку теряют воду.
•Гипоосмотические (гипотонические) растворы — концентрация веществ и осмотическое давление меньше, чем в клетке. Клетки в таких растворах в результате
16
поглощения воды увеличиваются в объёме («набухают»). Такое состояние клетки называют тургором, а гидростатическое давление, оказываемое на мембрану — тургорным. При избыточном поступлении воды в клетку нарушается целостность плазматической мембраны, а содержимое клетки выходит во внеклеточное пространство.
Трансмембранные белки-переносчики (симпорты) участвуют в сочетанном транспорте двух веществ, при котором движущей силой является перемещение по градиенту концентрации одного из веществ, например, ионов натрия. При помощи Na+ в клетку транспортируются глюкоза (симпорт Na+/глюкоза), аминокислоты (симпорт Na+/АК), фосфаты (симпорт Na+/Рi), бикарбонат (симпорт Na+/HCO3-), хлор (симпорт для Na+/Cl-).
Анионообменники (антипорты) — регуляторы внутриклеточного pH. Среди переносчиков этой группы хорошо изучены анионообменники Cl– на бикарбонат и Na+ на H+ .
17