- •Глава 1
- •1.1. Для чего нужна физиология животных
- •1.2. Физиология и медицина
- •1.3. Физиология и познание
- •1.4. Основные концепции физиологии
- •1.4.1. В основе любой функции лежит структура
- •1.4.2. Генетика и физиология
- •1.4.3. Принцип гомеостаза
- •1.5. Физиологическая литература
- •1.6. Резюме
- •1.7. Вопросы для повторения
- •Глава 2 Физические и химические концепции
- •2.1. Атомы, связи и молекулы
- •2.2. Свойства н, о, n и с как основа для возникновения жизни
- •2.3. Вода.
- •2.3.1. Молекула воды
- •2.3.2. Свойства воды
- •2.3.3. Вода как растворитель
- •2.4. Растворы и их коллигативные свойства
- •2.5. Растворы электролитов
- •2.5.1. Ионизация воды
- •2.5.2. Кислоты и основания
- •2.5.3. Биологическая роль рН
- •2.5.4. Уравнение Гендерсона–Хассельбаха
- •2.5.5. Буферные системы
- •2.6. Электрический ток в водных растворах
- •2.7. Ионная избирательность
- •2.8. Биологические молекулы
- •2.8.1. Липиды
- •2.8.2. Углеводы
- •2.8.3. Белки
- •2.8.4. Нуклеиновые кислоты
- •2.9. Резюме
- •2.10. Вопросы для повторения
- •4. Почему кислород играет столь важную роль в биологии?
- •Глава 3
- •3.1. Энергия: понятия и определения
- •3.2. Перенос химической энергии в системе сопряженных реакций
- •3.3. Атр и высокоэнергетическая фосфатная группа
- •3.4. Температура и скорость реакции
- •3.5. Ферменты
- •3.5.1. Специфичность фермента
- •3.5.2. Каталитическая активность
- •3.5.3. Температура и скорость реакции
- •3.5.4. Чувствительность к рН
- •3.5.5. Регуляция ферментативной активности
- •3.5.6. Кофакторы
- •3.5.7. Кинетика ферментативных реакций
- •3.5.8. Сродство между ферментом и субстратом
- •3.5.9. Подавление активности ферментов
- •3.6. Механизмы регуляции метаболизма
- •3.6.1. Генетическая регуляция синтеза ферментов
- •3.6.2. Метаболическое ингибирование по типу обратной связи
- •3.6.3. Активация ферментов
- •3.7. Образование атр в процессе метаболизма
- •3.8. Окисление, фосфорилирование и перенос энергии
- •3.8.1. Электронпереносящие коферменты
- •3.9. Цепь переноса электронов
- •3.10. Гликолиз
- •3.11. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)
- •3.12. Эффективность энергетического метаболизма
- •3.13. Кислородная задолженность
- •3.14. Резюме
- •3.15. Вопросы для повторения
- •Глава 4
- •4.1. Состав мембран
- •4.2. Организация мембран
- •4.2.1. Простые модели бислоев
- •4.2.2. Жидкостно–мозаичная модель
- •4.2.3. Субъединичная модель
- •4.3. Физические основы проницаемости мембран
- •4.3.1. Диффузия
- •4.3.2. Трансмембранный поток
- •4.3.3. Осмос
- •4.3.4. Осмолярность и тоничность
- •4.3.5. Влияние электрических сил на распределение ионов
- •4.3.6. Доннановское равновесие
- •4.4. Осмотические свойства клеток
- •4.4.1. Стационарное состояние
- •4.4.2. Объем клеток
- •4.5. Механизмы пассивного транспорта
- •4.5.1. Простая диффузия через липидный бислой
- •4.5.2. Диффузия через мембранные каналы
- •4.5.3. Облегченная диффузия
- •4.6. Активный транспорт
- •4.7. Ионные градиенты как источники энергии в клетке
- •4.7.1. Симпорт (котранспорт)
- •4.7.2. Антипорт (контртранспорт)
- •4.8. Селективность мембран
- •4.8.1. Селективность к электролитам
- •4.8.2. Селективность к неэлектролитам
- •4.9. Эндоцитоз и экзоцитоз
- •4.10. Межклеточные контакты
- •4.10.1. Щелевые контакты
- •4.10.2. Плотные контакты
- •4.11. Эпителиальный транспорт
- •4.11.2. Транспорт воды
- •4.12. Резюме
- •4.13. Вопросы для повторения
- •Глава 5 Ионы и возбуждение
- •5.1. Мембранная теория возбуждения
- •5.2. Пассивные электрические свойства клеточных мембран
- •5.2.1. Проводимость мембраны
- •5.2.2. Емкость мембраны
- •5.2.3. Электротонический потенциал
- •5.3. Электрохимический потенциал
- •5.3.1. Уравнение Нернста
- •5.4. Потенциал покоя
- •5.4.1. Роль ионных градиентов и ионных каналов
- •5.4.2. Роль активного транспорта
- •5.5. Активные электрические процессы
- •5.6. Ионные основы потенциала действия
- •5.6.1. Общие свойства потенциала действия
- •5.6.2. Натриевая гипотеза
- •5.6.3. Натриевые каналы
- •5.6.4. Цикл Ходжкина
- •5.6.5. Калиевый ток
- •5.6.6. Ионные механизмы потенциала действия: краткая сводка
- •5.6.7. Изменение концентрации ионов во время возбуждения
- •5.7. Другие электровозбудимые каналы
- •5.8. Пейсмекерные потенциалы
- •5.9. Резюме
- •5.10. Вопросы для повторения
- •Глава 6 Распространение и передача нервных импульсов
- •6.1. Нервные клетки
- •6.1.1. Два основных типа электрических сигналов в нервных клетках
- •6.2. Пассивное распространение электрических сигналов
- •6.3. Распространение нервных импульсов
- •6.3.1. Скорость распространения нервных импульсов
- •6.3.2. Сальтаторное проведение
- •6.4. Представление о синапсах
- •6.5. Передача возбуждения в электрических синапсах
- •6.6. Передача сигналов в химических синапсах
- •6.6.1. Строение химических синапсов
- •6.6.2. Синаптические потенциалы
- •6.6.3. Синаптические токи
- •6.6.4. Потенциал реверсии
- •6.6.5. Постсинаптическое торможение
- •6.6.6. Пресинаптическое торможение
- •6.7. Постсинаптические рецепторы и каналы
- •6.8. Выделение медиаторов пресинаптическими окончаниями
- •6.8.1. Квантовое выделение медиаторов
- •6.8.2. Электросекреторное сопряжение
- •6.9. Синаптическая интеграция
- •6.9.1. Суммация
- •6.10. Функциональная пластичность синапсов
- •6.10.1. Гомосинаптическая модуляция
- •6.10.1.1. Облегчение
- •6.10.1.2. Посттетаническая потенциация
- •6.10.2. Гетеросинаптическая модуляция
- •6.11. Медиаторы
- •6.11.1. Биогенные амины
- •6.11.2. Аминокислоты
- •6.11.3. Нейропептиды
- •6.11.4. Эндогенные опиоиды
- •Подставив в это равенство выражения (1) и (2), получим
- •6.12. Резюме
- •6.13. Вопросы для повторения
4.9. Эндоцитоз и экзоцитоз
Плазматическая мембрана способна транспортировать внутрь клетки или из нее некоторые вещества в составе маленьких пузырьков (везикул). Эти везикулы образуются из небольшого впячивания или ямки на поверхности мембраны. При отшнуровывании в цитоплазму везикулы захватывают некоторые вещества и переносят их внутрь клетки (рис. 4–37). Переваривание или разрушение везикул приводит к высвобождению их содержимого в цитозоль. Этот процесс известен под общим названием эндоцитоз; при этом, если поглощается жидкость, говорят о пиноцитозе, а если поглощаются твердые частицы – о фагоцитозе. На молекулярном уровне проявление одной из форм эндоцитоза, а именно опосредованного медиатором, обусловлено наличием рецепторных молекул, погруженных в клеточную мембрану. Они связывают лиганды – молекулы или частицы, которые включают различные плазматические белки, гормоны, токсины, иммуноглобулины и некоторые другие вещества, не способные проходить по мембранным каналам. Рецепторы могут диффундировать в плоскости мембраны, но при связывании лиганда образуется комплекс рецептор–лиганд, который имеет тенденцию скапливаться внутри углублений в мембране; при этом образуются так называемые окаймленные ямки (рис. 4–37). Их роль заключается в накоплении лиганда. Одна из теорий, объясняющих механизм этого процесса, предполагает образование везикул, которые затем отшнуровываются в цитоплазму. Эти везикулы называются окаймленными, поскольку их поверхность покрыта слоем белка клатрина. Клатрин образует пентагональную или гексагональную решетку и, по–видимому, выполняет несколько функций. В частности, он связывает занятые лигандом молекулы рецептора и участвует в последующем отшнуровывании везикулы от поверхности мембраны.
|
|
Рис. 4.37. Образование окаймленных везикул при опосредованном рецепторами эндоцитозе. А. Молекулы лиганда связываются молекулами поверхностного рецептора, расположенными в окаймленных ямках (этап 1); последние образуются при связывании молекул клатрина с поверхностной мембраной. Происходит инвагинация окаймленной ямки (этап 2) и образуется окаймленная везикула (этап 3), которая затем сливается с вакуолью (этап 4). Вакуоль и ее содержимое претерпевают дальнейшие превращения (этап 5), а клатрин и молекулы рецептора возвращаются в плазматическую мембрану до повторного использования (этап 6). (Реаrсе, 1980).
|
Б. Электронные микрофотографии окаймленной ямки (вверху) и окаймленной везикулы (внизу). Видно, что на обеих стадиях эндоцитоза в ооците цыпленка цитоплазматическая поверхность мембраны покрыта плотным клатриновым слоем. Видна поверхностная мембрана, от которой отшнуровывается везикула. Увеличение 135 000.
|
Когда окаймленная везикула отшнуровывается в цитоплазму, ее содержимое, по–видимому, поступает в другие органеллы, например в лизосомы, а клатрин и рецепторы возвращаются к поверхностной мембране.
Сходный с эндоцитозом процесс, называемый экзоцитозом, играет важную роль в функционировании эндокринной и нервной систем. Например, пресинаптические окончания нервных клеток содержат много внутренних ограниченных мембранами везикул диаметром около 50 нм, в которых находятся вещества, участвующие в передаче нервного импульса –нейромедиаторы. Эти везикулы могут сливаться с поверхностной мембраной нервного окончания и высвобождать свое содержимое во внеклеточное пространство. Вероятность этого процесса многократно увеличивается, когда к окончанию подходит нервный импульс, а смысл его состоит в высвобождении синаптического медиатора, который взаимодействует с постсинаптической мембраной. Аналогичные механизмы ответственны за секрецию гормонов.
Согласно теории экзоцитоза, мембраны везикул включаются в поверхностную мембрану с высвобождением всего содержимого – гормонов, нейромедиаторов и случайно захваченных молекул – во внеклеточное пространство, где они затем диффундируют. Если бы эти включенные мембранные фрагменты оставались в составе плазматической мембраны, то ее площадь непрерывно увеличивалась бы. Полагают, однако, что в процессе эндоцитоза часть мембранного материала «изымается» и из него образуются новые секреторные везикулы. Данные о таком круговороте мембран были получены в ходе экспериментов, в которых во внеклеточную среду вводили электроноплотные белки, например пероксидазу хрена, и следили за эндоцитозом с помощью электронной микроскопии. Электроноплотные молекулы белка обнаруживались внутри клеток только в составе везикул. Пероксидаза хрена – это довольно крупная молекула и она не может попасть в клетку, пройдя непосредственно через плазматическую мембрану; этот фермент захватывается вместе с небольшим объемом внеклеточной среды в процессе формирования эндоцитозных микровезикул, т. е. при постепенном их отшнуровывании от плазмалеммы в цитоплазму.
В экзоцитозной секреции нейромедиаторов из нервной клетки и гормонов из эндокринных клеток принимают непосредственное участие ионы кальция. Их конкретная роль в инициации секреции неясна, но, по–видимому, при повышении внутриклеточной концентрации Са2+ каким–то образом увеличивается экзоцитозная активность – возможно, облегчается слияние везикул с внутренней поверхностью мембраны. Мембрана регулирует экзоцитозную активность путем регуляции уровня внутриклеточного Са2+. При увеличении направленного внутрь потока Са2 + его концентрация в цитоплазме увеличивается и параллельно возрастает скорость экзоцитозной секреции (рис. 4–38). Таким образом, Са2+ относится к секретагогам.
|
Рис. 4.38. Возможная роль микротрубочек в выведении секрета на примере β –панкреатических клеток. Микротрубочки с последовательно прикрепленными к ним везикулами, часто обнаруживаемые в секреторных участках, могут переносить везикулы к мембране, создавая предпосылки к секреции. Перемещение везикул вдоль микротрубочек и слияние их с мембраной регулируется кальцием. (Lacy, 1972.)
|
Сама везикулярная мембрана может принимать активное участие в процессах, предшествующих экзоцитозу. Установлено, что секреторные гранулы хромаффинной ткани обогащены необычным фосфолипидом лизолецитином, который облегчает слияние мембран и, таким образом, может способствовать слиянию везикулярной и клеточной мембран. Прежде чем произойдет слияние этих двух мембран, секреторная гранула (или везикула) должна прийти в контакт с плазмалеммой. Высвобождение секретируемых продуктов из железистой секреторной клетки блокируется колхицином (антимитотическим препаратом, который вызывает разборку микротрубочек) или цитохалазином (препаратом, разрушающим микрофиламенты). Эти данные позволяют предположить, что микротрубочки и микрофиламенты принимают участие в перемещении секреторных гранул к тому месту с внутренней стороны плазматической мембраны, где происходит экзоцитоз (рис. 4–38). Хотя специфичность упомянутых фармакологических препаратов вызывает некоторые сомнения, такое предположение, по–видимому, справедливо, поскольку под электронным микроскопом часто наблюдаются секреторные гранулы, ассоциированные с микротрубочками.