Транспортная функция клеточной мембраны

v Функциональная структура мембраны. Основными её компонентами являются липиды, белки и углеводы.

· Липиды составляют 30 – 70% мембраны, они представлены преимущественно фосфолипидами (60% от всех липидов), холестеролом (≈ 20%) и гликолипидами (≈ 5%).

² Фосфолипиды (фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, сфингомиелин) имеют гидрофильные полярные головки и неполярные гидрофобные хвосты, присоединенные к головкам с помощью глицерола. Липиды в мембране путем самосборки образуют бимолекулярный слой, полярные головки которого контактируют с внеклеточным и внутриклеточным водными отсеками, а гидрофобные хвосты контактируют друг с другом по принципу «хвост к хвосту» (рис. 1.1). Способность к самосборке создает и другую способность липидного бислоя – самовосстановления поврежденных участков мембраны. Фосфолипиды в бислое могут совершать вращательные и продольные движения. Липидный бислой имеет барьерную и транспортную функции, служит растворите­лем для белков, образуя «липидную рубашку», необходимую для их функций, создает ёмкостные свойства мембраны.

² Холестеролувеличивает механическую прочность бислоя. Кроме того, холестерол ингибирует фазовые переходы мембраны (гелевую/жидкокристаллическую), которые могут возникать при изменении температуры, рН, ионной силы и приводить к резкому изменению вязкости бислоя с нарушением транспортных и ферментативных функций мембраны.

² Гликолипиды(см. ниже углеводы мембраны).

· Белки составляют 30 – 70% мембраны. Если липидный бислой обусловливает преимущественно структурные особенности мембраны, то белки определяют главным образом ее специфические функции. Они находятся в мем­бранах в разных формах: поверхностные слабо связанные с мембраной белки, частично погруженные в мембрану белки и интегральные белки, прони­зывающие мембрану. Белки способны вращаться вокруг оси, а также перемещаться в плоскости самой мембраны. Важным следствием такой подвижности служит образование кластеров (пучков) белков (например, рецепторов). Однако клетка может и ограничивать подвижность мембранных белков (например, при участии белков в образовании межклеточных контактов и при их связи с цитоскелетом клетки). Белки выполняют в плазматической мембране фермен­тативную функцию, участвуют в процессах транспорта (переносчики, кана­лы, насосы), рецепции, распознавания клеток, образования межклеточных контактов, создают ионную проницаемость и электропроводимость мембраны.

· Углеводы составляют 2 – 10% мембраны. Они представляют собой олигосахаридные цепи (в их составе обнаружено около девяти моносахаридов), которые ковалентной связью присоединены к белкам (гликопротеины) и липидам (гликолипиды) на наружной поверхности мембраны. Разветвленные цепи гликолипидов создают на наружной поверхности плазмолеммы обогащенную углеводами зону, называемую гликокаликсом. Преобладающим мембранным олигосахаридом является отрицательно заряженная сиаловая (ацетилнейраминовая) кислота, которая в основном и создает отрицательный заряд наружной поверхности плазмолеммы. Функции мембранных углеводов до сих пор точно неизвестны, наиболее доказанным является их участие в процессах распознавания клеток (например, групповой принадлежности эритроцитов).

v Виды и механизмы транспортных процессов.

· Пассивный транспорт происходит из зоны бòльшей концентрации в зону меньшей концентрации (по уменьшающемуся градиенту концентрации) с уменьшением энергии транспортируемого вещества. Различают простую и облегченную диффузию.

² Простая диффузия осуществляется через липидный бислой и ионные каналы. Через липидный бислой переносятся малые молекулы: неполярные – О₂, N₂, этанол, эфир и др., полярные незаряженные молекулы – Н₂О, мочевина, глицерол, СО₂, аммиак и др. Через ионные каналы переносятся неорганические ионы – Na⁺, К⁺, Са²⁺, СI^- и др. При этом, кроме градиента концентрации, играет роль электрический градиент между отрицательной внутриклеточной и положительной внеклеточной средами – мембранный потенциал, который усиливает транспорт катионов и препятствует транспорту анионов в клетку, и наоборот.

² Облегченная диффузия используется для переноса более крупных полярных незаряженных молекул (например, глюкозы и аминокислот). Она осуществляется с использованием белков-переносчиков, которые избирательно связывают транспортируемые молекулы и за счет конформационных изменений переносят их через мембрану. Облегченная диффузия характеризуется специфичностью, бóльшей скоростью, явлением насыщения (когда заняты все переносчики), регулируется с помощью гормонов (например, инсулином при транспорте глюкозы).

·
Активный транспорт происходит из зоны меньшей концентрации в зону бòльшей концентрации (по возрастающему градиенту концентрации) с увеличением энергии транспортируемого вещества. Различают первично-активный и вторично-активный транспорт.

² Первично-активный транспорт непосредственно использует энергию АТФ и осуществляется деятельностью ионных насосов: калий-натриевого, кальциевого, протонного, белок которых обладает свойствами как переносчика, так и фермента АТФазы.

² Вторично-активный транспорт использует энергию градиента какого-либо иона (чаще Na⁺), предварительно созданную деятельностью ионного насоса, для транспорта других ионов, глюкозы, аминокислот. Транспорт происходит с участием белков-переносчиков.

· Микровезикулярный транспорт (эндоцитоз и экзоцитоз) является вариантом активного транспорта, служит для переноса через мембрану крупномолекулярных веществ (например, белков).

² Эндоцитоз выполняет питательную, защитную, регуляторную функции (последняя связана с изменением количества рецепторов мембраны и эндоцитозом гормонов, не проникающих через мембрану). При эндоцитозе локальный участок плазматической мембраны впячивается и отшнуровывается, формируя эндоцитозные пузырьки. Обычно эндоцитозные пузырь­ки сливаются с первичными лизосомами, образуя вторичные лизосомы, в которых переваривается макромолекулярное содержимое пузырьков. Выделяют три вида эндоцитоза – пиноцитоз, опосредованный рецеп­торами эндоцитоз и фагоцитоз.

n При пиноцитозепроисходит неспецифиче­ский захват внеклеточной жидкости и растворенных в ней веществ (в том числе и макромолекул), которые используются внутри клетки или перено­сятся сквозь клетку.

n При опосредуемом рецеп­торами эндоцитозевещества (например, липопротеины, незрелый тироглобулин, гормоны, иммуноглобулины, антигены) сначала связываются со специ­фическими белками-рецепторами плазматической мембраны, которые далее концентрируются в окаймленных ямках мембраны (окаймление совершается особым белком – кластрином, обладающим свойством АТФазы). После впячивания и отшнуровывания образуются окаймленные пузырьки (эндосомы), взаимодействующие с лизосомами.

n При фагоци­тозе(И.И. Мечников, 1883) крупные клеточные частицы (обломки своих клеток, инфекционные агенты и др.) захватываются «профессиональными» клетка­ми (микро- и макрофагами) с дальнейшим внутриклеточным переваривани­ем.

² Экзоцитоз используется для выделения из клеток медиаторов, гормонов, ферментов, которые используются в организме в регуляторных, питательных и других целях. Их выделение из клетки происходит в составе экзоцитозных пузырьков, образующихся в комплексе Гольджи. В этих пу­зырьках упаковываются белки, образовавшиеся в шероховатой ЭПС. Низкомолекулярные вещества (медиаторы, некото­рые гормоны и др.) попадают в пузырьки преимущественно путем вторично-активного транспорта. Пу­зырьки транспортируются с помощью микрофиламентов и микротрубочек к плазмолемме, сливаются с ней, и содержимое пузырьков выделяется во вне­клеточную среду. Важным регулятором экзоцитозной активности является уровень внутриклеточного Са²⁺, определяемый нервными и эндокринными влияниями на клетку.

4. Рецепторная функция клетки осуществляется специальными белками, которые находятся преимущественно на плазмолемме, а также в цитоплазме и ядре (для проникающих в клетку гормонов). Через эти рецепторы клетки воспринимают различные раздражители: химические (например, гормоны и медиаторы), физические (например, фотоны), биологические (например, микробы и вирусы).

v Главные виды рецепторов плазмолеммы.

· Ионотропные рецепторы («рецепторы-каналы») в своем составе имеют ионные каналы, расположены преимущественно в области синапсов, участвуют в передаче возбуждающих и тормозных влияний (Н-холинорецепторы, ГАМК_А- рецепторы, глутаматные НМДА-рецепторы, глициновые рецепторы и др.).

· Метаботропные рецепторы – через них действуют около 80 % гормонов и медиаторов, которые плохо проникают в клетку и формируют внутриклеточные эффекты преимущественно с помощью вторых посредников (подробно в 7.4, п. 2).

· Рецепторы, регулирующие поступление молекул в клетку (например, липидов в составе липопротеинов низкой и высокой плотности).

· Адгезивные рецепторы (семейства интегринов – СD61, кадгеринов, иммуноглобулинов, кластеров дифференцировки – СD54, СD242, селектинов СD62) – осуществляют связь «клетка - клетка» и «клетка – структуры межклеточной среды» (например, с базальной мембраной).

v Регуляция рецепторной функции плазмолеммы. Эта функция на клеточном уровне может быть снижена (десенситизация рецепторов) или усилена (сенситизация рецепторов).

· Десенситизация рецепторов возникает при усилении сигнала или увеличении времени его действия на рецептор. Она может быть связана с действием ферментов протеинкиназ, фосфорилирующих рецепторы, что может снижать их чувствительность к сигнальным молекулам. Другим механизмом является эндоцитоз комплексов «сигнальная молекула+рецептор», что уменьшает количество рецепторов на плазмолемме (интернализация рецепторов). Десенситизацию рецепторов может вызвать инактивирующая мутация генов, кодирующих данные рецепторы.

· Сенситизация рецепторов может быть связана с увеличением синтеза рецепторов, активирующей мутации кодирующих их генов, с увеличением сопряженности рецептора с G-белком и вторыми посредниками, а также с протеолизом белков, блокирующих рецепторы.

v Рецепторы цитоплазмы и ядра клетки стимулируются сигнальными молекулами, легко проникающими в клетку – стероидными и тироидными гормонами, витаминами D₃ и А. Они представляют собой белки (факторы транскрипции), действующие в ядре клетки. Каждый рецептор содержит три главных специфических участка (домена): ДНК-связывающий, лигандсвязывающий и активирующий транскрипцию. Через эти рецепторы стимул становится фактором регуляции транскрипции (синтеза иРНК) в каких-либо генах. Физиологические эффекты таких лигандов (например, гормонов) осуществляются в результате экспрессии или репрессии десятков и сотен генов-мишеней, чувствительных к данному гормону.

5. Энергетическая функция клетки. Клетки для осуществления своих функций могут использовать две главные формы энергии: аккумулированную в высокоэргических связях АТФ и в виде энергии ионных трансмембранных градиентов. Энергия связей АТФ (7,3 ккал/моль) используется для различных видов работы клетки: биосинтетической, сократительной, электрической, осмотической, работы ионных насосов, создания ионных трансмембранных градиентов и др. Энергия трансмембранных ионных градиентов непосредственно используется для создания биопотенциалов и транспорта веществ через мембрану (вторично-активного транспорта).

v Митохондрии играют главную роль в энергетическом обмене. Они окисляют пируват и жирные кислоты (через ацетил-КоА) в цикле трикарбоновых кислот, образуя активные формы водорода (в составе НАДН, частично ФАДН₂). Их электроны поступают в цепь дыхательных ферментов внутренней мембраны митохондрий, а протоны – в матрикс. Энергия, освобождающаяся при транспорте электронов в дыхательной цепи, используется для создания протонного градиента по обе стороны внутренней мембраны. Энергия этого градиента во время обратного потока протонов через протонный канал АТФ-синтетазы используется для фосфорилирования АДФ, в результате чего образуется АТФ. (например, при окислении одной молекулы глюкозы с участием митохондрий образуется до 36 молекул АТФ.) Часть энергии АТФ резервируется в виде креатинфосфата и ионных градиентов клетки.

v Энергетическая функция цитозоля связана с гликолизом: окисление одной молекулы глюкозы приводит в конечном балансе к образованию двух молекул АТФ и молекулы НАДН, водород которой может использоваться в митохондриях. Образование АТФ в цитозоле происходит как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Таким образом, хотя гликолиз имеет малую эффективность образования АТФ по сравнению с митохондриями, важной его особенностью является малая зависимость от кислородного состояния клетки.

6. Биосинтетическая функция клетки. Эта функция осуществляется взаимосвязанным комплексом органелл: рибосом, ЭПС и комплексом Гольджи. Синтез и модификация белков рассмотрены выше (1.4, п. 2). Синтез гликогена и липидов (в том числе фосфолипидов и холестерола) происходит в гладкой ЭПС и завершается в комплексе Гольджи. При этом гликоген остается внутриклеточно, а липиды и холестерол используются преимущественно в клеточных мембранах или в составе липопротеидов секретируются из клетки. (Часть стероидных гормонов синтезируется в митохондриях надпочечников.)

7. Функция внутриклеточного переваривания (питательная, защитная, обновление клеточных структур) обеспечивается лизосомами. Объектом переваривания служат как продукты межклеточной среды, так и собственные элементы клетки. (Недавно обнаружена новая структура, предназначенная для протеолиза аномальных внутриклеточных белков: мутантных, поврежденных токсинами, окислительным стрессом, структура которых не может быть восстановлена специальными белками – шаперонами. Этот протеолиз осуществляется в специальных надмолекулярных комплексах – протеасомах, которые обнаружены в перинуклеарном пространстве и в ядре всех клеток).

8. Детоксикационная функция клетки. Это функция обезвреживания токсических продуктов, попавших из внешней среды (ксенобиотики) и образованных в организме. Важнейшей детоксицирующей системой является ферментный комплекс в гладкой ЭПС, содержащий цитохром Р-450, который внедряет один из атомов молекулы кислорода в токсические вещества, делая их водорастворимыми и, как правило, малотоксичными. Другая ферментная система ЭПС путем конъюгации (соединения) с глюкуроновой и серной кислотами превращают активные и токсичные вещества (например, билирубин) в водорастворимые и малотоксичные, выделяющиеся с желчью и мочой. Антиоксидантная система, включающая в себя ферменты (супероксиддисмутазу, каталазу, глутатионпероксидазу и др.). и метаболиты (витамины С, Е, А, серусодержащие аминокислоты и др.), обезвреживают активные радикалы кислорода – супероксидный анион, пероксид водорода, гидроксильный анион, синглетный кислород. К специализированным системам детоксикации относятся обезвреживание аммиака путем образования глутамина и мочевины, дейодирование тироидных гормонов и др.

9. Специализированные функции клетки являются следствием ее дифференцировки (например, сокращение миоцита, генерация нервного импульса в нейроне, синтез иммуноглобулинов в плазматических клетках). Они изучаются в различных разделах курса физиологии.