Элементы физиологии клетки

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

кафедра физиологии человека и животных

РЕФЕРАТ

На тему:

«Элементы физиологии клетки»

 

МИНСК, 2008

Клетки всех живых организмов окружены внешней мембраной – плазмолеммой, цитолеммой. Большинство клеток содержат мембраны и в цитоплазме, они составляют оболочки органоидов (органелл). Биохимический состав мембран специфичен для каждого типа клеток. Вместе с тем известно, что все мембраны построены из липидов, белков и углеводов, причем последние образуют комплексы либо с белками (гликопротеиды), либо с липидами (гликолипиды).

В соответствии с современными представлениями, наиболее полно структуру и функции биологических мембран описывает жидкостно-мозаичная модель, предложенная Синглером и Николсоном в 1972 г. Структура биомембран и свойства ионных каналов приводятся по учебнику В.О.Самойлова.

Структурную матрицу мембраны составляют липиды, на долю которых приходится от 15 до 50% сухой массы. Среди них имеются фосфолипиды, гликолипиды и стероиды. Фосфолипиды построены таким образом, что имеют «головку», «тело» и «хвосты». Важнейшее физико-химическое свойство фосфолипидов – амфофильность, за счет гидрофильности полярной головки и гидрофобности жирнокислотных хвостов. В водной среде молекулы фосфолипидов выстраиваются самопроизвольно так, что гидрофобные участки их молекулы оказываются укрытыми от молекул воды, в то время как гидрофильные головки вступают с ней во взаимодействие. При агрегации молекул создается «конструкция», поперечный вид которой представляет собой двойной слой фосфолипидов, головки которых ориентированы наружу и внутрь от средней части мембраны, а средину занимают неполярные жирнокислотные хвосты. Ширина липидного бислоя приближается к 6 нм.

Липидная матрица динамически устойчива и является каркасом для включения в нее белковых компонентов.

Белки мембраны условно разделяют на периферические и собственные (интегральные). Периферические белки расположены на поверхности липидного бислоя, интегральные же пронизывают его, либо погружены на определенную глубину.

Среди многообразных функций мембранных белков различают:

·          транспортную (белки-каналы и белки-переносчики);

·          каталитическую (белки-энзимы);

·          структурную (белки-усилители прочности мембраны);

·          рецепторную (белки-рецепторы).

Углеводы клеточных мембран присутствуют в плазмолемме в виде соединений с белками (гликопротеиды) и липидами (гликолипиды), они интегрированы в рецептирующие структуры и обеспечивают рецепцию вирусов, антигенов, токсинов, гормонов, других биологически активных или сигнальных молекул.

Непременный компонент мембран – вода и соли, в виде катионов и анионов. Мембрана сохраняет свою структуру только в водной среде, поскольку гидрофобные и гидрофильные участки биомолекул плазмолеммы могут взаимодействовать с молекулами воды при структурировании мембран.

Полярные группы фосфолипидов, гликопротеидов, гликолипидов создают в реальных условиях функционирования клеток поверхностный заряд мембраны, равный от –10 до –30 милливольт. Этот заряд, называемый дзета-потенциалом, экспоненциально убывает по мере удаления от плазмалеммы. Дзета – потенциал препятствует тесному слипанию мембран соседних клеток при их соприкосновении. Изменение поверхностного заряда эритроцитов при различных физиологических и патологических состояниях организма приводит к изменению скорости их оседания в условиях специального теста (СОЭ).

Обязательной функцией мембраны любой клетки, кроме изоляции содержимого от интерстициального (межклеточного) пространства является транспорт веществ.

Мембранные белки как переносчики ионов.

Трансмембранный перенос веществ в направлении, противоположном действию сил, определяемых физико-химическими градиентами (прежде всего концентрационным и электрическим) называют активным транспортом. Он необходим как для накопления в клетках (или определенных органоидах) веществ, в которых они нуждаются, даже из среды с их низкой концентрацией, так и для выведения из клеток (органоидов) тех молекул, содержание которых там должно поддерживаться на низком уровне, даже при повышении его в окружающей среде.

Системы активного транспорта ионов (ионные насосы, ионные помпы) обеспечивают неравновесное распределение ионов между клеткой и межклеточной средой, а также между цитозолем и органоидами.

Ионы входят в состав всех жидких сред организма и биологически важных молекул, регулируют эффективность обмена веществ. Все превращения энергии, включая образование и использование макроэргов, контролируются ионами. В организме они составляют весьма сбалансированные внутриклеточную и внеклеточную ионные системы. Весь клеточный метаболизм чрезвычайно чувствителен к изменению содержания К+ ,Na+ , Са++ и Cl- в цитозоле. Эти же ионы определяют электрическую активность возбудимых клеток.

Как установлено в многочисленных исследованиях, в организме животных и человека половина всех ионов натрия содержится в межклеточной среде (интерстиции), примерно 40% — в костной ткани и только 10% - внутри клеток. В соответствии с требованиями электронейтральности и правилом Доннана, в интерстиции натрию сопутствуют анионы хлора и бикарбоната, концентрации которых там значительно выше, чем в цитозоле. Катионы калия и магния сосредоточены преимущественно внутри клеток. Из 160 г ионизированного калия, входящего в состав тела человека среднего роста и массы, только 3 г приходится на межклеточную среду. В цитозоле Са++ присутствует в ничтожной концентрации (около 10-8 моль/л) даже в мышечных волокнах, где его содержание относительно велико, но и там он сосредоточен не в цитозоле, а в цистернах саркоплазматической сети, мембрана которой в несокращающихся мышцах служит непреодолимым препятствием для перемещения этого иона.

Содержание ионов в интерстиции и цитозоле

Клеточная структура	Ион	Концентрация ионов, ммоль /л
		в интерстиции	в цитозоле
Кардиомиоциты млекопитающих	Na+	145	15
	K+	4	150
	Са++	2	10-4 в покое 10-2 при сокращении
	С1-	120	6
Аксон кальмара	Na+	450	50
	К+	20	400

Приведено по В.О.Самойлову, 2004 г.

Стабильное поддержание ионного неравновесия, а также перемещение ионов через клеточные мембраны в сторону более высокого электрохимического потенциала для осуществления многих физиологических процессов обеспечивается работой ионных насосов.

Калий-натриевый насос. Очень высокие градиенты концентрации Na+ и К+ между цитозолем и цитоплазмой нервных и мышечных, а также многих других клеток поддерживаются активным транспортом. Разница в их концентрациях столь значительна, что без существования транспортной системы из-за постоянной утечки ионов по концентрационному градиенту электрогенез был бы совершенно невозможным.

Калий-натриевый насос — весьма энергоемкая система. Энергия затрачивается на антипорт натрия и калия.

Компонентами калий-натриевой помпы являются АТФ (источник энергии) и натрий-калий-активируемая АТФаза (сокращенно - Na-K-АТФаза), которая служит одновременно и сопрягающим фактором, и переносчиком.

Согласно одной из моделей, на внутренней стороне клеточной мембраны находятся молекулярные комплексы, способные фосфорилироваться за счет присоединения концевой фосфатной группы АТФ, отщепляющейся при его гидролизе. Фосфорилированный транспортный комплекс переносит связанный с ним Na+- на наружную сторону клеточной мембраны, где обменивает его на K+. Приняв ионы калия, он транспортирует их внутрь клетки, после чего дефосфорилируется. Для следующего транспортного цикла ему необходимо новое фосфорилирование за счет гидролиза АТФ.

По другой модели, Na-K-АТФаза работает как переносчик. Молекула интегрального белка – фермента полностью пронизывает плазмолемму. В цитоплазме из-за активности митохондрий имеется большой запас АТФ, поэтому именно здесь происходит его контакт с Na-K-АТФазой. Транспорт ионов инициируется изменением (повышением) внутриклеточной концентрации Na+, вызываемым или прохождением волны возбуждения (потенциала действия), или пассивной утечкой этого иона по концентрационному и электрическому градиенту (в нервном волокне кальмара концентрация Na+ составляет 50 ммоль/л, а в интерстиции – 450 ммоль/л. ). Na-K-АТФаза активируется и натрием, и калием, но проявляет при этом ярко выраженную асимметрию: натрий действует на нее только со стороны цитоплазмы, а калий — из межклеточной среды, при некотором смещении специфичности в сторону натрия.

Для встречного перемещения (антипорта) натрия и калия Na-K-АТФазой характерна стехиометрия, для аксона кальмара равная 3/2. Это означает, что при гидролизе одной молекулы АТФ происходит транспорт трех ионов натрия (наружу) и двух ионов калия (внутрь клетки). Потеря цитоплазмой трех положительных зарядов взамен двух несколько смещает мембранный потенциал (повышает электроотрицательность цитоплазмы), что обозначается как электрогенность ионного насоса.

Специфическим блокатором калий-натриевого насоса служит строфантин Г (уабаин), который является ингибитором Na-K-АТФазы. Даже в концентрации 10-7 моль/л уабаин подавляет ее активность на 50%. Установлено, что лечебный эффект сердечных гликозидов (строфантина и дигитонина), применяемых при сердечной недостаточности, обусловлен их действием на калий-натриевый насос плазмолеммы миокардиальных волокон.

Калий-натриевая помпа локализована на мембранах практически всех клеток организма, но относительно много молекул – насосов имеется там, где осуществляется особенно интенсивный транспорт ионов, например, в почечных или кишечных эпителиоцитах или в мембранах электровозбудимых клеток. Но рекорд принадлежит клеткам электрических органов рыб, а также клеткам соляной железы альбатроса, в которой происходит опреснение морской воды активным транспортом из нее ионов натрия. Исключительно значима роль локализованного в коже калий-натриевого насоса в жизни земноводных, некогда эволюционно «вышедших» из водной среды на сушу. У лягушки локализованная в эпителиоцитах кожи помпа перекачивает ионы натрия из окружающей среды в межклеточную жидкость даже тогда, когда концентрация натрия в пресном водоеме в тысячи раз ниже, чем в интерстиции животного.

На работу ионных насосов тратиться значительная доля всей вырабатываемой в организме свободной энергии.

Еще одним представителем ионных насосов, выполняющим исключительно важную роль, является кальциевый.

В клетке ионам кальция принадлежит не только электрогенная, но и регулирующая роль. По этой причине необходимо строго регулировать внутриклеточную их концентрацию.

Кальциевый насос поддерживает содержание ионов Са++ в цитозоле на низком уровне. В качестве депо кальция выступают митохондрии и цистерны эндоплазматического ретикулума. Их мембраны и содержат кальциевый насосный механизм.

Детальные исследования кальциевой помпы проведены на образцах, полученных из мембран саркоплазматической сети миоцитов скелетных мышц, где ее активность особенно высока.

Источником энергии для системы активного транспорта кальция служит АТФ. Вторым компонентом насоса является Са++-активируемая АТФаза (сокращенно — Са-АТФаза).

В саркоплазматической сети на долю Са-АТФазы приходится 60% общего мембранного белка. По-видимому, в мембране саркоплазматической сети нет другого интегрального белка, кроме Са-АТФазы. Остальные 40% мембранных протеинов составляют периферические белки. На активный транспорт двух молей Са++ затрачивается один моль АТФ.

Кальциевый насос, в отличие от калий-натриевого, не обладает электрогенными свойствами — активный транспорт Са++ не приводит к образованию дополнительной разности потенциалов на мембране саркоплазматической сети. Неэлектрогенность кальциевой помпы обусловлена высокой проницаемостью этой мембраны для многих ионов. Поэтому мембранный потенциал, создаваемый переносом зарядов при перемещении ионов Ca++ сразу нивелируется из-за утечки других ионов.

Мембранные белки как ионные каналы.

Среди интегральных белков плазматической мембраны имеется несколько семейств, выполняющих функции ионных каналов. Некоторые из них являются высокоизбирательными для определенных ионов, их относят к классу селективных (например, для иона натрия или калия). Другие способны переносить только или катионы, или анионы (ионы хлора). Ионные каналы могут находиться в открытом или закрытом состоянии, в зависимости от способа активации и общего заряда клеточной мембраны. Перемещение катионов и анионов через поры каналов происходит по градиенту их концентрации (концентрационному градиенту) или по градиенту потенциала (электрохимическому градиенту).

По способу активации выделяют:

·          потенциал-активируемые ионные каналы (переход из закрытого в открытое состояние и обратно осуществляется конформацией белковой молекулы при изменении потенциала мембраны). Примером может служить потенциал-зависимый натриевый канал, определяющий деполяризацию клетки при генерации потенциала действия.

·          механочувствительные ионные каналы (открываются при воздействии на мембрану клетки механического стимула, например, при активации механорецепторов кожи).

·          лиганд-активируемые ионные каналы. По способу активации они подразделены на две группы (экстраклеточные и внутриклеточные) в зависимости от того, с какой стороны мембраны воздействует лиганд. Если стимул (например, ацетилхолин) при осуществлении синаптической передачи возбуждения в нервно-мышечном синапсе действует на рецептор (в данном примере холинорецептор, представляющий собой одну из нескольких белковых субъединиц ионного канала), расположенный на внешней поверхности мембраны мышечной клетки, откроется ионный канал, проницаемый для катионов. Если лиганд-активируемые каналы зависят от вторичных посредников в клетке, их переход в открытое состояние осуществляется при изменении концентрации определенных ионов в цитоплазме. Примером может служить кальций-активируемый калиевый канал, активирующийся при увеличении концентрации ионов кальция в клетке. Такие каналы принимают участие в реполяризации мембраны при завершении потенциала действия.

Существование мембранных белков – ионных каналов доказано биохимическими, биофизическими и электрофизиологическими методами. Для многих из них расшифрована структура, определена аминокислотная последовательность и локализация в клеточной мембране. Существование ионных каналов предопределяет электрогенез возбудимых клеток.

Условия и причины существования потенциала покоя.

Расчеты и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что все клетки организма в состоянии «оперативного» покоя характеризуются определенной степенью поляризации. Плазмолемма каждой клетки заряжена, и в покое на ее внутренней поверхности поддерживается отрицательный относительно межклеточной среды потенциал. Трансмембранная разность потенциалов в разных клетках различна, но всюду достигает нескольких десятков милливольт. С помощью микроэлектродной техники удалось в эксперименте прямо измерить реальную разность потенциалов по обе стороны клеточной мембраны.

Потенциал покоя (ПП) гигантского аксона кальмара приближается к -85 мВ, нервные и мышечные волокна других животных имеют примерно такой же (около -90 мВ) потенциал покоя.

Какие ионы и ионные каналы обеспечивают биоэлектрогенез? К настоящему времени известно, что основной вклад в потенциал покоя и потенциал действия вносят четыре иона. Na+ K+ Ca++ Cl- способны проникать (или не проникать) в определенных условиях через соответствующие ионные каналы.

Для того, чтобы определенный ион (имеющий заряд) мог проникнуть через мембрану, необходимо, чтобы для этого имелись условия:

1.Наличие концентрационного градиента (создается работой ионных насосов)

2.Наличие электрохимического градиента (создается суммой концентраций заряженных частиц и свойствами ионных каналов разобщать катионы и анионы по обе стороны мембраны).

3.Наличие подходящих каналов в открытом состоянии.

При потенциале покоя внутренняя сторона клеточной мембраны имеет заряд, знак которого (отрицательность) определяется наличием в цитоплазме органических анионов (белков и аминокислот), неспособных проникать через ионные каналы, и дефицитом их противоионов – катионов калия, способных проникать через калиевые ионные каналы, вследствие чего в клетке создается избыток отрицательных ионов, а в интерстиции –избыток положительного заряда. Величину отрицательного заряда в клетке и положительного заряда в межклеточном пространстве удается предсказывать математически, но только для относительно простых случаев, например, для гигантского аксона кальмара.

Величина потенциала покоя описывается с известным приближением уравнением постоянного поля, предложенным Ходжкиным, Гольдманом и Кацем.

Vм=RT/zFln {(pk[K+]о+pNa [Na+]o +pCl [Cl-]i)/ (pk[K+]i+pNa [Na+]i +pCl [Cl-]i)}

Не следует путать понятия мембранный потенциал, равновесный потенциал и потенциал покоя.

Мембранный потенциал задается суммой действующих по обе стороны мембраны зарядов, определяющей способность определенных ионов проникать через ионные каналы.

Равновесный потенциал – это такой потенциал плазмолеммы клетки, при котором суммарный ток определенного иона через мембрану равен нулю, несмотря на возможность отдельных ионов проникать через открытые каналы в обмен на такие же ионы, следующие в противоположном направлении. Определяется уравнением Нернста.

Равновесный потенциал для иона калия

Ек=RT/ZF ln([K+]o/[K+]i)

Источником электромагнитной энергии в любой клетке служит концентрационный элемент, образованный растворами солей, которые неравновесно распределены между цитоплазмой и межклетогной жидкостью, разделенными плазматической мембраной, обладающей неодинаковой проницаемостью для катионов и анионов, на которые диссоциируют эти соли (определение В.О.Самойлова)

С другой стороны, сравнение ПП и равновесного потенциала для конкретного иона позволяет понять и предсказать, куда будет перемещаться этот ион при данном ПП и его изменении (конкретном мембранном потенциале).

Ток иона натрия

iNa=gNa(Vm-ENa)

Расчеты показывают, что равновесный потенциал при физиологических значениях концентраций ионов по обе стороны плазматической мембраны для важнейших электрогенных ионов в большинстве клеток приблизительно соответствуют

Ек=-75 мВ

ЕNa=+55 мВ

ЕCa=+150 мВ

ЕCl=-80 мВ

В состоянии покоя величина мембранного потенциала примерно на 50% зависит от распределения относительно мембраны ионов К+. С точки зрения биофизики это означает, что равновесный калиевый потенциал Ек по своей величине и знаку ближе всего соответствует мембранному ПП. Вместе с тем свой вклад в ПП различных возбудимых клеток вносит натриевая и хлорная проводимость, а также Na+-K+ ионный насос.

Функции мембранного потенциала покоя: