Структурно-функциональная организация клеточной мембраны

По определению Робертсона, клетку можно рассматривать как трифазную систему, которая состоит из нуклео-цитоплазматического матрикса, мембранной фазы и внешней фазы. На мембраны приходится около 2/3 сухой массы клетки. Формирует клетку и поддерживает строго определенный внутриклеточный гомеостаз плазматическая, или поверхностная, мембрана.

1.1.1.Структура плазматической мембраны

Клеточная мембрана (оболочка клетки) представляет собой тонкую (6—10 нм) липопротеиновую пластинку, содержание липидов в которой составляет около 40 %, белков — около 60 %. Изнутри клеточная мембрана выстлана тонким, более плотным слоем гиалоплазмы, практически лишенной органелл. На внешней поверхности мембраны имеется небольшое количество (5—10 %) углеводов, молекулы которых соединены либо с белками (гликопротеиды), либо с липидами (гликолипиды) и образуют гликокаликс, строение и функции которого у разных клеток могут различаться. Углеводы участвуют в рецепции биологически активных веществ, реакциях иммунитета. Структурную основу клеточной мембраны (матрикс) составляет бимолекулярный слой фосфолипидов, являющихся барьером для заряженных частиц и молекул водорастворимых веществ. Липиды обеспечивают высокое электрическое сопротивление мембраны клетки, например в нейронах — до 100 Ом/см².

Молекулы фосфолипидов мембраны состоят из двух частей: одна из них несет заряд и гидрофильна, другая не заряжена и гидрофобна. Это определяет способность липидов самопроизвольно образовывать двухслойные мембранные структуры под влиянием собственных зарядов. В клеточной мембране заряженные гидрофильные участки молекул фосфолипидов от одних молекул направлены внутрь клетки, а от других — наружу клетки. В толще клеточной мембраны молекулы фосфолипидов взаимодействуют незаряженными гидрофобными участками (они «спрятаны» от внутриклеточной и внеклеточной воды). В липидном слое клеточных мембран содержится много холестерина. Обмен липидов в отличие от белков происходит медленнее. Однако возбуждение, например, нейронов мозга приводит к уменьшению содержания в них липидов. В частности, после длительной умственной работы, при утомлении количество фосфолипидов в нейронах уменьшается (может быть, это связано с более яркой памятью у лиц напряженного умственного труда). Состав мембранных липидов определяется средой обитания и характером питания. Так, увели­чение растительных жиров в пищевом ра­ционе поддерживает жидкое состояние ли­пидов клеточных мембран и улучшает их функции. Избыток холестерина в мембранах увеличивает их микровязкость, ухудшает транспортные функции клеточной мембра­ны. Однако недостаток жирных кислот и хо­лестерина в пище нарушает липидный со­став и функции клеточных мембран.

Молекулы белков встроены в фосфолипидный матрикс клеточной мембраны. В клеточ­ных мембранах встречаются тысячи различ­ных белков, которые можно объединить в ос­новные классы: структурные белки, перенос­чики, ферменты, белки, образующие каналы, ионные насосы, специфические рецепторы. Один и тот же белок может быть рецептором, ферментом и насосом. Каналы образова­ны белковыми молекулами, вкрапленными в липидный матрикс, они пронизывают мем­брану. Через эти каналы могут проходить по­лярные молекулы. Многие мембранные белки, так же как и фосфолипиды, состоят из двух частей — заряженной и незаряженной. Незаряженные участки белков погружены в липидный слой, не несущий заряда. Заря­женные участки белков взаимодействуют с заряженными участками липидов, что явля­ется важным фактором, определяющим взаи­морасположение структурных элементов кле­точной мембраны и ее прочность. Большин­ство белков, пронизывающих липидный слой, прочно связано с фосфолипидами (интегральные белки), главной их функцией является транспорт веществ через клеточную мембрану. Большая часть интег­ральных белков — гликопротеиды. Белки, прикрепленные к поверхности клеточной мембраны (в основном к внутренней ее части), называют периферическими. Они, как правило, являются ферментами: это ацетилхолинэстераза, фосфатазы, аденилатциклаза, протеинкиназы. Некоторые интег­ральные белки также выполняют функцию ферментов, например АТФаза. Рецепторами и антигенами мембраны могут быть как ин­тегральные, так и периферические белки. Белки, примыкающие к мембране с внутрен­ней стороны, являются также составной час­тью цитоскелета, который обеспечивает до­полнительную прочность клеточной мембра­ны и эластичность. Обновление белков мем­браны происходит очень быстро — в течение 2—5 дней (срок их жизни).

Большинство клеток организма имеет от­рицательный поверхностный заряд, который обеспечивается выступающей из мембраны клетки углеводной частью гликолипидов, фосфолипидов, гликопротеидов. Мембрана обладает текучестью: от­дельные ее части могут перемещаться из одного участка к другому.

Клеточные мембраны обладают избира­тельной проницаемостью: одни вещества пропускают, другие нет. В частности, мем­брана легко проницаема для жирораствори­мых веществ, проникающих через липидный слой; большинство мембран пропускает воду. Анионы органических кислот не проходят через мембрану. Но имеются каналы, избира­тельно пропускающие ионы К⁺, Na⁺, Са²⁺, Cl^-.

1.1.2.Функции клеточной мембраны

Основными функциями клеточной мембра­ны являются следующие:

Барьерная (защитная) функция — наиболее очевидная функция клеточной мембраны, образующей поверхностную оболочку клетки. Особую роль в выполнении этой функции играют клеточные мембраны эпителиальной ткани. Они образуют обычно поверхности, отделяющие внутреннюю среду организма от внешней среды. Это относится также к легким и к желудочно-кишечному тракту. Барьерная функция клеточных мем­бран нарушается при многих патологических процессах (атеросклероз, гипоксия, интокси­кация, раковое перерождение). Многие ле­карственные вещества реализуют свое влия­ние посредством действия на мембрану, при ее повреждении эффекты лекарственных ве­ществ могут изменяться. Клетки, образую­щие наружный слой эпителия, обычно со­единены с помощью плотных контактов, ко­торые ограничивают межклеточный перенос веществ.

Рецепторная функция - восприятие изменений внешней и внут­ренней среды организма с помощью специ­альных структур — рецепторов, обеспечива­ющих узнавание различных раздражителей и реагирование на них. Клеточная мембрана располагает большим набором рецепторов, обладающих специфической чувствительнос­тью к различным агентам — гормонам, меди­аторам, антигенам, химическим и физичес­ким раздражителям. Рецепторы отвечают за взаимное распознавание клеток, развитие иммунитета. Рецепторами на поверхности клеток могут служить гликопротеиды и гликолипиды мембран. Рецептор активирует G-белок мембраны, который с помощью фермента-предшественника, расположенного на внутренней поверхности клеточной мембраны, активирует второй посредник, реализующий эффект от раздражителя. После­довательность может быть, например, такой: адреналин — B-адренорецептор-GS-белок — аденилатциклаза-АТФ-цАМФ — протеинкиназа — фосфорилирование белков — измене­ние метаболизма и функций клетки. Воспри­ятие физических и химических раздражите­лей (изменений внутренней и внешней среды организма) у возбудимых клеток осуществля­ется с помощью трансформации энергии раз­дражения в нервный импульс.

Создание электрического заряда клетки обеспечивает клеткам возбудимых тканей возникновение локального потенциала, по­тенциала действия (возбуждения) и проведе­ние последнего. Распро­странение возбуждения обеспечивает бы­струю связь возбудимых клеток между собой, а также посылку эфферентного сигнала от нервной клетки к эффекторной (исполни­тельной) и получение обратных (афферент­ных) импульсов от нее. Практически все живые клетки имеют электрический заряд, но лишь немногие из них способны генери­ровать потенциал действия.

Выработка биологически активных ве­ществ — простагландинов, тромбоксанов, лейкотриенов, оказывающих сильное влия­ние на адгезию тромбоцитов и процесс вос­паления.

Транспортная функция вместе с барьер­ной обеспечивает относительно постоянный состав веществ в клетке и ее электрический заряд. Наличие концентрационных и элект­рических градиентов различных веществ и ионов вне и внутри клетки свидетельствует о том, что клеточная мембрана осуществля­ет тонкую регуляцию содержания в цито­плазме ионов и молекул. Благодаря транс­порту частиц формируется состав внутри­клеточной среды, наиболее благоприятный для оптимального протекания метаболичес­ких реакций.

1.1.3.Механизмы транспорта веществ через клеточную мембрану

Транспорт частиц является жизненно важным для организма процессом. Он обеспечи­вает:

1) поступление в организм через желу­дочно-кишечный тракт различных веществ в кровь и лимфу и в каждую клетку организма, необходимых для синтеза клеточных струк­тур и выработки энергии;

2) регуляцию фи­зико-химических показателей внутренней среды (осмотическое давление, рН);

3) создание электрических зарядов клеток, воз­никновение и распространение возбуждения;

4) сократительную деятельность поперечно­полосатых (в том числе сердечной) и гладких мышц внутренних органов;

5) выделение клетками секретов (гормонов, ферментов, других биологически активных веществ);

6) выделение продуктов обмена в окружаю­щую среду (почки, легкие, желудочно-ки­шечный тракт, кожа);

7) реализацию дейст­вия фармакологических препаратов.

Транспорт веществ делят на пассивный (без затрат энергии) и активный (с затратой энергии). Движущей силой пассивного перемещения веществ являются концентрационный (химический), электри­ческий и гидростатический градиенты. Со­гласно концентрационному градиенту, час­тицы перемещаются из области с высокой концентрацией в область с низкой концент­рацией. При наличии разности гидростати­ческих давлений, например в сосудах и интерстиции, жидкость движется через полу­проницаемые мембраны из области с высо­ким гидростатическим давлением в область с более низким давлением. Вещества в этом случае следуют за растворителем, если мем­брана проницаема для них. Следует заме­тить, что термин «пассивный транспорт» не соответствует реальной действительности, так как электрический, концентрационный и гидростатический градиенты в животном организме создаются активно — с затратой энергии. Обмен веществ между организмом и внешней средой может проходить частично без затрат энер­гии, если имеется концентрационный градиент, -это диффузия газов из легких в кровь или выход их из крови и всасывание питательных веществ в кровь из желудочно-кишечного тракта, если их концентрация в кишечнике больше, чем в крови. В организме транспорт веществ осуществляется с затратой энергии. Поэтому термин «пассивный транспорт» целесообразно исключить, так как по­добного механизма в животном организме вообще не существуют — все виды транспорта веществ в организме осуществляются активно, с затратой энергии. Но в одних случаях энергия затрачивает­ся непосредственно на транспорт какой-либо час­тицы, например иона Na⁺, с помощью белковой молекулы, называемой насосом. Это первично ак­тивный механизм: в данном случае создается кон­центрационный (химический) градиент — запас потенциальной энергии. В других случаях энергия на перенос частиц затрачивается опосредованно: например, перенос молекул глюкозы с помощью натрия — это вторично активный механизм, энер­гия расходуется на перенос только натрия. Счита­ют, что движение воды, согласно закону осмоса, осуществляется пассивно: без затрат энергии вода движется в область с высокой концентрацией час­тиц (с высокой осмолярностью). Однако когда ос­мотическое давление сравняется по обе стороны мембраны, одностороннее движение воды прекра­тится. Движение воды, в результате которого была израсходована потенциальная энергия в виде кон­центрационного градиента, нельзя назвать пас­сивным, без затрат энергии, — это вторично ак­тивный транспорт.

Если энергия расходуется непосредствен­но на перенос частиц, транспорт следует на­зывать первично активным.

Если же на транспорт частиц расходуется ранее запасенная энергия, например кон­центрационный градиент, такой транспорт следует называть вторично активным. По­скольку транспорт в обоих случаях является активным (с затратой энергии), обоснованно использовать термины первичный и вторич­ный транспорт веществ.

1.1.3.1.Первично активный транспорт.

Первично активный транспорт - это перенос отдельных ионов во­преки концентрационному и электрическому градиентам с помощью специальных ионных насосов, а также с помощью эндоцитоза, экзоцитоза и трансцитоза. В обоих случаях энергия расхо­дуется непосредственно на перенос частиц.

Насосы (помпы) представляют собой белковые молекулы, обладающие свойствами переносчика и АТФазной активностью. Не­посредственным источником энергии явля­ется АТФ. Достаточно хорошо изучены Na/К-, Са²⁺- и Н⁺-насосы. Есть основания предполагать наличие Сl^- -насоса, о чем сви­детельствует участие ионов Сl^- в процессах торможения ЦНС, а также в возникновении возбуждения в клетках проводящей системы сердца и в клетках рабочего миокарда. Отсут­ствие хлорной помпы привело бы к исчезно­вению концентрационного градиента ионов Сl^- в перечисленных клетках и нарушению процессов возбуждения и торможения в них, чего в реальной действительности не наблю­дается. Насосы локализуются на клеточных мембранах или на мембранах клеточных органелл.

Основными характеристи­ками мембранных насосов являются:

- специфичность (селективность);

- постоянная работа;

Специфичность насосов (селективность) заключается в том, что они обычно переносят какой-то оп­ределенный ион или два иона. Например, Na/К-насос (объединенный насос для Nа⁺ и К⁺) не способен переносить ион лития, хотя по своим свойствам последний очень близок к натрию.

Натрий-калиевый насос (Nа/К-АТФаза) — это интегральный белок клеточной мембра­ны, обладающий, как и все другие насосы, свойствами фермента, т.е. сам переносчик обеспечивает расщепление АТФ и освобож­дение энергии, которую он же сам и исполь­зует. Этот насос изучен наиболее хорошо, он имеется в мембранах всех клеток и создает характерный признак живого — градиент концентрации Nа⁺ и К⁺ внутри и вне клетки, что обеспечивает формирование мембранно­го потенциала и вторичный транспорт ве­ществ. Главными активаторами насоса явля­ются гормоны (альдостерон, тироксин), не­достаток энергии (кислородное голодание) ингибирует насос. Его специфическими блокаторами являются строфантины, особенно уабаин. Работа натриевого насоса после уда­ления К⁺ из среды сильно нарушается.

Кальциевый насос (Са²⁺-АТФаза) локализу­ется в саркоплазматическом ретикулуме мы­шечной ткани, в эндоплазматическом рети­кулуме других клеток, клеточной мембране. Насос обеспечивает транспорт Сa²⁺ и строго контролирует содержание Са²⁺ в клетке, по­скольку изменение содержания Са²⁺ в ней нарушает функцию. Насос переносит Са²⁺ либо во внеклеточную среду, например, в клетках сердечной и скелетных мышц, либо в цистерны ретикулума и митохондрии (внут­риклеточное депо Са²⁺).

Протонный насос (Н⁺-АТФаза) имеется в мембране обкладочных клеток в желудке, где играет важную роль в выработке соляной кислоты; в почке он участвует в регуля­ции рН внутренней среды организма; этот насос постоянно работает во всех митохонд­риях.

Постоянная работа насосов необходима для поддержания концентрационных гради­ентов ионов, связанного с ними электричес­кого заряда клетки и движения воды и неза­ряженных частиц в клетку и из клетки вто­рично активно, в частности согласно законам диффузии и осмоса. Совокупность этих про­цессов обеспечивает жизнедеятельность клетки. В результате разной проницаемости. клеточной мембраны для разных ионов и по­стоянной работы ионных помп концентра­ция различных ионов внутри и снаружи клет­ки неодинакова. Поскольку ионы являются заряженными частицами, то существует электрический заряд клетки. Почти во всех изученных клетках внутреннее содержимое их заряжено отрицательно по отношению к внешней среде, т.е. внутри клетки преоблада­ют отрицательные ионы, а снаружи — поло­жительные.

Преобладающими ионами в организме человека являются Na⁺, К⁺, Сl^-, причем К⁺ находится преимущественно в клетке, а Na⁺ и Сl^- — во внеклеточной жидкости. Внутри клетки находятся также крупномолекуляр­ные (в основном белкового происхождения) анионы. Роль первичного транспорта в поддержании различной концентрации разных ионов легко доказать, например, в опыте с эритроцитами. Если с помощью цианида подавить дыхание эритроцитов, то их ион­ный состав начинает постепенно меняться: Nа⁺ и Сl^- диффундируют через клеточную мембрану в эритроцит, К⁺ — из эритроцита. Но в норме за счет энергии, поставляемой процессом дыхания, идет их первичный транспорт в обратном направлении, благо­даря чему и поддерживаются концентраци­онные градиенты.

Более трети энергии АТФ, потребляемой клеткой в состоянии покоя, расходуется на перенос только Na⁺ и К⁺, т.е. на работу Na⁺/К.⁺-насоса. Это обеспечивает сохранение клеточного объема (осморегуляция), поддер­жание электрической активности в нервных и мышечных клетках, транспорт других ве­ществ в различных клетках организма.

Механизм работы ионных насосов.Nа⁺/К⁺-насос — молекула интегрального белка, пронизывающая всю толщу клеточной мембраны. Молекула имеет участок, который связывает либо Na⁺, либо К⁺, — это активный участок. При конформации Е₁ белковая молекула активной своей частью обращена внутрь клетки и об­ладает сродством к Nа⁺, который присоеди­няется к белку, в результате чего активирует­ся АТФаза, обеспечивающая гидролиз АТФ и освобождение энергии. Последняя обеспечи­вает конформацию молекулы белка: она пре­вращается в форму Е₂, в результате чего ак­тивный ее участок уже обращен наружу кле­точной мембраны. Теперь белок теряет сродство к Na⁺, последний отщепляется от него, а белок-помпа приобретает сродство к иону К⁺ и соединяется с ним. Это ведет снова к изме­нению конформации переносчика: форма Е₂ переходит в форму Е₁, когда активный учас­ток белка снова обращен внутрь клетки. При этом он теряет сродство к иону К⁺, и тот от­щепляется, а белок приобретает снова срод­ство к иону Na⁺ — это один цикл работы помпы. Затем цикл повторяется. Насос явля­ется электрогенным, поскольку за один цикл выводится из клетки 3 иона Nа⁺, а возвраща­ется в клетку 2 иона К⁺. На один цикл рабо­ты Na/К-насоса расходуется одна молекула АТФ, причем энергия расходуется только на перенос Na⁺.

Подобным образом работают и Са-АТФазы сарко- и эндоплазматической сетей, а также клеточной мембраны, с тем лишь раз­личием, что переносятся только ионы Ca²⁺ и в одном направлении — из гиалоплазмы в сарко- или эндоплазматический ретикулум, а также — наружу клетки. Кальциевый насос (Са-АТФаза) — молекула интегрального белка, также имеет активный участок, связы­вающий два иона Са²⁺, и может быть в двух конформациях — Е₁ и Е₂. В конформации Е₁ активный участок молекулы белка обращен в гиалоплазму, обладает сродством к Са²⁺ и со­единяется с ним. В результате насос перехо­дит в конформацию Е₁, когда активный учас­ток молекулы белка обращен внутрь сарко-плазматического ретикулума или наружу клетки. При этом уменьшается сродство белка к Са²⁺ , последний отщепляется от него. В присутствии иона магния освобождается энергия АТФ, за счет которой молекула белка Са-АТФазы вновь переходит в конфор­мацию Е₁; цикл повторяется. Одна молекула АТФ переносит два иона Са²⁺.

Эндоцитоз, экзоцитоз и трансцитоз (микровезикулярный транспорт) — это еще три вида первично-активного транспорта, близких по механизму друг к другу, посредст­вом которых различные материалы перено­сятся через мембрану либо в клетку (эндоцитоз), либо из клетки (экзоцитоз), либо через клетку (трансцитоз). С помощью этих меха­низмов транспортируются крупномолекуляр­ные вещества (белки, полисахариды, нуклеи­новые кислоты), которые не могут транспор­тироваться по каналам или с помощью насо­сов.

При эндоцитозе клеточная мембрана об­разует впячивания или выросты внутрь клет­ки, которые, отшнуровываясь, превращаются в пузырьки. Последние затем обычно слива­ются с первичными лизосомами, образуя вторичные лизосомы, в которых содержимое подвергается гидролизу — внутриклеточному перевариванию. Продукты гидролиза исполь­зуются клеткой. Различают два типа эндоцитоза — фагоцитоз (поглощение твердых час­тиц) и пиноцитоз — поглощение жидкого ма­териала (раствор, коллоидный раствор, в том числе и белков, суспензия). Пиноцитоз ха­рактерен для амебоидных простейших и для многих других клеток, таких как лейкоциты, клетки зародыша, клетки печени и некото­рые клетки почек, участвующие в водно-со­левом обмене, в обмене белков: они обеспе­чивают пиноцитоз белков из первичной мочи в клетки проксимальных канальцев и их лизис. С помощью пиноцитоза новорожден­ные получают с молоком матери иммуногло­булины, которые через энтероциты попадают в кровь ребенка и выполняют свои защитные функции. Процесс эндоцитоза имеет место при всасывании веществ в желудочно-ки­шечном тракте.

Экзоцитоз — процесс, обратный эндоцитозу; это наиболее распространенный ме­ханизм секреции. Таким способом различные материалы выводятся из клеток: из пресинаптических окончаний — медиатор, из пи­щеварительных вакуолей удаляются остав­шиеся непереваренными частицы, а из сек­реторных клеток путем экзоцитоза выводится их жидкий секрет (слизь, гормоны, фермен­ты), из гепатоцитов — альбумины.

Экзоцитозные пузырьки образуются в аппарате Гольджи. В пузырьки упаковываются белки, обра­зовавшиеся в рибосомах эндоплазматического ре­тикулума. Низкомолекулярные вещества (медиа­торы, некоторые гормоны) попадают в везикулы преимущественно с помощью вторичного транс­порта. Пузырьки транспортируются сократитель­ным аппаратом клетки, состоящим из нитей акти­на, миозина и микротрубочек, к клеточной мем­бране, сливаются с ней, и содержимое клеток вы­деляется во внеклеточную среду. Энергия АТФ расходуется на деятельность сократительного ап­парата клетки. Процесс слияния везикул с клеточ­ной мембраной активируется фосфолипидом лизолецитином и внутриклеточным Са²⁺. Например, поступление Са²⁺ в нервное окончание обеспечи­вает выделение медиатора через пресинаптическую мембрану в синаптическую щель. В процессе взаимодействия эндо- и экзоцитоза происходит самообновление клеточной мембраны (кругообо­рот, рециркуляция): в течение каждого часа в про­цессе эндоцитоза в разных клетках используется от 3 до 100 % клеточной оболочки, но с такой же скоростью происходит ее восстановление в ре­зультате экзоцитоза.

Трансцитоз сочетает в себе элементы эндо- и экзоцитоза: это перенос частиц через клетку, например, молекул белка в виде вези­кул — через эндотелиальную клетку капилля­ров на другую ее сторону. В этом случае эндоцитозные пузырьки не взаимодействуют с лизосомами. При этом пузырьки могут сли­ваться друг с другом, образуя каналы, пересе­кающие всю клетку.

1.1.3.2.Вторично активный транспорт

Вторичный транспорт — переход различных частиц и молекул воды за счет ранее запасен­ной (потенциальной) энергии. Потенциаль­ная энергия создается в виде электрического, концентрационного и гидростатического гра­диентов (это обеспечивает диффузию, осмос, следование за растворителем) и градиента гидростатического давления жидкости, обес­печивающего фильтрацию, что создается дея­тельностью сердца, скелетных и гладких мышц. К вторичному транспорту относятся следующие виды транспорта.

Диффузия. Согласно законам диффу­зии, частицы перемещаются из области с вы­сокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Частицы с одноименными электрическими зарядами отталкиваются, с разноименными зарядами — притягиваются друг к другу. Направление диффузии опреде­ляется взаимодействием электрического и концентрационного (химического) градиен­тов. Если частицы не заряжены, то направле­ние их диффузии определяется только гради­ентом концентрации. Скорость диффузии определяется проницаемостью мембраны, а также градиентом концентрации для незаря­женных частиц; электрическим и концентра­ционным градиентами — для заряженных частиц. Направления действия электрическо­го и концентрационного градиентов могут не совпадать. Например, Na⁺ в процессе воз­никновения возбуждения продолжает посту­пать в клетку, когда она внутри уже заряжена положительно. Этот переход ионов обеспечи­вается концентрационным градиентом во­преки электрическому градиенту. Совокуп­ность химического (концентрационного) и электрического градиентов называют элект­рохимическим градиентом. Различают прос­тую и облегченную диффузию и осмос как частный случай диффузии.

Простая диффузия осуществляется либо непосредственно через липидный бислой, либо через каналы. При этом заряженные частицы движутся согласно электрохимичес­кому градиенту, а незаряженные — согласно только химическому градиенту. Через липид­ный бислой проходят жирорастворимые час­тицы. Если они находятся в воде по одну сто­рону мембраны, то могут внедряться в липидную оболочку благодаря тепловому дви­жению (при этом необходимо освободиться от гидратной оболочки). Частицы-неэлектро­литы обычно легко освобождаются от гидрат­ной оболочки (разрыв водородных связей). Естественно, с уменьшением молекулярной массы способность перехода частиц через мембрану возрастает. Примером простой диффузии через липидный слой может слу­жить диффузия малых незаряженных поляр­ных молекул этанола, кислорода, углекисло­го газа, стероидных гормонов и других липидов, тироксина, мочевины, а также чуждых клетке веществ, в частности ядов и лекарств. Этот процесс происходит слишком медленно и плохо контролируется. В ходе эволюции сформировались специальные каналы, по ко­торым могут проходить различные частицы, причем ионы — очень быстро — за 0,5—1 мс. Каналы заполнены водой и, кроме ионов, через них могут проходить малые молекулы неэлектролитов (этанол, мочевина), заряжен­ные молекулы. Диаметр этих каналов 0,3— 0,8 нм. Скорость диффузии определяется электрохимическим градиентом и проницае­мостью клеточной мембраны для данного ве­щества. С течением времени скорость про­стой диффузии изменяется мало, пока суще­ствует движущая сила (электрический или концентрационный градиенты), так как по одному и тому же каналу или через липид­ный бислой после прохождения одной части­цы сразу же может следовать другая.

Облегченная диффузия осуществляется также согласно концентрационному градиен­ту и обеспечивает перенос веществ, способ­ных образовывать комплексы с другими мо­лекулами-переносчиками. Переносчик — специфический мембранный белок должен свободно переходить с одной стороны мем­браны на другую. Этот транспорт осущест­вляется очень быстро. С помощью простой диффузии не могут проходить через мембра­ну даже небольшие полярные молекулы — моносахариды, аминокислоты. Облегченная диффузия имеет ряд особенностей по сравне­нию с простой диффузией. 1. Имеются спе­цифические переносчики для отдельных или нескольких веществ, близких по строению. Вещества, имеющие сходные по строению молекулы, могут переноситься одним и тем же переносчиком и конкурировать за пере­носчик. 2. У молекулы-переносчика может быть особый канал, пропускающий вещество только одного определенного типа. 3. С уве­личением концентрации вещества с одной стороны мембраны скорость облегченной диффузии возрастает только до определенно­го предела в отличие от простой диффузии. Прекращение нарастания облегченной диф­фузии при увеличении концентрации веще­ства свидетельствует о том, что все перенос­чики уже заняты — явление насыщения. Пере­носчиками являются белковые молекулы мембран, которые совершают челночные движения с одной стороны мембраны на дру­гую и обратно либо встраиваются в мембра­ну. В последнем случае образуется канал, по которому проходят транспортируемые веще­ства, в основном сахара, аминокислоты. Од­нако неясно, каким образом транспортиру­ются сами переносчики.

В случае предполагаемых челночных движений белковых молекул-переносчиков возникает во­прос: какая сила обеспечивает транспорт самих переносчиков? Если это одностороннее движе­ние, то оно быстро прекратится после уравнива­ния концентрации самих переносчиков по обе стороны клеточной мембраны. На этот вопрос от­вета пока нет. Возможны два механизма. Во-пер­вых, за счет создания градиента концентрации самого переносчика, с помощью концентрацион­ного градиента транспортируемого вещества. Если, например, концентрация глюкозы больше вне клетки, нежели в клетке, то она может пере­ходить в клетку согласно своему градиенту кон­центрации. Образование комплекса молекул глю­коза — переносчик лишь улучшает прохождение глюкозы через мембрану согласно концентраци­онному градиенту глюкозы. Движущей силой яв­ляется концентрационный градиент глюкозы. На внутренней стороне мембраны клетки комплекс распадается, поэтому концентрация молекул-переносчиков возрастает и они, согласно своему концентрационному градиенту, переходят на внешнюю сторону клеточной мембраны, снова соединяются с глюкозой и ускоряют ее переход в клетку. Такой транспорт возможен только при на­личии концентрационного градиента транспорти­руемого вещества, например при более высокой концентрации глюкозы и аминокислот в кишеч­нике вследствие приема пищи и гидролиза пище­вых веществ. Далее глюкоза и аминокислоты могут переходить из клетки в кровь согласно их концентрационным градиентам — если в энтероцитах их концентрация больше, чем в плазме крови. Из плазмы крови аминокислоты и глюкоза поступают в клетки различных органов и тканей организма согласно концентрационным их гради­ентам, так как клетка расходует эти вещества. По всей этой цепочке: полость кишки — энтероциты — кровь — интерстиций — клетки организма транспорт глюкозы и аминокислот осуществляет­ся без затрат энергии — это исключение из обще­го правила. В кишечнике же глюкоза и аминокис­лоты накапливаются вследствие пищеварения, на что также затрачивается энергия — механическая обработка пищи, продвижение ее химуса по желу­дочно-кишечному тракту, выработка пищевари­тельных соков. Во-вторых, челночные движения переносчика могут осуществляться или допол­няться с помощью ионов К⁺ Известно, что К⁺ постоянно диффундирует из клетки согласно кон­центрационному градиенту. При этом на внутрен­ней стороне мембраны клетки может образоваться комплекс ион К⁺ — молекула переносчика, кото­рый и перейдет на внешнюю сторону клеточной мембраны. В этом случае движущей силой являет­ся концентрационный градиент К⁺, который затем переносится в клетку Na/К-помпой с непо­средственной затратой энергии, т.е. первично ак­тивно. Напомним, что энергия здесь затрачивает­ся только на транспорт Nа⁺ — транспорт веществ экономичен. Переносчик же транспортируется вторично активно: если не будет работать Na/K-помпа, челночные движения переносчика, соглас­но такому представлению, прекратятся, при этом сохраняется простая диффузия в случае наличия градиента концентрации вещества.

Осмос — это частный случай диффузии: движение воды (растворителя) через полу­проницаемую мембрану в область с большей концентрацией частиц, т.е. с большим ос­мотическим давлением. Осмотическое давле­ние — это диффузионное давление, обеспе­чивающее движение растворителя через полупроницаемую мембрану. Измеряется оно минимальным механическим давлением на раствор (например, с помощью поршня), препятствующим движению растворителя через полупроницаемую мембрану. Осмоти­ческое давление одномолярного раствора чрезвычайно велико: 22,4 атм, в плазме крови оно существенно ниже — 7,6 атм, не­сколько больше оно внутри клетки, что обес­печивает ее упругость вследствие поступле­ния воды в клетку и растяжения ее мембра­ны. Вода поступает в клетку через водные ка­налы и временные поры, образующиеся между молекулами липидов и при смещении белков. Через водные каналы (аквапорионы) могут проходить также малые незаряженные молекулы: кислород, углекислый газ, этанол, мочевина.

Фильтрация — переход раствора через полупроницаемую мембрану (стенку сосуда) под действием градиента гидростатического давления между жидкостями по обе стороны этой мембраны. Градиент гидростатического давления создается либо деятельностью серд­ца (фильтрация в артериальном конце капил­ляра всех органов и тканей организма, а также образование первичной мочи в почке), либо гладкой мускулатурой желудочно-ки­шечного тракта и мышечного пресса, обеспе­чивающих повышение гидростатического давления в полости желудка и кишечника, что способствует всасыванию веществ в кровь.

В процессе фильтрации поток воды через мембрану увлекает за собой растворен­ные вещества, свободно проходящие через полупроницаемую мембрану, при этом час­тицы переходят через мембрану в неизменен­ной концентрации. Это наблюдается, напри­мер, в артериальном конце капилляров всех органов и тканей организма, в собиратель­ных трубках почки при переходе воды в моз­говой слой почки. Растворенные частицы, например мочевина, переходят с жидкостью в интерстиций почки, аминокислоты и глю­коза — в интерстиций всех органов и тканей организма.

Натрийзависимый транспорт. В этом случае энергия затрачивается на создание градиента натрия. Имеется два варианта дан­ного механизма транспорта.

Первый вариант, когда направление дви­жения транспортируемого вещества совпадает с направлением движения натрия согласно его электрохимическому градиенту (симпорт), например перенос глюкозы в прокси­мальных канальцах нефрона в клетку каналь­ца из первичной мочи. Глюкоза соединяется с белком-переносчиком, последний соединя­ется с Nа⁺, а Nа⁺, согласно концентрацион­ному и электрическому градиентам, диффун­дирует в клетку канальца и несет с собой глюкозу. На внутренней стороне клеточной мембраны комплекс распадается, Na⁺ выво­дится помпой с непосредственной затратой энергии из клетки в интерстиций вопреки электрохимическому градиенту — первично активно. Глюкоза обратно пройти не может и по механизму простой или облегченной диф­фузии (с переносчиком) выходит из клетки уже с другой стороны — в интерстиций, а затем в кровь согласно концентрационному градиенту. С помощью натрийзависимого транспорта всасываются аминокислоты и моносахара в кишечнике, если всасывание идет вопреки концентрационному градиенту; про­исходит обратный захват медиатора в пресинаптическую терминаль из синаптической щели в синапсах ЦНС. Транспорт веществ с помощью Nа⁺ осуществляется согласно зако­нам диффузии для Na⁺. Транспортируемое вещество при этом может поступать в клетку вопреки собственному концентрационному градиенту. Движущей силой является электрохимический градиент Nа⁺. Глюкоза вместе с Nа⁺ идет в клетку даже в том случае, если ее концентрация в клетке больше, неже­ли в среде, если, конечно, электрохимичес­кий градиент Nа⁺ превосходит концентраци­онный градиент глюкозы.

Второй вариант натрийзависимого транс­порта, когда перемещение транспортируемых частиц направлено в противоположную по от­ношению к движению Nа⁺ сторону, — это антипорт (противотранспорт). Этим обмен­ным механизмом регулируется, например, со­держание Са²⁺ в клетке, рН внутри клетки за счет выведения Н⁺-иона в обмен на внекле­точный Nа⁺. В большинстве клеток (а воз­можно, и во всех) внутриклеточная концент­рация Са²⁺ на несколько порядков ниже вне­клеточной. Концентрационный градиент Nа⁺ участвует в выведении Са²⁺ из клетки (в соот­ношении ЗNа⁺ : 1Са²⁺). В некоторых клетках (кардиомиоциты, гладкомышечные клетки) он играет главную роль. Об этом свидетельст­вует, в частности, следующий факт. Выведе­ние Са²⁺ из клеток снижается, если удалить из внеклеточной среды Nа⁺. Это позволяет пред­положить, что Са²⁺ выводится из клетки в обмен на поступающий в нее Nа⁺ и противоположно направленные потоки этих ионов сопряжены друг с другом; обеспечивается он переносчиком-обменником. Исходным ис­точником энергии этого процесса опять явля­ется градиент Nа⁺, который в конечном счете формируется за счет АТФ-зависимого актив­ного транспорта Nа⁺. Поэтому при ингибировании Nа/К-АТФазы сердечными гликозидами, при уменьшении внеклеточной концент­рации Nа⁺ и в бескалиевой среде.(когда Nа⁺ выводится из клетки недостаточно) Nа/Са-обменник блокируется, в результате чего уве­личивается внутриклеточная концентрация Са²⁺, что ведет к увеличению силы сокраще­ния сердца. Это свойство сердечных гликозидов используется в клинической практике.

Вторичный транспорт веществ играет важ­ную роль в деятельности почки, например работа Nа/Н-обменника в канальцах почек. В этом случае выведение Н⁺ из клеток, вы­стилающих почечный каналец, в просвет ка­нальца сопряжено с поглощением клетками Nа⁺ в отношении 1:1, что весьма важно: не приходится затрачивать энергию на выполне­ние электрической работы в процессе регуля­ции рН среды, поскольку происходит обмен двух одинаковых положительных зарядов.

Конкретный механизм работы переносчика-обменника неясен. Переносчик может транспортировать Са²⁺ и Н⁺ вопреки их электрическим и концентраци­онным градиентам только в том случае, если сам пере­носчик имеет собственный градиент, — его концентра­ция в клетке больше, чем вне клетки, причем этот гра­диент должен постоянно поддерживаться, иначе перенос Са²⁺ и Н⁺ прекратится. Полагаем, что выведение Са²⁺ и Н⁺ из клетки в результате диффузии Nа⁺ в клетку (противотранспорт) осуществляется следую­щим образом. На постоянно поступает в клетку, со­гласно своему электрохимическому градиенту, и транспортирует с собой (в комплексе) молекулы-пере­носчики с внешней стороны клеточной мембраны на внутреннюю, что и ведет к созданию их концентраци­онных градиентов, направленных из клетки. Са²⁺ и Н⁺ соединяются со своими переносчиками на внутренней стороне клеточной мембраны и транспортируются из клетки в виде комплексов согласно градиентам своих переносчиков. Именно поэтому, например, блокада Nа/К насоса ведет к накоплению Са²⁺ в кардиомиоцитах (транспорт Са²⁺ из клетки уменьшается). Это примеры вторичного транспорта вещества за счет пер­вичного транспорта Nа⁺, который с помощью помпы выводится из клетки. Переносчики совершают челноч­ные движения за счет работы Nа/К-насоса — вторич­но активно и транспортируют с собой Са²⁺ и Н⁺.

Таким образом, механизмы вторичного транспорта веществ весьма разнообразны. Что касается вторичного транспорта ионов, то он осуществляется, как правило, с помо­щью простой диффузии через специальные ионные каналы.