Физиология клетки

Физиология клетки

«.. изучать организм по частям можно только для того, чтобы было проще понять его строение, но ни в коем случае нельзя рассматривать части независимо от целого. В самом деле, когда мы хотим описать физиологическое проявление и показать его истинное значение, мы обязаны относить наблюдаемые процессы к целому организму и сделать наши конечные выводы только во взаимосвязи части с целым». Клод Бернар (1865)

Организм: открытая система с внутренней средой

А. Одноклеточный организм в постоянной внешней среде (первичный океан)

Существование одноклеточного организма есть проявление жизни в ее простейшей форме. Даже протисты для своего выживания должны отвечать основополагающим, но по сути своей противоположным требованиям. Одноклеточный организм должен, с одной стороны, изолировать себя от видимого беспорядка неживой среды, но в то же время как открытая система он зависим от своего внешнего окружения из-за необходимости обмена теплом, кислородом, питательными веществами, отходами жизнедеятельности и информацией.

«Изоляция» в основном обеспечивается клеточной мембраной, гидрофобные свойства которой предотвращают потенциально фатальное перемешивание гидрофильных компонентов водных растворов внутриклеточной и внеклеточной среды. Проницаемость клеточной мембраны обеспечивают белковые молекулы, которые могут существовать в форме пор (каналов) или более сложных транспортных белков-переносчиков. Оба типа белков селективны к определенным веществам, и их активность обычно регулируется. Клеточная мембрана сравнительно хорошо проницаема для гидрофобных молекул, например для газов. Это необходимо для обмена О₂ и СО₂ и для поглощения липофильных сигнальных веществ, хотя и делает клетку уязвимой для ядовитых газов, например для монооксида углерода (СО), и липофильных повреждающих агентов, например органических растворителей. Клеточная мембрана содержит и другие белки - рецепторы и ферменты. Рецепторы получают сигналы из внешнего пространства и проводят информацию внутрь клетки (сигнальная трансдукция), а ферменты позволяют клетке усваивать внеклеточные субстраты.

Представим себе первичный океан как внешнее пространство для одноклеточного организма (А). Эта среда остается более или менее постоянной, несмотря на то что организм поглощает оттуда питательные вещества и выделяет туда отходы жизнедеятельности. Имея простое строение, одноклеточный организм, тем не менее, способен отвечать на сигналы из окружающей среды путем своего перемещения. Это достигается движением псевдоподий или жгутиков, например, в ответ на изменение количества (концентрации) пищи.

Б. Поддержание постоянства внутренней среды в организме человека

Эволюция от одноклеточного к многоклеточному организму, переход от специализированных групп клеток к органам, появление двух полов, сосуществование особей в социальных группах и выход из воды на сушу - все это многократно увеличило эффективность, выживание, ареал распространения и независимость живых организмов. Тем не менее индивидуальная клетка организма по-прежнему нуждается в среде, подобной первичному океану. Теперь за обеспечение постоянных условий среды отвечает клеточная жидкость (Б), но объем этой среды уже не безграничен. На самом деле он даже меньше, чем внутриклеточный объем. Благодаря своей метаболической активности клетки быстро истощили бы запасы кислорода и питательных веществ в жидкостях и окружили себя отходами, если бы не развились органы, способные поддерживать постоянство внутренней среды. Это достигается путем гомеостаза 1 процесса, с помощью которого физиологические механизмы саморегуляции (см. ниже) поддерживают постоянный состав внутри организма посредством координации физиологической активности.

Специализированные органы обеспечивают постоянное потребление питательных веществ, электролитов и воды и выведение отходов с мочой и фекалиями. Циркулирующая кровь соединяет между собой все органы, а обмен веществами между кровью и межклеточным пространством (интерстиций) создает клетке стабильную среду. Такие органы, как пищеварительный тракт и печень, поглощают питательные вещества и переводят их в доступную для усвоения форму после распределения их по организму. Легкие отвечают за обмен газов (поглощение О₂ и выведение СО₂), печень и почки - за выведение отходов метаболизма и чужеродных веществ, а кожа - за теплообмен. Почки и легкие играют также важную роль в регуляции внутреннего пространства, т. е. они «отслеживают» содержание воды, осмотическое давление, концентрацию ионов, pH (это все за почками и легкими) и давление О₂ и СО₂ (легкие) (Б).

Для выполнения различных функций специализированными клетками и органами, естественно, требовалась их интеграция, которую осуществляли системы транспорта на большие расстояния (кровеносная и дыхательная системы), гуморальная передача информации (гормоны) и проведение электрических сигналов в нервной системе; и это только несколько примеров. Эти транспортные системы отвечают за «поставку» и удаление веществ и, таким образом, поддерживают стабильность внутренней среды даже в условиях экстремально больших нагрузок и стресса. Более того, они контролируют и регулируют функции, обеспечивающие выживание как сохранение вида. Важнейшие элементы этих систем не только отвечают за своевременное развитие репродуктивных органов и доступность способных к оплодотворению гамет при половой зрелости, но также они контролируют эрекцию, эякуляцию, оплодотворение и нидацию. Важную роль играют также координация взаимодействия матери и плода во время беременности, регуляция процесса родов и периода лактации.

Центральная нервная система (ЦНС) проводит сигналы от периферических рецепторов (отдельных сенсорных клеток или сенсорных органов), активирует периферические эффекторы (например, скелетные мышцы) и влияет на эндокринные железы. При изучении поведения человека и животных особое внимание уделяется ЦНС. Она помогает нам обнаруживать пищу и воду, а также защищаться от жары и холода. Центральная нервная система играет важную роль при выборе партнера, при заботе о потомстве на протяжении длительного времени после рождения и при социальной интеграции. ЦНС участвует в формировании, выражении и обработке эмоций, таких как влечение, равнодушие, любопытство, желание, счастье, гнев, ярость и зависть, а также таких черт характера, как творческие способности, любознательность, самосознание и ответственность. Эта тема выходит далеко за рамки физиологии, которая в узком смысле есть изучение функций организма, и, следовательно, за рамки этой книги. Несмотря на то что науки о поведении социология и психология граничат с физиологией, реальные связи между ними и физиологией налажены только в исключительных случаях.

Контроль и регуляция

В. Система обратной связи: Контроль и регуляция

Для эффективного взаимодействия между специализированными органами организма их функции должны быть отрегулированы в соответствии с нуждами всего организма. Другими словами, органы должны подлежать контролю и регуляции. Контроль подразумевает, что контролируемый параметр, например артериальное давление, становится объектом избирательной внешней модификации, например, через изменение частоты сердечных сокращений . Поскольку на артериальное давление и частоту сердечных сокращений воздействует множество других факторов, контролируемый параметр может поддерживаться на постоянном уровне только при непрерывном измерении текущего артериального давления, сравнении его с соответствующей величиной (точкой контроля) и путем постоянной корректировки любых отклонений. Если артериальное давление падает, например, когда мы резко встаем из положения лежа, частота сердечных сокращений увеличивается до тех пор, пока артериальное давление не выравнивается. Когда кровяное давление поднимается выше определенного уровня, частота сердечных сокращений опять уменьшается и артериальное давление нормализуется. Этот замкнутый тип управления называется системой контроля по принципу отрицательной обратной связи, или замкнутым контролем (В1). Система состоит из регулятора с запрограммированной точкой контроля (заданной величиной) и контрольных элементов (эффекторов), которые могут приводить регулируемый параметр к заданной величине. Система также включает детекторы, которые постоянно определяют реальное значение данного регулируемого параметра и передают его (обратная связь) регулятору, который сравнивает реальное значение регулируемого параметра с его заданной величиной и, если имеется расхождение, производит необходимое выравнивание. Система управления действует или изнутри органа (ауторегуляция), или через соподчиненный орган, такой как центральная нервная система или эндокринные железы. В отличие от обычного управления элементы системы замкнутого контроля по принципу обратной связи могут работать более точно, не вызывая отклонений от заданной величины (по крайней мере, в среднем). Кроме того, системы обратной связи способны реагировать на неожиданные возмущения. В случае регуляции артериального давления (В2), например, система может реагировать на такие события, как ортостаз или внезапная потеря крови.

Тип замкнутого контроля, описанный выше, удерживает регулируемый параметр (РП) на постоянном уровне в том случае, когда возмущения вынуждают этот параметр отклоняться от заданной величины (Г2). В пределах организма заданная величина редко бывает неизменной и, при необходимости, может быть «смещена». В этом случае расхождение между номинальным и реальным значениями вызывается изменением заданной величины и ведет к активации эффекторов (ГЗ). Поскольку процесс регуляции в этом случае запускается вариациями заданной величины (а не возмущением), этот процесс называется служебным управлением или служебным механизмом. В качестве примеров служебного управления можно назвать лихорадку и регуляцию длины мышц при помощи мускульных веретен и у-мотонейронов

Г. Реакция системы с обратной связью на возмущение или отклонение от регулируемого параметра (РП) заданной величины

Кроме обычных параметров, таких как артериальное давление, внутриклеточный pH, длина мышц, масса тела и концентрация глюкозы в плазме крови, организм регулирует и сложные процессы, такие как оплодотворение, беременность, рост, дифференциация органов, а также проведение нервных импульсов и двигательная активность скелетных мышц, например, для поддержания равновесия при беге. Процесс регуляции может занимать от долей секунды (направленное движение) до нескольких лет (процесс роста).

В системе обратной связи, описанной выше, регулируемые параметры поддерживаются на постоянном уровне лишь в среднем, на практике наблюдаются различные по величине волнообразные отклонения от среднего. Стрессовые возмущения вызывают более значительные отклонения, которые быстро нормализуются стабильной системой управления (Д, тест-объект 1). Степень отклонения может быть незначительной в одних случаях и существенной - в других. Последнее верно, например, для уровня глюкозы в крови - почти вдвое увеличивается после еды. Этот тип регуляции, разумеется, используется только для предотвращения экстремальных повышений и падений (гипер- или гипогликемия) или при хронических отклонениях регулируемого параметра. Для более точной регуляции необходима более высокая чувствительность системы управления (усиление ответа). Однако это увеличивает время стабилизации регулируемого параметра (Д, тест-объект 3) и может вести к регуляторной нестабильности, т. е. к ситуации, когда актуальный параметр колеблется то вверх, то вниз между крайними позициями (нестабильная осцилляция) (Д, тест-объект 4).

Д. Регуляция артериального давления после резкого приведения тела в вертикальное положение (ортостаз)

Колебание (осцилляция) регулируемого параметра в ответ на возмущение может быть ослаблено двумя путями. Во-первых, сенсоры с различными характеристиками (D-сенсоры) обеспечивают увеличение интенсивности целевого сигнала пропорционально степени отклонения регулируемого параметра от заданной величины. Во-вторых, механизм раннего предупреждения обеспечивает регулятор информацией относительно ожидаемой интенсивности возмущения еще до того, как величина регулируемого параметра действительно изменилась. Механизм раннего предупреждения можно объяснить на примере механизма терморегуляции -процесса, при котором холодовые рецепторы на поверхности кожи запускают корректировку до того, как изменения регулируемого параметра (поверхностной температуры тела) действительно произойдут . Наличие в схеме регулирования только D-сенсоров имеет свои недостатки. Это видно на примере сенсоров артериального давления (барорецепторов) при срочной регуляции артериального давления. Очень медленные, но постоянные изменения, наблюдаемые при развитии артериальной гипертензии, не регулируются. На самом деле быстрое снижение артериального давления пациента-гипертоника, вероятно, даже может вызвать обратное регуляторное повышение артериального давления. Поэтому для обеспечения долгосрочной регуляции необходимы другие системы управления.

Клетка

Клетка - это наименьшая функциональная единица живого организма. Иными словами, клетка способна выполнять основные жизненные функции, такие как метаболизм, рост, движение, размножение и передача наследственной информации. Рост, размножение и передача наследственной информации осуществляются путем клеточного деления.

Компоненты клетки

Все клетки состоят из клеточной мембраны, цитозоля или цитоплазмы, занимающей 50% объема, и мембранно-связанных субклеточных структур - органелл (А, Б). Органеллы эукариотических клеток высокоспециализированы. Например, генетический материал клеток сконцентрирован в клеточном ядре, пищеварительные ферменты локализованы в лизосомах. Окислительный синтез АТФ происходит в митохондриях.

А. Клеточные органеллы (эпителиальная клетка)

Клеточное ядро содержит жидкость - кариоплазму, ядрышко и хроматин. В состав хроматина входит дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) -носитель генетической информации. Две цепи ДНК образуют двойную спираль (длиной до 7 см). Молекулы ДНК скручены и уложены в хромосомы длиной 10 мкм. В норме у человека имеется 46 хромосом, включающих 22 пары аутосом и хромосомы, определяющие пол (XX у женщин и XY у мужчин). ДНК построена из связанных в цепь нуклеотидов; в состав нуклеотида входят: пентоза (дезоксирибоза), фосфатная группа и азотистое основание. В повторяющейся цепочке сахарофосфатного остова (... дезоксирибоза-фосфат-дезоксирибоза...) каждая молекула сахара связана с одним из четырех азотистых оснований. Последовательность оснований представляет собой генетический код для каждого из примерно 100 000 различных белков, которые клетка продуцирует во время жизненного цикла (экспрессия генов). В двойной спирали ДНК каждое основание из одной цепи ДНК связано с комплементарным основанием другой цепи в соответствии с правилом: аденин (А) соединяется с тимином (Т), а гуанин (G) - с цитозином (С). Последовательность оснований в одной цепи двойной спирали (Д) всегда является зеркальным отражением последовательности оснований в противоположной. Таким образом, одна из цепей может быть использована как основа для изготовления новой комплементарной цепи, информационное содержание которой идентично оригиналу. При клеточном делении этот процесс служит для удвоения генетической информации (репликации).

Информационная РНК (иРНК) отвечает за передачу кода для синтеза белка (аминокислотная последовательность), т. е. перенос кодирующих последовательностей ДНК (последовательность оснований) из ядра в цитозоль (В1). Информационная РНК образуется в ядре и отличается от ДНК тем, что состоит только из одной цепи, содержит рибозу вместо дезоксирибозы и урацил (U) вместо тимина. В ДНК каждая аминокислота (например, глутаминовая кислота, Д), необходимая для синтеза белка, кодируется набором трех последовательных оснований, называемых кодоном или триплетом (например, С-Т-С для глутаминовой кислоты). Для того чтобы транскрибировать триплет ДНК, на иРНК должен образоваться комплементарный кодон (например, G-A-G для глутаминовой кислоты). Относительно небольшая молекула транспортной РНК (тРНК) отвечает за чтение кодона на рибосомах (В2). Для этой цели тРНК содержит комплементарный кодон, называемый антикодоном. Антикодон для глутаминовой кислоты представляет собой последовательность C-U-C (Д).

Б. Структура эпителиальной клетки на электронной микрофотографии

Синтез РНК в ядре контролируется РНК-полимеразами (I-III типов). Действие этих полимераз на ДНК обычно заблокировано белком-репрессором. Фосфорилирование полимеразы происходит, если репрессор удаляется (ДНК дерепрессируется), и основной транскрипционный фактор прикрепляется к так называемой промоторной последовательности молекулы ДНК (Т-А-Т-А для полимеразы II типа). Будучи активированной, она расплетает две цепи ДНК на определенном участке, так что код на одной из цепей может быть прочитан и транскрибирован в форме иРНК) (транскрипция) (В1а, Г). Молекулы гетерогенной ядерной РНК (гяРНК), синтезированные полимеразой, имеют на 5'-конце специфическую «головку» («кэп»-структуру), а на 3'-конце — «хвост» в виде полиадениновой последовательности (А-А-А...) (Г). Сразу после синтеза они покрываются белковой оболочкой, образуя гетерогенные ядерные рибонуклеопротеиновые частицы (гяРНП-частицы). Первичная РНК, или пре-иРНК гяРНК, содержит как транслируемые последовательности (экзоны), так и нетранслируемые (интроны). Экзоны кодируют аминокислотные последовательности, с которых происходит синтез белков, тогда как интроны не вовлечены в процесс кодирования. Интроны могут содержать от 100 до 10 000 нуклеотидов, они удаляются из первичной цепи иРНК при помощи процесса сплайсинга (В1б, Г) и затем деградируют. Интроны несут информацию о месте сплайсинга. Сплайсинг является АТФ-зависимым процессом и требует взаимодействия нескольких белков в составе рибонуклеопро-теинового комплекса, называемого сплайсосомой. Интроны обычно составляют большую часть молекулы пре-иРНК. Например, в нуклеотидной цепи фактора коагуляции VIII на них приходится 95%, что соответствует 25 интронам. иРНК также может быть модифицирована (например, путем метилирования) во время посттранскрипционной модификации.

РНК выходит из ядра через ядерные поры (около 4000 на ядро) и входит в цитоплазму (В1в). Ядерные поры - это высокомолекулярные белковые комплексы (125 МДа), локализованные в ядерной мембране. Ядерные поры пропускают большие молекулы (например, транскрипционные факторы, РНК-полимеразы или цитоплазматические рецепторы стероидных гормонов) в ядро, ядерные молекулы (иРНК, тРНК и др.) - из ядра, а некоторые молекулы, например рибосомальные белки, - в оба направления. АТФ-зависимый транспорт молекул в любом направлении не может осуществиться без помощи специфического сигнала, который и направляет молекулу в пору. Вышеупомянутая 5‘-концевая «кэп-структура» отвечает за выход иРНК из ядра, а одна или две специфические последовательности некоторых (преимущественно катионных) аминокислот необходимы в качестве сигналов для входа белков в ядро. Эти последовательности формируют часть пептидной цепи так называемых ядерных белков и, возможно, образуют пептидную петлю на поверхности белка. В случае цитоплазматического рецептора глюкокортикоидов в отсутствие глюкокортикоида сигнал ядерной локализации замаскирован белком шапероном (белком теплового шока 90; англ. - heat shock protein 90 или hsp90) и становится доступен только после связывания гормона, при этом высвобождая hsp90 из рецептора. Активированный рецептор затем достигает клеточного ядра, где связывается с определенными последовательностями РНК и контролирует ряд генов.

В. Транскрипция и трансляция

Ядерная оболочка построена из двух мембран (двух фосфолипидных бислоев), которые сливаются у ядерных пор. Эти две мембраны различаются по составу. Внешняя мембрана непрерывно соединена с мембраной эндоплазматического ретикулума ОПР), который описан ниже (Е).

иРНК, вышедшая из ядра, направляется к рибосомам (В1), которые или свободно плавают в цитозоле, или связаны с цитозольной стороной эндоплазматического ретикулума, как описано ниже. Каждая рибосома состоит из десятков белков, ассоциированных с набором структурных молекул РНК, называемых рибосомальными РНК (рРНК). Две субъединицы рибосомы сначала транскрибируются с многочисленных рРНК-генов в ядрышке, потом по 16 отдельности покидают клеточное ядро через ядерные поры. Собранные вместе и формирующие рибосому, они представляют собой биохимический аппарат для синтеза белка (трансляции) (В2). Синтез пептидной цепочки требует присутствия специфических молекул тРНК (как минимум одной для каждой из 21 образующей белок аминокислоты). В этом случае аминокислота-мишень связана с С-С-А-кон-цом тРНК (одинаковым для всех молекул тРНК), а соответствующий антикодон, распознающий кодон иРНК, локализован на другом конце (Д). Каждая рибосома имеет два сайта связывания тРНК: один -для последней включенной аминокислоты и другой -для следующей за ней (не показано на Д). Синтез белка начинается, когда считывается инициирующий кодон (старт-кодон), и заканчивается по достижении терминирующего кодона (стоп-кодона). Затем рибосома диссоциирует на две субъединицы и высвобождает иРНК (В2). Рибосомы могут присоединять примерно 10-20 аминокислот в секунду. Однако, поскольку цепь иРНК обычно транслируется одновременно многими рибосомами (полирибосомами, или полисомами) в разных участках, белок синтезируется гораздо быстрее, чем его иРНК. В костном мозге, например, за секунду образуется в целом около 5 * 10¹⁴ копий гемоглобина, содержащих 574 аминокислоты каждая.

Г. Транскрипция и сплайсинг Д. Кодирование белка

Эндоплазматический ретикулум (ЭПР) (В, Е) играет центральную роль в синтезе белков и липидов, а также служит внутриклеточным хранилищем Са2+. ЭПР представляет собой сеть взаимосвязанных разветвленных каналов и уплощенных полостей, связанных с мембраной. На закрытые пространства (цистерны) приходится около 10% клеточного объема, а мембраны ЭПР составляют до 70% общей массы мембран клетки. Рибосомы могут прикрепляться к цитозольной поверхности участков ЭПР, формируя шероховатый эндоплазматический ретикулум (шЭПР). Эти рибосомы синтезируют экспортируемые белки, а также трансмембранные белки (Ж) для плазматической мембраны, эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи, лизосом и т. д. Начало синтеза белка (на N-конце) такими рибосомами (все еще свободными) индуцирует сигнальную последовательность, к которой в цитозоле прикрепляется сигнал-распознающая частица (СРЧ, или англ. SRP). В результате (а) синтез временно останавливается и (б) рибосома (посредством СРЧ и рецептора СРЧ) присоединяется к рецептору рибосомы на мембране ЭПР. После этого синтез продолжается. По окончании синтеза экспортируемого белка белок-транслокатор проталкивает пептидную цепь в пространство цистерны. Синтез мембранных белков несколько раз прерывается (в зависимости от количества трансмембранных доменов) (Ж2) путем блокирования белка-транслокатора, а соответствующая (гидрофобная) пептидная последовательность внедряется в фосфолипидную мембрану.

Гладкий эндоплазматический ретикулум (гЭПР) не содержит рибосом и является местом синтеза липидов (например, липопротеинов) и других веществ. Мембраны ЗПР, содержащие синтезированные мембранные белки или экспортные белки, формируют везикулы, которые транспортируются в аппарат Гольджи.

Комплекс Гольджи, или аппарат Гольджи (Е), имеет последовательно соединенные компартменты для дальнейшего процессинга продуктов из эндоплазматического ретикулума. Он состоит из цис-Гольджи сети (обращенной входом к ЭПР), плоских запасающих цистерн (цистерны Гольджи) и транс-Гольджи сети (отвечающей за сортировку и распределение). Функции комплекса Гольджи:

• синтез полисахаридов;

• процессинг белков (посттрансляционная модификация), например гликозилирование по некоторым аминокислотам (частично протекает в ЭПР), тех мембранных белков, которые позднее превращаются в гликокаликс на внешней поверхности клетки (см. ниже); и у-карбоксилирование глутаматных остатков;

• фосфорилирование сахаров гликопротеинов (например, до маннозо-6-фосфата, как описано ниже);

• «упаковка» экспортируемых белков в секреторные везикулы (секреторные гранулы), содержимое которых выводится во внеклеточное пространство.

Таким образом, аппарат Гольджи представляет собой главный центр модификации, сортировки и распределения белков и липидов, поступивших из эндоплазматического ретикулума.

Регуляция экспрессии генов происходит на уровне транскрипции (В1а), модификации РНК (В1б), экспорта иРНК (В1в), деградации РНК (В1г), трансляции (В1ж), модификации и сортировки (Е, е), а также деградации белков (Е, ж).

Митохондрии (А, Б) являются местом окисления углеводов и липидов до СО₂ и Н₂О и потребления кислорода, необходимого для этих реакций. Цикл Кребса (цикл лимонной кислоты), дыхательная цепь и связанный с ними синтез АТФ также локализованы в митохондриях. Клетки, обладающие большой метаболической и транспортной активностью, богаты митохондриями, например гепатоциты, клетки кишечника, а также эпителиальные клетки почек. Митохондрии заключены в двойную мембранную оболочку, состоящую из гладкой внешней мембраны и внутренней мембраны, которая характеризуется выраженной складчатостью, формирует серии выступов, или крист; внутренняя мембрана имеет также важные транспортные функции. Вероятно, митохондрии в клетке прошли долгий путь совместной эволюции от симбиоза между аэробными бактериями и анаэробными клетками (симбиотическая гипотеза) - митохондриальная ДНК (мтДНК) бактериального происхождения, а двойные мембраны митохондрий являются их эволюционными реликтами. Митохондрии также содержат рибосомы, которые синтезируют все белки, кодирующиеся мтДНК.

Е. Синтез белка, сортировка, повторное использование (рециркуляция) и распад

Лизосомы - это везикулы (Е), которые покидают ЭПР (через комплекс Гольджи) и участвуют во внутриклеточном расщеплении макромолекул. Макромолекулы попадают в клетку путем эндоцитоза (например, поглощение альбумина в почечных канальцах) или благодаря фагоцитозу (например, поглощение бактерий макрофагами). Лизосомы также могут участвовать в деградации собственных клеточных органелл (аутофагия, например, митохондрий), посредством аутофагосом (Б, Е). Часть поглощенного мембранного материала воспроизводится (например, рециркуляция рецепторов в рецептор-зависимом эндоцитозе). Ранние и поздние эндосомы - это промежуточные стадии везикулярного транспорта. Поздние эндосомы и лизосомы содержат кислые гидролазы (протеазы, нуклеазы, липазы, гликозидазы, фосфатазы и т. д., активные только в кислой среде). Мембрана содержит Н+-АТФазу, которая создает кислую среду (pH 5) внутри лизосом, и некоторые транспортные белки, которые (а) высвобождают продукты расщепления (например, аминокислоты) в цитоплазму и (б) обеспечивают компенсацию заряда во время поглощения Н+ (Ch-каналы). Эти ферменты и транспортные белки поставляются в первичные лизосомы из аппарата Гольджи. Маннозо-6-фосфат (М6Ф) служит маркером этого процесса - связывается с МбФ-рецептором в мембране комплекса Гольджи, который, как в случае рецептор-зависимого эндоцитоза, группируется в мембране при помощи клатринового каркаса. В кислой среде лизосом ферменты и транспортные белки отсоединяются от рецептора, а М6Ф дефосфорилируется. М6Ф-рецептор возвращается в аппарат Гольджи (процесс рециркуляции; Е). Рецептор М6Ф больше не распознает дефосфорилированные белки, что предотвращает их возвращение в аппарат Гольджи.

Пероксисомы - это органеллы, содержащие ферменты (импортированные по сигнальной последовательности), способствующие окислению некоторых органических молекул (R-H2), таких как аминокислоты и жирные кислоты: R-H₂ + О₂ -» R + Н₂О₂. Пероксисомы содержат каталазу, которая разрушает пероксид: 2Н₂О₂ =О₂ + 2Н₂О и окисляет токсины, например алкоголь и другие вещества.

Ж. Клеточная мембрана

В то время как мембраны органелл отвечают за внутриклеточную компартментализацию, основная функция клеточной мембраны (Ж) - отделять внутриклеточную среду от внеклеточного пространства. Клеточная мембрана - это фосфолипидный бислой (Ж1), который может быть либо гладким, либо складчатым (как, например, щеточная кайма из микроворсинок или базальный лабиринт) (Б). В зависимости от типа клетки клеточная мембрана содержит разное количество фосфолипидов, холестерина и гликолипидов (например, цереброзидов). Фосфолипиды в основном состоят из фосфатидилхолина (ЖЗ), фосфатидилсерина, фосфатидилэтаноламина и сфингомиелина. Гидрофобные компоненты мембраны обращены друг к другу, тогда как гидрофильные компоненты обращены к водной среде, т. е. к внеклеточной жидкости или к цитоплазме (Ж4). Липидный состав двух слоев мембраны сильно различается. Гликолипиды присутствуют только во внешнем слое, как описано ниже. Холестерин (присутствующий в обоих слоях) уменьшает текучесть мембраны и ее проницаемость для полярных веществ. В двумерной жидкой фосфолипидной мембране белки составляют от 25 (миелиновая мембрана) до 75% (внутренняя митохондриальная мембрана) мембранной массы в зависимости от ее типа. Многие из них пересекают весь липидный бислой один (Ж1) или несколько раз (Ж2) (трансмембранные белки), выполняя функцию ионных каналов, белков-переносчиков, рецепторов гормонов и т. д. Белки заякорены с помощью липофильных аминокислотных остатков или прикреплены к уже заякоренным белкам. Некоторые белки могут свободно перемещаться внутри мембраны, тогда как другие, например анионный обменник эритроцитов, заякорены на цитоскелете. Клеточная поверхность в основном покрыта гликокаликсом, который состоит из углеводных остатков гликопротеинов и гликолипидов клеточной мембраны (Ж1, 4) и внеклеточного матрикса. Гликокаликс опосредует межклеточные взаимодействия (поверхностное распознавание, прикрепление клеток и т. д.). Например, компоненты гликокаликса нейтрофилов прикрепляются к эндотелиальным мембранным белкам, называемым селектинами.

Цитоскелет позволяет клетке поддерживать и изменять форму (во время клеточного деления, например), осуществлять селективное движение (миграция, движение ворсинок) и контролирует внутриклеточную транспортную активность (везикулы, митоз). Он содержит актиновые филаменты, микротрубочки и промежуточные филаменты (например, виментиновые и десминовые филаменты, нейрофиламенты, кератиновые филаменты), которые тянутся от центросомы.

Транспорт внутри клетки, из клетки и между клетками

Липидная мембрана защищает внутриклеточное пространство от внеклеточной жидкости, которая имеет абсолютно другой состав. Она необходима для создания и поддержания внутриклеточной среды путем расхода энергии, получаемой при метаболизме. Каналы (поры), переносчики, ионные насосы и процессы эндо- и эктоцитоза осуществляют трансмембранный транспорт определенных веществ. Понятие транспорта подразумевает импорт и экспорт метаболических субстратов и метаболитов, а также селективный транспорт ионов для создания или изменения потенциала клетки, который играет основную роль в возбудимости нервных и мышечных клеток. Кроме того, воздействие веществ, в большинстве случаев легко проникающих сквозь клеточную мембрану (например, воды и СО₂), может быть смягчено с помощью избирательного транспорта некоторых других веществ. Это позволяет клетке компенсировать нежелательные изменения объема или внутриклеточного pH.

Внутриклеточный транспорт

Внутриклеточное пространство разделено на различные компартменты мембранами органелл. В некоторых случаях во время транспорта необходимо преодолеть очень большие внутриклеточные пространства. Для этой цели существует целый набор специальных внутриклеточных транспортных механизмов, например:

• поры в ядерной оболочке образуют каналы для транспорта РНК из ядра и транспорта белка в ядро;

• транспорт белков из шероховатого эндоплазматического ретикулума в комплекс Гольджи;

• транспорт по аксонам в нервных волокнах, при котором преодолевается расстояние до 1 м. Эти транспортные процессы в основном происходят вдоль филаментов цитоскелета. Пример: с затратой АТФ микротрубочки направляют динеин-связывающие везикулы в одну сторону, а кинезин-связывающие - в другую.

Внутриклеточный трансмембранный транспорт

Основные участки:

• Лизосомы. Поглощение ионов Н+ из цитозоля и высвобождение метаболитов, например аминокислот, в цитозоль.

А. Транспорт Са2+ через мембрану эндоплазматического ретикулума

• Эндоплазматический ретикулум (ЭПР). Кроме белка-транслокатора ЭПР имеет два других белка, которые транспортируют Са2+ (А). Ионы

Са2+ могут откачиваться из цитозоля в ЭПР с помощью Са2+-АТФазы, называемой SERCA (от англ, sarcoplasmic endoplasmic reticulum Са2+-transporting ATPase - Са2+-транспортирующая AT-Фаза саркоплазматического эндоплазматического ретикулума). Образующиеся таким образом запасы Са2+ могут высвобождаться в цитозоль через Са2+-каналы (рианодиновые рецепторы, RyR) при активации запускающего механизма.

Б. Митохондриальный транспорт

• Митохондрии. Внешняя мембрана имеет большие поры - порины, которые делают эту мембрану проницаемой для небольших молекул (<5 кДа). Внутренняя митохондриальная мембрана содержит в большом количестве специфические ферменты и переносчики (Б). Ферментные комплексы дыхательной цепи переводят электроны (е~) с высокоэнергетического на низкоэнергетический уровень, осуществляя таким образом откачивание ионов Н+ из матрикса в межмембранное пространство (Б1), что приводит к формированию градиента ионов Н+, направленного в матрикс. Это не только обеспечивает работу АТФ-синтазы (синтез АТФ; Б2), но также способствует притоку ионов пирува-та и неорганического фосфата Фн (симпорт; Б2б). Ионы Са2+, которые регулируют Са2+-зависимые митохондриальные ферменты в мышечной ткани, могут закачиваться в пространство матрикса с затратой АТФ (Б2); таким образом в митохондриях образуется что-то наподобие буферного кальциевого пространства, чтобы защититься от опасно высокой концентрации Са2+ в цитозоле. Отрицательный потенциал на внутренней мембране (вызванный высвобождением Н+) стимулирует поглощение АДФ3- в обмен на АТФ4- (потенциалзависимый транспорт; Б2а).

Транспорт между соседними клетками

В. Щелевой контакт

Транспорт между соседними клетками организма осуществляется либо путем диффузии через внеклеточное пространство (например, паракринные гормональные эффекты), либо через каналоподобные соединяющие структуры (коннексоны), локализованные внутри так называемого щелевого контакта (нексуса) (В). Коннексон - это цилиндр, образованный шестью молекулами коннексина (В2). Один коннексон соединяется с другим, расположенным на поверхности близлежащей клетки, таким образом формируя один общий канал, через который могут проходить вещества с молекулярной массой до 1 кДа. Так как это относится не только к таким ионам, как Са2+, но также к ряду органических соединений, например АТФ, клетки, имеющие коннексоны, объединяются в единую электрическую и метаболическую структуру (синцитий). Синцитии присутствуют в эпителии, во многих гладкомышечных тканях, в миокарде, а также в глие центральной нервной системы. Электрическое сопряжение позволяет проводить возбуждение, например, от возбужденных мышечных клеток к соседним мышечным клеткам, делая возможным распространение волны возбуждения на большие участки органа, например желудка, кишечника, желчных протоков, матки, мочеточников, предсердия и желудочков сердца, но не скелетной мускулатуры. Некоторые нейроны сетчатки и ЦНС тоже контактируют таким способом (электрические синапсы). Щелевые контакты в глие и в эпителии помогают распределять напряжение, которое создается в ходе транспортной и барьерной активности (см. ниже), по всей совокупности клеток. Однако коннексоны способны закрываться, если слишком быстро возрастает концентрация Са2+ (в экстремальном случае, например, вследствие образования отверстия в клеточной мембране) или Н+ (ВЗ). Другими словами, если необходимо сохранить функцию всего клеточного сообщества, отдельная (дефектная) клетка остается одна со своими проблемами.

Г. Апикальный функциональный комплекс

Транспорт через клеточные слои

У одноклеточных организмов мембрана отделяет внешнюю среду от внутренней. В многоклеточном организме с более крупными компартментами эту функцию выполняют клеточные слои. Эпителий кожи, желудочно-кишечного тракта, мочеполовой и дыхательной систем, эндотелий кровеносных сосудов и нейроглия - вот примеры такого типа пространственного барьера. Они отделяют непосредственно внеклеточную среду от других сред совсем другого состава, например заполненных воздухом (кожа, эпителий бронхов), содержимым пищеварительного тракта, мочой или желчью (протоки, мочевой пузырь, желчный пузырь), водянистой влагой глаза, кровью (эндотелий) и спинномозговой жидкостью (барьер проницаемости между кровью и спинномозговой жидкостью), и от внеклеточного пространства ЦНС (гематоэнцефалитический барьер). Тем не менее некоторые вещества должны иметь возможность пересекать эти клеточные слои. Следовательно, требуется селективный механизм межклеточного транспорта, способный осуществлять импорт веществ в клетку и их последующий экспорт из клетки. В отличие от клеток с абсолютно однородной плазматической мембраной (например, клеток крови) клетки эпителия и эндотелия являются полярными клетками, что следует из их строения и транспортной функции. Так, апикальная мембрана (ориентированная к внешней среде) эпителиальных клеток имеет набор транспортных белков, отличный от базолатеральной мембраны (обращенной к кровотоку). Плотные контакты (описанные ниже), у которых внешние фосфолипидные слои мембран накладываются, предотвращают латеральное перемешивание двух мембран (Г2).

В то время как апикальная и базолатеральная мембраны осуществляют транспорт через клетку, парацеллюлярный транспорт протекает в пространстве между клетками. Некоторые эпителии (например, тонкого кишечника и проксимальных почечных канальцев] сравнительно легко проницаемы для небольших молекул (которые проходят сквозь них, «протекают»), тогда как другие менее проницаемы (например, дистальный нефрон, толстая кишка). Степень проницаемости зависит от силы плотных контактов (zonulae occludentes - закрытая зона), удерживающих клетки вместе, и белков некоторых типов, включая оккпюдины, белки адгезии (JAM - junction adhesion molecule), клаудины. На данный момент известно 16 клаудинов, определяющих специфическую проницаемость: например интактный клаудин-16 необходим для трансклеточной реабсорбции Мg2+ в петле Генле почечных канальцев. Парацеллюлярный транспорт и протяженность зоны проницаемости (катион- или анион-специфичной) - это важные функциональные характеристики различных эпителиев. Макромолекулы могут пересекать барьер, формируемый эндотелием стенок сосудов, при помощи трансцитоза, хотя парацеллюлярный транспорт также играет существенную роль, особенно в случае фенестрированного (ячеистого) эндотелия. Отрицательно заряженные макромолекулы, например альбумин, который должен оставаться в кровотоке, так как он стабилизирует коллоиды и поддерживает осмотическое давление, задерживаются зарядом на стенках межклеточного пространства и в некоторых случаях в ячейках эндотелия.

Транспорт на большие расстояния между различными органами, а также между организмом и внешней средой необходим для жизнедеятельности. Наиболее важный механизм, осуществляющий транспорт на большие расстояния, - конвекция.

Пассивный транспорт

Диффузия Диффузия I это перенос вещества вследствие беспорядочного теплового движения молекул или ионов по всем направлениям (броуновского движения) (Д1). Направленная чистая диффузия, или транспорт, подчиняется законам диффузии и может происходить только в том случае, если концентрация растворенного вещества в начальной точке выше, чем в конечной. (Примечание. Ненаправленный перенос происходит и в отсутствие градиента концентрации, т. е. при равновесии; при этом селективный транспорт невозможен, потому что потоки в обоих направлениях равны.) Движущей силой диффузии, следовательно, является градиент концентрации. Таким образом, в результате диффузии концентрации выравниваются; это пассивный транспорт, для него необходима движущая сила (транспорт по градиенту).

Пример. Если газ О₂ «наслоить» на поверхность воды, кислород быстро диффундирует в воду по изначально высокому градиенту давления газа (А2). В результате парциальное давление О₂ (PО₂) повышается, и О₂ может диффундировать далее в следующий (обедненный кислородом) слой воды (А1). (Примечание. В случае газов роль концентрации выполняет парциальное давление.) Однако градиент dPО₂/dx (крутизна профиля PО₂) уменьшается (экспоненциально) в каждом следующем слое, расположенном на расстоянии х от источника О₂ (АЗ) (крутизна профиля показывает убывание так называемой скорости диффузии (= количество диффундирующего вещества за единицу времени)). Следовательно, в организме диффузия возможна только на короткие расстояния. В жидкостях диффузия медленнее, чем в газах.

А. Диффузия в гомогенной среде

Скорость диффузии, Jdiff (моль • с^-1), есть количество вещества, диффундирующее в единицу времени. Она пропорциональна площади поверхности А, доступной для диффузии, и абсолютной температуре Ги обратно пропорциональна вязкости г\ растворителя и радиусу г диффундирующих частиц.

Согласно уравнению Стокса-Эйнштейна, коэффициент диффузии D зависит от Т, n и r.

D=R*T/NA*6π*r*n (м2c^-1)где R= 8,3144 Дж • К^-1 • моль^-1 - универсальная газовая постоянная, число Авогадро NA = 6,022 * 1023 моль^-1 .

Согласно первому закону диффузии Фика (Адольф Фик, 1855), скорость диффузии выражается как

Jdiff = А • D • (dC/dx) [моль • с^-1], [1.2]

где С - молярная концентрация, х- расстояние, на которое происходит перенос вещества.

Поскольку движущая сила, т. е. градиент концентрации dС/dx, уменьшается с расстоянием, время диффузии экспоненциально увеличивается с расстоянием (t - х²). Например, если молекула проходит первый мкм за 0,5 мс, то потребуется 5 с, чтобы пройти 100 мкм, и целых 14 ч, чтобы пройти 1 см.

Возвращаясь к примеру (А2), если парциальное давление диффузии свободного О₂ над слоем воды поддерживается на постоянном уровне, то PО₂ в воде и расположенном над ней слое газа в конце концов выравнивается, и направленная диффузия прекращается (достигается диффузное равновесие). В организме этот процесс происходит, например, когда О₂ диффундирует из альвеол легких в кровоток, а СО₂ - в противоположном направлении.

Б. Диффузия через пористую мембрану

Давайте представим два разных раствора а и b (Б1), содержащих различные концентрации (Са > Сb) растворенного вещества молекулярной (неионной) природы. Мембрана, разделяющая растворы, имеет поры длиной Ах и с поперечным сечением А. Поскольку поры проницаемы для молекул растворенного вещества, молекулы диффундируют из а в b и градиент концентрации Са - Сь - АС. Если мы учитываем только растворы а и b (игнорируя градиент dC/dx внутри поры, для упрощения картины как показано на рис. Б2), то первый закон диффузии Фика (уравнение 1.2) можно записать следующим образом:

Jdiff= А * D *ΔC/Δx [моль • с^-1]. [1.3]

Другими словами, скорость диффузии увеличивается с увеличением A, D и ΔС и уменьшается с увеличением толщины мембраны (Δх).

В. Диффузия через липидную мембрану

Когда диффузия идет через липидную мембрану клетки, надо принимать во внимание, что гидрофильные компоненты плохорастворимы в мембране (сравните внутримембранный градиент на рис. В1 и В2) и, соответственно, им сложно преодолеть мембрану путем «простой»диффузии. Коэффициент распределения вода/масло Ш является мерой растворимости вещества в липидной фазе (В).

Чем выше коэффициент распределения к, тем быстрее вещество диффундирует сквозь однородный фосфолипидный бислой. Учтем к в уравнении 1.3:

Jdiff= k * А* D*ΔC/Δx [моль * с^-1]. [1.4]

При постоянном к (сравните диэтилмалонамид и этилмочевину на рис. Г) величину D по-прежнему определяет в основном радиус молекулы r (уравнение 1.1), но при одном и том же радиусе r к может отличаться на порядки (сравните мочевину и этанол на рис. Г) и, таким образом, оказывает решающее влияние на проницаемость мембраны для данного вещества.

Г. Проницаемость липидных мембран и Д. Облегченная диффузия

Поскольку в организме значения к, D и Δх обычно не могут быть определены, они учитываются в виде коэффициента проницаемости Р, где

P = k * D / Δx[ мc1].

Если скорость диффузии Jdiff [моль * с^-1] разделить на площадь поверхности А, то после преобразования уравнения получаем

Jdiff = P • ΔC [моль . м^-2 . с^-1]

Количество диффундировавшего вещества на единицу площади в единицу времени (чистый выход], таким образом, пропорционально ΔС и Р(Д, синяя прямая с наклоном Р).

При рассмотрении диффузии газов ΔС в уравнении 1.4 заменяется на а • АР (коэффициент растворимости, умноженный на разность парциальных давлений), a Jdiff[моль • с^-1] - на Kdiff [м3 • с^-1]. Произведение к • а • С называется диффузной проводимостью, или коэффициентом диффузии Крота К [м2 • с^-1 • Па^-1]. Подстановка в уравнение первого закона Фика дает уравнение

Vdiff/A = K *ΔP/Δx [м*с^-1]

Поскольку А и Δх альвеолярного газообмена не могут быть определены в живом организме, к • P/Δх для кислорода часто выражается как диффузная емкость легких D1 для О₂:

VО₂diff = D1 * ΔPО₂ м3с^-1

Неионная диффузия происходит, когда недиссоциированные молекулы слабого основания (например, для аммония это NH3) или кислоты (например, муравьиной НСООН) проходят сквозь мембрану быстрее, чем ионы (Е). В этом случае мембрана более проницаема для NH3, чем для NН4+. Поскольку pH среды определяет, будет ли это вещество диссоциировать или нет (величина рК), диффузия слабых кислот и оснований строго зависит от pH.

Предыдущее уравнение было выведено в приближении отсутствия диффузии частиц с электрическим зарядом (ионов). В случае ионов следует учитывать разность электрического потенциала на клеточной мембране. Разность потенциалов может быть дополнительной движущей силой диффузии (электродиффузия). В этом случае положительно заряженные ионы (катионы) будут перемещаться к отрицательно заряженной стороне мембраны, а отрицательно заряженные ионы (анионы) - к положительно заряженной стороне. Условием для такого транспорта является, конечно, наличие в мембране ионных каналов, которые делают мембрану проницаемой для ионов. И наоборот, каждый ион, диффундирующий по градиенту концентрации, несет заряд, который создает электрический потенциал диффузии.

Е. Неионная диффузия и Ж. Пассивный транспорт, опосредованный переносчиками

Поскольку ионы несут электрический заряд, коэффициент проницаемости для иона х (РХ) можно заменить на электрическую проводимость мембраны по этому иону, gx,:

gx = (Px * zx2 * F2)/ (R*T) * cx [См * м-2],

где F- константа Фарадея (9,65 • 104 А • с • моль^-1), zx -заряд иона, сх - активность иона в мембране.

с = (C1-C2)/(InC1-InC2)

индексы 1 и 2 относятся к разным сторонам мембраны. В отличие от Р проводимость g зависит от концентрации. Если, например, концентрация К+ вне клетки возрастает с 4 до 8 ммоль/кг Н₂О (концентрация в цитоплазме остается постоянной, 160 ммоль/кг H₂O), то возрастет ионная активность (с), а электрическая проводимость мембраны по этому иону (g) увеличится на 20%.

Поскольку большинство биологически активных веществ настолько полярны или гидрофильны (малые к), простая диффузия этих веществ через мембрану происходила бы очень медленно. Кроме ионных каналов существуют другие транспортные белки, называемые переносчиками, или транспортерами. Переносчики связываются с нужной молекулой (например, глюкозой) на одной стороне мембраны и высвобождают ее на другой стороне (что сопровождается изменениями конформации молекулы] (Ж). Как и при простой диффузии, для такого опосредованного переносчиком транспорта (пассивного транспорта) необходим градиент концентрации. Примером пассивного транспорта может служить транспорт глюкозы, опосредованный «облегченными» транспортерами GLUT. Такой тип «облегченной диффузии» подвержен насыщению (с выходом на плато) и доступен для веществ со сходной структурой, которые конкурентно ингибируют друг друга. В остальном переносчики как активного, так и пассивного транспорта похожи.

Осмос, фильтрация и конвекция

Водный, или объемный, поток (Jy) через мембрану или клеточный слой в живом организме обусловлен осмосом (диффузией воды) или фильтрацией. Если клеточная мембрана водопроницаема, то разница осмотического и гидростатического давления (Δл или ΔР) по обе стороны мембраны может создавать потоки через нее.

А. Осмос (диффузия воды)

Осмотический поток пропорционален произведению гидравлической проводимости (Kf) на разность осмотического давления (Δл) (А):

Jy = Kf * Δл. [1.111

Разность осмотического давления (Ал) может быть вычислена по закону Ван-Гоффа, модифицированному Ставерманом:

Δл = а * R • Т * ΔCosm, [1.12]

где a - коэффициент отталкивания частиц (см. ниже), R- универсальная газовая постоянная (с. 26), Т- абсолютная температура, a ΔCosm [a моль • (кг Н₂О)-1] -разность между наименьшей и наибольшей концентрацией частиц (Caosm- Cbosm) (А). Поскольку движущая сила осмоса ACosm является отрицательной величиной, Jy- также отрицательная величина. Вода, таким образом, течет против градиента концентрации растворенного вещества. Другими словами, более высокая концентрация Cbosm «оттягивает» воду. Если говорить о концентрации воды при осмосе (рис. А) СН₂о, она больше, чем Ch2O. И тогда разность Ch2q-СН₂о создает движущую силу диффузии Н₂0 (А). Осмос невозможен до тех пор, пока коэффициент отталкивания частиц превышает 0 (а > 0), т. е. пока мембрана более проницаема для воды, чем для растворенного вещества.

Аквапорины (AQP) - это каналы, которые осуществляют транспорт воды во многих клеточных мембранах. Главная клетка в собирательной трубочке почки имеет около 107 водных каналов, содержащих AQP2 (регуляторные аквапорины) со стороны просвета мембраны, а также AQP3 и AQP4 (конститутивные) в базолатеральной мембране. Проницаемость для воды эпителия почечной собирательной трубочки (А, справа) контролируется с помощью встраивания и удаления аквапорина AQP2, который хранится в мембране внутриклеточных везикул. В присутствии антидиуретического гормона АДГ (V2-рецепторы, цАМФ) водные каналы встраиваются в мембрану со стороны просвета в течение нескольких минут, таким образом увеличивая проницаемость мембраны для воды примерно до 1,5 • 10-17 л • с^-1 на один канал.

При фильтрации (Б)

Б. Фильтрация

Jv=Kf (ΔР-Δл) = Kf Peff. [1.13]

Фильтрация происходит преимущественно через стенки капилляров, которые пропускают небольшие ионы и молекулы (а = 0; см. ниже), но не пропускают белки плазмы крови (Б, молекула X). Различие в концентрации создает разность осмотического давления Ал, действующую противоположно АР. Таким образом, фильтрация может происходить, только если ΔР > Δл (Б).

Пропуск растворителя происходит только вместе с растворенными частицами, которые несет поток воды при осмосе или фильтрации. Для растворенного вещества X количество пропускаемого растворителя [Jy) зависит в основном от осмотического потока (Jv) и средней активности растворенного вещества а^ (с. 388) на участке проницаемости, а также от степени отталкивания частиц от мембраны, что описывается коэффициентом отталкивания (о). Количество пропускаемого растворителя для растворенного вещества X (Jy) определяется по уравнению

Jy = Jy * (1 - a) • ах [моль • с^-1]. [1.14]

Более крупные молекулы, например белки, отталкиваются полностью, и о = 1 (Б, молекула X). Отталкивание небольших молекул ниже, и а < 1. Например, для мочевины, проходящей через стенку проксимального канальца, a — 0,68. Величина (1 - о) называется коэффициентом просеивания.

В. Связывание белков плазмы

Связывание с белками плазмы - процесс присоединения низкомолекулярных веществ к белкам (В). Оно препятствует свободному проникновению этих веществ через эндотелий или почечные клубочки. При эффективной фильтрации в почечных клубочках 20% свободно фильтруемого вещества выводятся. Однако, если 9/10 этого количества вещества связано с белками плазмы, то только 2% будет отфильтровано в ходе каждого почечного цикла.

Конвекция осуществляет транспорт растворенных веществ на большие дистанции, например, при циркуляции в мочевыделительной системе. Растворенное вещество при этом движется в потоке, как деревянная щепка в реке. Количество растворенного вещества, транспортируемого в единицу времени (Jconv), есть произведение объемного потока Jy [м3 • с^-1] на концентрацию растворенного вещества С [моль • м^-3]:

Jconv = Jy' 0 [моль ’с^-1]. [1.15]

Перемещение газов в дыхательном тракте, перенос тепловой энергии кровью и их высвобождение с нагретым воздухом также происходят путем конвекции.

Активный транспорт

A. Na+, К+-АТфаза

Активный транспорт происходит во многих частях организма, при этом растворенные вещества транспортируются против градиента концентрации (восходящий транспорт) и/или для ионов - против электрического потенциал. В целом активный транспорт происходит против электрохимического градиента растворенного вещества. Поскольку механизмы пассивного транспорта представляют собой транспорт по градиенту (нисходящий транспорт), они не подходят для данной задачи. Активный транспорт требует расхода энергии. Большая часть химической энергии, получаемой с пищей, используется для активного транспорта, как только эта энергия становится доступной в форме АТФ. Энергия, полученная в результате гидролиза АТФ, используется для транспорта многочисленных ионов, полезных продуктов и отходов обмена веществ. В соответствии с законами термодинамики энергия, расходуемая в этих реакциях, поддерживает порядок в клетках и органеллах, что является условием для выживания и нормальной работы клеток, а следовательно, и всего организма.

При первичном активном транспорте энергия гидролиза АТФ направляется через ионные насосы прямо для ионного транспорта. Эти ионные насосы называются АТФазами. Они устанавливают электрохимический градиент довольно медленно, например, скорость «работы» Na+-К+-АТФазы примерно 1 мкмоль • с^-1 • м-2 мембранной поверхности. Градиент может быть использован для образования быстрых (пассивных) ионных токов в противоположном направлении после увеличения проницаемости ионных каналов. Например, при потенциале действия ионы Na+ могут поступать в нервную клетку со скоростью до 1000 мкмоль • с^-1 • м^-2.

АТФазы повсеместно присутствуют в клеточных мембранах (Na+-К+-АТФазы), в эндоплазматическом ретикулуме и плазматической мембране (Са2+-АТФа-за), в собирательных трубочках почек, железистом эпителии желудка (Н+-К+-АТФазы) и в лизосомах (Н+-АТФазы). Они транспортируют Na+, К+, Са2+ и Н+ соответственно по первичному активному механизму. Все АТФазы, кроме Н+-АТФазы, состоят из двух а-субъединиц и двух бета-субъединиц (АТФазы P-типа). а-Субъединица фосфорилируется и формирует ионный транспортный канал (А).

Nа+-К+-АТФаза отвечает за сохранение гомеостаза внутриклеточного Na+ и К+ и, таким образом, за поддержание клеточного мембранного потенциала.

Во время каждого транспортного цикла (А1, А2) 3 иона Na+ выкачиваются и 2 иона К+ закачиваются в клетку, при этом на фосфорилирование белка-переносчика затрачивается 1 молекула АТФ (А2б). Фосфорилирование сначала меняет конформацию белка, а вслед за этим влияет на аффинность Na+ и К+-связывающих центров. Конформационное изменение - в этом суть ионного транспорта, так как в ходе конформационных изменений центры связывания ионов перемещаются на противоположную сторону мембраны (А2б-г). Дефосфорилирование возвращает насос в его начальное состояние (А2д—е). Активность Na+-К+-насоса возрастает, когда возрастает концентрация Na+ в цитозоле, например, вследствие увеличения притока Na+ извне, или когда возрастает внеклеточная концентрация К+. Таким образом, Na+-K+-активируемая АТФаза -это более полное название натрий-калиевого насоса. Na+-К+-АТФаза ингибируется уабаином и сердечными гликозидами.

Вторичный активный транспорт имеет место, когда восходящий транспорт вещества (например, глюкозы) с помощью белка-переносчика (например, переносчика глюкозида натрия второго типа, SGLT2) совмещается с пассивным (нисходящим) транспортом иона (в данном примере, Na+; Б1). В этом случае электрохимический градиент Na+, созданный Na+-К+-АТФазой на другой стороне клеточной мембраны (А), обеспечивает движущую силу, необходимую для вторичного активного поглощения глюкозы клеткой. Совместный транспорт через мембрану двух компонентов называется котранспортом, он осуществляется в форме симпорта или антипорта. Симпорт происходит, когда два вещества (вещество и движущий ион) транспортируются через мембрану в одном и том же направлении (Б1-3). Антипорт -когда они транспортируются в противоположных направлениях. Например, электрохимический градиент Na+ стимулирует транспорт Н+ в противоположном направлении за счет вторичного активного транспорта (Б4). В результате возникающий градиент Н+ может быть использован далее для третичного активного симпорта таких молекул, как пептиды (Б5) или ионы Fe.

Электроивйтральный транспорт происходит, когда суммарный электрический заряд в результате транспорта не изменяется, например при Na+-H+-антипорте (Б4) и Na+-С1~-симпорте (Б2). Небольшое разделение заряда происходит при электрогенном (реогенном) транспорте, например при Na+-глюкоза- (Б1), Na+-аминокислота°- (БЗ), 2Na+-аминокислота-, Н+-пептид°-симпорте (Б5).

Химический градиент Na+ является единственной движущей силой электронейтрального транспорта [например, Nа+/Н+-антипорта), тогда как отрицательный мембранный потенциал обеспечивает дополнительную движущую силу для реогенного котранспорта в клетку. Когда вторичный активный транспорт (например, глюкозы) сопряжен со входом в клетку не одного, а двух ионов Na+ (например, SGLT1 симпортер), движущая сила удваивается. Но помощь АТФазы требуется, если необходимое для «восходящего» транспорта соотношение концентраций в несколько десятков раз больше, например 10⁶ в случае ионов Н+ на мембране пристеночных клеток желудка. АТФ-зависимый транспорт может быть электрогенным или электронейтральным, например при участии Na+-К+-АТФазы (3Na+/2K+) или Н+-К+-АТФазы (1Н+/1К+) соответственно.

Характеристики активного транспорта:

• он может насыщаться, т. е. имеет лимитированную максимальную емкость (Jmax);

• он более или менее специфичен, т. е. молекула-переносчик будет транспортировать только некоторые химически сходные вещества, которые ингибируют транспорт друг друга (конкурентное ингибирование);

• при фиксированной концентрации транспортируются различные количества похожих веществ, т. е. каждое из них имеет разную аффинность (~1/Kм, см. ниже) к транспортной системе;

• активный транспорт ингибируется, если нарушается снабжение клетки энергией.

Все эти характеристики, за исключением последней, применимы к пассивным переносчикам, т. е. к облегченной (опосредованной унипортером) диффузии.

Б. Вторичный и третичный активный транспорт

Скорость насыщаемого транспорта (Jsat) обычно определяется в соответствии с уравнением Михаэлиса-Ментен:

Jsat = Jmax* C/(Км+С) моль * м * с^-1'

где С- концентрация исследуемого вещества, Jmax -максимальная скорость транспорта этого вещества, а Kм (константа Михаэлиса) равна концентрации этого вещества, которая соответствует в два раза меньшей величине Jmax.

Экзо- и эндоцитоз - это абсолютно другие виды активного транспорта, включающие формирование мембранно-связанных везикул с диаметром 50-400 нм. 34 Везикулы или отщепляются от плазматической мембраны (экзоцитоз), или включаются в нее при помощи впячиваний (эндоцитоз), что сопровождается расходом АТФ. При этих процессах поглощение и высвобождение клеткой макромолекул, например белков, липопротеинов, полинуклеотидов и полисахаридов, происходит с помощью специфических механизмов, похожих на те, которые участвуют во внутриклеточном транспорте.

В. Рецептор-опосредованный эндоцитоз

Эндоцитоз можно разделить на несколько типов - пиноцитоз, рецептор-опосредованный зндоцитоз и фагоцитоз. Пиноцитоз - это постоянное неспецифическое поглощение внеклеточной жидкости и молекул, растворенных в ней, сравнительно небольшими везикулами. Рецептор-зависимый зндоцитоз (В) включает селективное поглощение специфических макромолекул с помощью рецепторов. Процесс обычно начинается у маленьких углублений (ямок) на поверхности плазматической мембраны. Так как внутренность ямок часто плотно покрыта белком клатрином, они называются окаймленные ямки. Участвующие в процессе рецепторы являются интегральными мембранными белками, такими как белки-рецепторы для липопротеинов низкой плотности (ЛПИП; например, в гепатоцитах) или связанный с внутренним фактором кобаламин (например, в эпителии подвздошной кишки). Тысячи рецепторов как одного, так и разных типов, могут сосредоточиваться у окаймленных ямок (В), что приводит к значительному увеличению результативности поглощения лигандов. Эндоцитозные везикулы изначально покрыты клатрином, позднее он высвобождается. Затем везикулы преобразуются в ранние эндосомы, и большинство ассоциированных рецепторов возвращается обратно к клеточной мембране. Поглощенный везикулой лиганд или высвобождается на другой стороне мембраны (трансцитоз, см. ниже), или расщепляется лизосомами (В). Фагоцитоз - это зндоцитоз фагоцитами макрочастиц, таких как микроорганизмы и обломки клеток, и соединение их с лизосомами. Низкомолекулярные продукты расщепления - аминокислоты, сахара и нуклеотиды -транспортируются из лизосом в цитозоль, где могут быть использованы для клеточного метаболизма или секретироваться во внеклеточную жидкость. Когда некоторые гормоны, например инсулин, связываются с рецепторами на поверхности клетки-мишени, гормон-рецепторные комплексы тоже могут встраиваться в окаймленные ямки, эндоцитироваться (поглощаться) и расщепляться лизосомами. Это уменьшает плотность рецепторов, доступных для связывания с гормонами, на поверхности мембран. Другими словами, повышение притока гормонов регулирует (снижает) плотность рецепторов.

Г. Конститутивный экзоцитоз

Экзоцитоз - способ селективного экспорта макромолекул (например, ферментов поджелудочной железы) и высвобождения многих гормонов (например, гормонов задней доли гипофиза) или нейромедиаторов. Эти вещества хранятся уже в готовом виде «упакованными» в секреторные везикулы, покрытые клатрином, и ждут специального сигнала (например, увеличения концентрации Саг+ в цитозоле) для высвобождения. «Упаковочный материал» (мембраны везикул) позднее вновь эндоцитируется и рециркулируется. Слияние мембран при экзоцитозе, кроме того, помогает встраиванию связанных с везикулами белков в плазматическую мембрану. Жидкое содержимое везикулы затем автоматически опорожняется в ходе процесса, называемого конститутивным экзоцитозом (Г).

При конститутивном экзоцитозе белковый комплекс коатомер (протомер окаймленной ямки) исполняет функцию клатрина (см. выше). Внутри мембраны комплекса Гольджи, GNRP (белок, высвобождающий гуаниновый нуклеотид) фосфорилирует ГДФ фактора рибозилирования АДФ (ARF) до ГТФ (Г1), что приводит к отсоединению везикул от транс-Гольджи сети. Комплексы ARF-ГТФ затем заякориваются на мембране и связываются с коатомером (Г2), образуя везикулы, окаймленные коатомером (ГЗ). Мембраны везикул содержат v-SNARE -везикулярные белковые рецепторы, ассоциированные с синаптосомой, которые распознают t-SNARE (SNARE-мишени) в мембранах-мишенях (в плазматической мембране в данном случае). Это приводит к высвобождению ARF-ГТФ, диссоциации ARF-ГДФ и молекул коатомера и, в итоге, к слиянию мембран и экзоцитозу (Г4, Г5) во внеклеточное пространство.

Трансцитоз - это поглощение макромолекул (таких, как белки и гормоны) путем эндоцитоза на одной стороне клетки и высвобождение на противоположной стороне. Это необходимо для межклеточного транспорта макромолекул через клеточные слои, например через эндотелий.

Миграция клеток

Д. Клеточная миграция

Теоретически большинство клеток организма способны перемещаться с одного места на другое, или мигрировать (Д), но только немногие клетки это действительно делают. Сперматозоиды, вероятно, являются единственными клетками, имеющими специальный механизм для движения вперед. За счет волнообразных движений жгутика сперматозоиды могут перемещаться со скоростью до 2000 мкм/мин. Другие клетки также могут мигрировать, но с гораздо меньшей скоростью. Фибробласты, например, двигаются со скоростью примерно 1,2 мкм/мин. Если происходит повреждение тканей, фибробласты мигрируют к ране и участвуют в формировании рубца. Кроме того, миграция клеток играет роль в эмбриональном развитии. Привлеченные путем хемотаксиса, нейтрофильные гранулоциты и макрофаги могут мигрировать даже сквозь стенки сосудов, чтобы атаковать вторгшиеся бактерии. Клетки некоторых опухолей тоже могут мигрировать, или метастазировать, в различные ткани тела, тем самым распространяя свое вредное воздействие.

Клетки мигрируют путем «наползания» на устойчивую поверхность (Д1). Во время клеточной миграции происходят следующие процессы;

• задний конец клетки: (а) деполимеризация актина и тубулина в цитоскелете; (б) эндоцитоз частей клеточной мембраны, которые затем продвигаются к передней части клетки; (в) высвобождение ионов и жидкостей из клетки;

• передний конец клетки [ламеллоподии): (а) полимеризация актиновых мономеров достигается с помощью профилина (Д2). Мономеры продвигаются вперед с помощью миозина I плазматической мембраны (используя энергию АТФ); (б) вторичное включение везикул в клеточную мембрану; (в) поглощение ионов и жидкостей из внешней среды.

Части клеточной мембраны, участвующие в движении, продвигаются от фронтальной части клетки назад, подобно гусенице трактора. Поскольку клеточная мембрана прикреплена к стабильной поверхности (преимущественно к фибронектину внеклеточного матрикса, в случае фибробластов), клетка продвигается вперед относительно поверхности. Это достигается с помощью специальных рецепторов, таких как рецепторы фибронектина фибробластов.

Мембранный потенциал и ионные каналы

А. Электрохимический потенциал (Ет - Е«) и ионные токи

Электрическая разность потенциалов возникает вследствие суммарного перемещения зарядов во время ионного транспорта. Диффузионный потенциал образуется, когда ионы (например, К+) диффундируют (по направлению химического градиента.) из клетки, делая внутриклеточную среду отрицательно заряженной по отношению к внешней среде. Возрастающий диффузионный потенциал затем проводит ионы назад в клетку (потенциал-зависимый ионный транспорт). Диффузия К+ наружу из клетки продолжается до достижения равновесия. При равновесии эти две силы становятся эквивалентными и противоположно направленными. Другими словами, их сумма, или электрохимический градиент (и, таким образом, электрохимический потенциал), равна нулю, и при определенном потенциале (равновесный потенциал) дальнейшее суммарное передвижение ионов отсутствует (равновесная концентрация).

Равновесный потенциал (Ех) для любого иона X, распределенного внутри (/) и вне клетки (о), может быть вычислен с помощью уравнения Нернста:

Ex = R * T / (F * zx) * In [X]o/[X]i [B] 1.17

где R - универсальная газовая постоянная (= 8,314 Дж • К-1 • моль^-1), Т- абсолютная температура (для организма 310 К), F - константа Фарадея (F= 9,65 • 104 А • с • моль^-1), z- валентность данного иона (+1 для К+, +2 для Са2+, -1 для CI- и т. д.), In - натуральный логарифм и [X] - эффективная концентрация, или активность иона X. R • T/F - 0,0267 В-1 при нормальной температуре тела (310 К). Иногда перед тем, как вычислить равновесный потенциал, полезно преобразовать ln([X]o/[X]i) в - ln([X]i/[X]0), и перейти от вольтов (В) к милливольтам (мВ) и от натурального логарифма (In) к десятичному (lg). После подстановки в уравнение 1.17 уравнение Нернста преобразуется:

Ex = -61 * 1/zx * Ig [X]i/[X]o [мВ]. [1.18]

Пусть нас интересует ион X - ион К+, [К+],- = 140, [К+]0 = 4,5 ммоль/кг Н₂О, то равновесный потенциал Ek< = -61 • Ig31 мВ или -91 мВ. Если клеточная мембрана проницаема только для К+, то мембранный потенциал (Em) в конце концов достигнет -91 мВ и Em = Ек (А1).

Б. Регистрация тока через одиночный канал (метод пэтч-кламп)

При равновесном потенциале по иону X химический градиент будет проводить так же много ионов вида X в одном направлении, как и электрический потенциал в противоположном направлении. Электрохимический потенциал (Em- Eх), или так называемая электрохимическая движущая сила, будет равен 0, и сумма ионного притока и оттока, или суммарный ток (IХ), будет также равен 0.

Проводимость мембраны (gx) - переменная, зависимая от концентрации, обычно используется для описания проницаемости клеточной мембраны для данного иона вместо коэффициента проницаемости Р. Поскольку относится к участку мембранной поверхности, эта величина измеряется в сименсах на м2 (См = 1/0м) (уравнение 1.9). Закон Ома определяет общий ионный ток (Ix) [А • м-2] на единицу площади мембраны следующим образом:

Ix = gx* (Em - Ex) A*M-2 1.19

Следовательно, Iх > 0, если преобладающий мембранный потенциал Ет не равен равновесному потенциалу, Еx. Это происходит после сильной кратковременной активации Nа+-К+-АТФазы (электрогенной) - гиперполяризации мембраны (А2) или в результате деполяризации, когда клеточная мембрана проводит более чем один вид ионов, например и К+, и CI-, и Na+ (АЗ). Если мембрана проницаема для различных видов ионов, общая проводимость мембраны (gm) равна сумме всех параллельных проводимостей (g1+ g2 + g3 +...). Фракционная проводимость для одного типа ионов X (fx) может быть определена как

fx = gx./gm

Мембранный потенциал, Ет, может быть определен, если известны фракционные проводимости и равновесные потенциалы ионов (см. уравнение 1.18). Если нас интересуют ионы К+, CI- и Na+, то

Ет=(Ек* fk) + (ENа * fNa) + (Ecl • fcl). [1.21]

Реальные величины для нервных клеток в покое следующие: fk = 0,90, fNa = 0,03, fcl = 0,07; Ek = -90 мВ; Enа = +70 мВ; Ecl = “83 мВ. Если ввести эти значения в уравнение 1.21, мы получим Eх = = -85 мВ. Таким образом, движущая сила (электрохимический потенциал = Ет- Еx) равна +5 мВ для К+, -145 мВ для Na+ и -2 мВ для CI-. Движущая сила для входа К+, таким образом, низкая, хотя величина fk высокая. Несмотря на большую движущую силу для Na+, приток Na+ в клетку слабый, поскольку для покоящейся клетки величины gNa и fNa малы. Тем не менее токи натрия fNa могут сильно возрастать, когда большое количество Na+-каналов открывается во время потенциала действия.

Электродиффузия. Потенциал, формируемый транспортом ионов одного вида, может проводить и другие катионы или анионы через клеточную мембрану, делая ее проницаемой для них. Диффузионный потенциал К+, например, приводит к притоку Ch, и это продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто равенство Ecl = Ет. В соответствии с уравнением [1.18], это означает, что концентрация иона Ch в цитоплазме уменьшается до 1/25 его внеклеточной концентрации (пассивное распределение Ch между цитоплазмой и внеклеточной жидкостью). В примере, приведенном выше, электрохимический потенциал Cl, выводящий Cl из клетки, равен разности Ет - Ecl = -2 мВ. Это означает, что концентрация Cl в цитоплазме выше, чем при пассивном распределении Ch (Ет = Ecl). Таким образом, ионы Ch должны активно поглощаться клеткой, например, путем Na+-Сl~-симпорта -активное распределение Ch.

Для осуществления ионного транспорта мембраны имеют большое количество каналов (пор), специфичных для разных ионов (Са2+, К+, Ch, Na+ и т. д.). Проводимость клеточной мембраны определяется, таким образом, типом и числом ионных каналов, которые на данный момент открыты. Методом пэтч-кламп можно непосредственно измерить ионные токи через изолированный ионный канал (Б). Такие измерения показали, что проводимость мембраны не зависит от диаметра поры, но зависит от средней частоты открывания канала. Ионная проницаемость мембраны, таким образом, связана с вероятностью открывания данного канала. Ионные каналы открываются частыми «вспышками» (Б2). Несколько десятков тысяч ионов проходят через канал во время каждого его открывания, которое продолжается всего несколько миллисекунд.

При регистрации методом пэтч-кламп отверстие стеклянного электрода (0,3-3 мкм в диаметре) размещают на клеточной мембране таким образом, что отверстие покрывает только маленькую часть мембраны [пэтч, заплатку), содержащую только один, или малое число, ионных каналов. Сама клетка может оставаться интактной, или мембранная заплатка может быть изъята для изолированных исследований (Б1). При записи измерений от одиночного канала мембранный потенциал поддерживают на заданном уровне {фиксация потенциала). Измерения представляют (БЗ) как зависимость силы тока (/) от потенциала (И. Наклон кривой I/Vсоответствует проводимости ионного канала для этого типа ионов (см. ур. 1.18). Нулевой потенциал определяют как потенциал, при котором кривая I/V пересекает ось X (/ = 0). Вид ионов, создающий ток /, можно определить по потенциалу нулевого тока.

В примере Б нулевой потенциал равен -90 мВ.

В условиях данного эксперимента измеряют электрохимический потенциал только для К+ и Na+, но не для Ch (Б). При этих градиентах Ek = -90 мВ; ЕNа = +90 мВ. Поскольку величина Ц равна нулевому потенциалу, канал избирательно проницаем только для К+ и непроницаем для других ионов, таких как Na+. Тип канала можно определить, если добавить в систему специфический блокатор.

Регуляция ионных каналов

В. Регуляция ионных каналов

Вероятность открывания канала регулируется пятью основными факторами;

• мембранный потенциал, особенно в Са2+-, К+-и Na+-каналах в нервных и мышечных волокнах (В1);

• внешние лиганды, которые связываются с каналом (В2). Примеры: ацетилхолин постсинаптической мембраны никотиновых синапсов (катионные каналы), глутамат (катионные каналы) и глицин или ГАМК (Ch-каналы);

• внеклеточные мессенджеры (ВЗ), такие как:
  • цАМФ (например, в Са2+-каналах клеток миокарда и в Ch-каналах эпителиальных клеток),
  • цГМФ (играет роль в мускаринергических эффектах ацетилхолина и в возбуждении палочек сетчатки),
  • ИТФ (открытие Са2+-каналов внутриклеточных Са2+-депо),
  • малые G-белки (Са2+-каналы клеточной мембраны),
  • тирозинкиназы (Ch- и К+-каналы во время апоптоза),
  • Са2+ (воздействие, например, на К+-каналы и степень активации быстрых №+-каналов);

• внутриклеточные метаболиты (В4), такие как АТФ (например, в К+-каналах сердца и клеток островков Лангерганса поджелудочной железы) или ионы Н+ (например, в К+-каналах почечных эпителиальных клеток);

• натяжение мембраны (В5), прямые или косвенные влияния на Са2+-каналы волокон гладкой мускулатуры и на нормальные Ch- и К+-каналы набухающих клеток.

Роль Са2+ в клеточной регуляции

А. Роль Са2+ в клеточной регуляции

Концентрация Са2+ в цитоплазме. Внутри клетки [Са2+]|нутр. составляет от 0,1 до 0,01 мкмоль/л, что в десятки раз ниже, чем его внеклеточная концентрация: [Ca2+]внешн. «1,3 ммоль/л. Это объясняется тем, что Са2+ постоянно откачивается из цитоплазмы во внутриклеточные депо Са2+ (эндоплазматический и саркоплазматический ретикулум (с. 23А), везикулы, митохондрии и ядро) или транспортируется из клетки. Оба процесса осуществляются посредством первичного активного транспорта (Са2+-АТФазы), а в случае удаления из клетки - путем дополнительного вторичного активного транспорта через Са2+/3Nа+-антипортеры (А1).

Для увеличения концентрации Са2+ в цитоплазме Са2+-каналы проводят Са2+ из внутриклеточных депо и внеклеточного пространства в цитоплазму (А2). Частота открывания Са2+-каналов в клеточной мембране увеличивается благодаря:

Б. Колебания концентрации Са2+

• деполяризации клеточной мембраны (нервные и мышечные клетки);

• лигандам (например, G0-белков);

• внутриклеточным мессенджерам (например, ИТФ и цАМФ);

• натяжению или нагреванию клеточной мембраны. Са2+-каналы эндоплазматического и саркоплазматического ретикулума более часто открываются в ответ на такие сигналы, как увеличение концентрации [Са2+]внутр (вход внеклеточного Са2+ срабатывает как пусковой механизм), или инозитолтрифос-фат (ИТФ; А2).

В. Рецептор Са2+

Увеличение концентрации [Са2+]внутр. является пусковым сигналом для многих важных клеточных функций (А), включая сокращение миоцитов, экзоцитоз нейротрансмиттеров в пресинаптических нервных окончаниях, секрецию эндокринных и экзокринных гормонов, возбуждение некоторых сенсорных клеток, закрывание щелевых контактов в различных клетках (с. 25В), открывание других типов ионных каналов, миграцию лейкоцитов и опухолевых клеток, а также активацию тромбоцитов и мобилизацию спермы. Некоторые из этих функций опосредованы кальмодулином. Когда концентрация [Са2+]внутр возрастает, молекула кальмодулина может связывать до четырех ионов Са2+ (А2). Комплексы Са2+-кальмодулин активируют ряд различных ферментов, включая кальмодулинзависимую проте-инкиназу II типа (СаМ-киназу II) и киназу легких цепей миозина (КЛЦМ), которая участвует в сокращении гладкой мускулатуры.

Колебания концентрации [Са2+]внутр - многочисленные кратковременные регулярно происходящие увеличения концентрации [Са2+]внутр (Са2+ пики) - происходят в ответ на некоторые стимулы или гормоны (Б). Частота (но не амплитуда) колебаний [Са2+]внутр. является количественным сигналом для клеточного ответа. Когда происходят низкочастотные колебания [Са2+]внутр, активируется, например, СаМ-киназа II. Она фосфорилирует только свои белки-мишени, после чего быстро и полностью дезактивируется (Б1, БЗ). Резкие колебания [Са2+]внутр приводят к повышению уровня аутофосфорилирования и постепенно замедляют дезактивацию фермента (БЗ). В результате, активность фермента угасает между отдельными [Са2+]внутр-пиками медленнее и медленнее, и каждый дополнительный [Са2+]внутр сигнал ведет к суммарному увеличению активности фермента (Б2). Как и потенциал действия, эта порожденная изменением частоты однократная передача сигнала по типу «все или ничего» представляет собой гораздо более ясный стимул, чем амплитуда колебания концентрации [Са2+]внутр, на которую влияет много факторов.

Рецепторы Са2+. Внеклеточная концентрация Са2+, [Са2+]внешн, играет важную роль в свертывании крови, формировании костей, а также в нервном и мышечном возбуждении. [Са2+]внешн строго контролируется гормонами, такими как паратгормон, кальцитриол и кальцитонин, и представляет собой обратную связь в этой регуляторной системе. Участвующие в процессе рецепторы Са2+ являются мембранными белками, которые обнаруживают высокий уровень [Са2+]внешн. на клеточной поверхности и с помощью Gq-белка посылают вторичные внутриклеточные мессенджеры - ИТФ и ДАГ (диацилглицерин) (В1). Молекулы ИТФ вызывают увеличение [Са2+]внутр в парафолликулярных клетках (С-клетках) щитовидной железы. Это вызывает экзоцитоз кальцитонина, который снижает [Са2+]внешн (В2). С другой стороны, в паратиреоидальных клетках высокий уровень [Са2+]внешн снижает секрецию гормона, увеличивающего уровень [Са2+]внешн_. Эта активность опосредуется ДАГ и ПК-С (протеинкиназой С) и, возможно, уменьшением концентрации цАМФ в результате активации Gj-белков (ВЗ). Рецепторы Са2+ локализованы также в остеокластах, в почечном и кишечном эпителии.

Выработка энергии и метаболизм

Энергия - это способность системы выполнять работу, и энергия, и работа измеряются в джоулях (Дж).

А. Энергия активации (Еа)

Разность потенциалов (градиент потенциалов) - это так называемая «движущая сила», которая заставляет вещество выполнять работу и, в частности, перемещаться. Примером разности потенциалов и соответствующей ей работы в механике может служить выработка электроэнергии за счет потенциальной энергии воды, падающей на турбину генератора с высоты X, измеряемой в метрах (м). Электрический потенциал, измеряемый в вольтах (В), и разность молярных энергий Гиббса ΔG (Дж • моль^-1) - обе эти величины представляют собой потенциалы, отвечающие электрической и химической работе соответственно. Количество работы можно рассчитать как произведение разности потенциалов (интенсивный параметр) на соответствующий фактор емкости (экстенсивный параметр). В случае падающей воды работа равна произведению высоты падения (м) на силу тяжести, действующую на воду (Н). Или, в других терминах, произведению разности потенциалов qХ (м2 • с^-2) (интенсивный параметр, д -ускорение свободного падения) на массу падающей воды (кг) (фактор емкости). Электрическая работа равна произведению разности потенциалов (В) и перенесенного заряда (Кл); химическая работа - произведению ΔG на количество вещества (моль).

Существование живых организмов невозможно без снабжения их энергией. Растения используют солнечную энергию для превращения атмосферного СО₂ в разнообразные органические вещества и выделяют при этом кислород. Органические вещества из растений в свою очередь потребляются человеком и животными для обеспечения потребности в энергии. Данный пример показывает, как одна форма энергии может превращаться в другую. Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии) утверждает, что энергия не исчезает и не возникает. Таким образом, энергия изолированной системы (эта система не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом) при взаимопревращениях различных форм энергии остается постоянной.

Б. Доля молекул (F) с энергией > Ра

Для закрытой системы (обменивается с окружением энергией, но не веществом) изменение внутренней энергии (ΔU энергосодержания) системы, например при химической реакции, равно сумме работы, совершенной над системой (+14/) или произведенной системой (-14/), и теплоты, потерянной (-Q) или поглощенной (+Q) системой,

что можно выразить математически следующими уравнениями:

ΔU = поглощенная теплота (G) - выполненная работа [W) [Дж] [1.22]

ΔU = работа, совершенная над системой (W) - потерянная теплота (А) [Дж] [1.23]

По определению, знаки указывают направление потоков относительно рассматриваемой системы.

Теплота переносится во всех химических реакциях. Количество теплоты, произведенной при превращении данного вещества в продукт X, не зависит от пути реакции и оттого, в какой системе (закрытой или открытой, например в живом организме) протекает реакция.

В. Аэробный синтез АТФ

Изменение энтальпии (ΔН) - это количество теплоты, полученное или потерянное системой при постоянном давлении. Энтальпия связана с внутренней энергией, давлением и объемом: ΔН = ΔU + р ’ΔV. B экзотермический реакциях теплота теряется и ΔН - отрицательная величина; при эндотермических реакциях система поглощает теплоту и ΔН — положительная величина.

Второй закон термодинамики утверждает, что неупорядоченность (беспорядок), или энтропия (S), изолированной системы возрастает при любом самопроизвольном процессе, т. е. изменение энтропии ΔS > 0. Это необходимо учитывать при попытках оценить, какая часть ΔН «свободна» и может быть использована. Эта свободная энергия, или энергия Гиббса (ΔG), может быть затрачена, например, на проведение химической реакции. Количество теплоты, выделяющейся в процессе, равно произведению абсолютной температуры и изменения энтропии (T* ΔS).

Энергию Гиббса (ΔG) можно вычислить по уравнению Гиббса-Гельмгольца:

ΔG=ΔH*T*ΔS. 1.24

Величины ΔG и ΔН приблизительно равны, если ΔS близко к нулю. Таким образом, максимально возможную химическую работу глюкозы в организме можно оценить по величине АН, измеренной при сжигании глюкозы в калориметре.

Уравнение 1.24 определяет также условия, при которых возможно протекание химической реакции. Экзергонические реакции (ΔG < 0) характеризуются выделением энергии и могут протекать самопроизвольно, тогда как в эндергонических реакциях (ΔG > 0) энергия потребляется - они не могут идти самопроизвольно. Эндотермическая реакция [ΔН > 0) может быть экзергонической (ΔG < 0), если изменение энтропии ΔS столь велико, что разность [ΔН- Т• ΔS) становится отрицательной. Это происходит, например, при эндотермическом растворении кристаллической NaCI в воде.

Энергия Гиббса (ΔS) зависит от концентрации и может быть рассчитана на основании величины стандартной (т. е. соответствующей стандартным условиям) энергии Гиббса (ΔG ) и реальных концентраций участвующих в реакции веществ. Для биохимических процессов стандартные условия таковы: концентрации всех веществ 1 моль/л, pH 7, Т = 298 К, р = 101,3 кПа.

Рассмотрим реакцию

А = В + С, [1.25]

где А - исходное вещество, В и С - продукты реакции. Тогда можно написать следующее уравнение:

ΔG=ΔG° + R * T * In [B] + [C]/[A] [1.26]

или при температуре 37 °С

ΔG= ΔG° + 8,31 • 310 • 2,3 • In [B] + [C]/[A] [Дж • моль^-1] lAJ [1.27]

Пусть ΔG° реакции равна +20 кДж • моль^-1 (эндергоническая реакция); реакция будет экзергонической (ΔG < 0), если произведение концентраций [В] • [С] в 104 раз меньше, чем [А]:

ΔG= 20000 + 5925 • lg 10-4 = -3,7 кДж • моль^-1 [1.28]

В этом случае вещество А превращается в продукты В и С и реакция [1.25] протекает слева направо.

Если [В] • [С]/[А] = 4,2 • 10"4, то ΔG = 0, и в реакционной системе устанавливается равновесие (т. е. суммарная реакция отсутствует). В этом случае величина [В] • [С]/[А] = (Keq) называется константой равновесия реакции. Взаимосвязь величин ΔG° и Keq можно установить из уравнения [1.26]:

О = ΔG° + R • Т * InKeq

ΔG° = -R * T * InKeq [1.29]

Keq= е-ΔG°/RT [1.30]

И наоборот, если [В] • [С]/[А] > 4,2 • 10-4, то 46 ΔG> 0, и реакция протекает справа налево, т. е. вещества В и С превращаются в вещество А.

Таким образом, величина ΔG служит критерием направления реакции и мерой удаленности системы от равновесия. Учитывая зависимость ΔG от концентрации и предполагая, что реакция протекает в открытой системе (см. ниже), где продукты реакции непрерывно удаляются, например расходуются в последующих метаболических реакциях, можно сделать вывод, что ΔG такой реакции - отрицательное число, большее по абсолютному значению - реакция протекает, не достигая равновесия.

Величина ΔG°, представляющая разность между энергией (химическими потенциалами) продуктов Рр и исходных веществ Ре (А), ничего не говорит о скорости реакции. Реакция может быть очень медленной даже при ΔG° < 0, поскольку ее скорость зависит также от энергии переходного состояния (Ра), отвечающего данной реакции. Энергия переходного состояния Ра выше, чем энергия исходных веществ Ре (А). Количество энергии [Ра - Pe], необходимое для достижения переходного состояния, называется энергией активации [Ea]. Как правило, энергия активации настолько велика (~ 50 кДж • моль^-1), что лишь малая доля (F ~ 10-9) молекул исходного вещества может ее достигнуть (А, Б). Энергия этих отдельных («активных») молекул исходного вещества случайно оказывается выше Ре - среднего значения для всех молекул реагента. Количество активных молекул, т. е. доля (F), зависит от температуры (Б). Понижение (или повышение) температуры уменьшает (или увеличивает) долю F (и обычно скорость реакции) в 2-4 раза, т. е. температурный коэффициент реакции находится в интервале от 2 до 4.

С учетом высоких значений Еа для многих некаталитических реакций появление биологических катализаторов, т. е. ферментов, было очень важной ступенью эволюции. Ферменты чрезвычайно ускоряют реакции благодаря уменьшению энергии активации Еа (А). Согласно уравнению Аррениуса, константа скорости k(с^-1) мономолекулярной реакции изменяется экспоненциально с температурой: e-Ea/RT. Например, если фермент уменьшает Еа мономолекулярной реакции от 126 до 63 кДж • моль^-1, константа скорости при 310 К (37 °С) увеличивается в e-63000/8,31 *310)/e-126000/(8,31 • 310) раз т е в 4 • 10¹⁰ раза. Таким образом, фермент уменьшает время, необходимое для превращения 50% исходного вещества (t1/2), скажем, от 10 лет до 7 мс! Скорость прямой реакции (моль • л^-1 • с^-1) равна произведению константы скорости (с^-1) и концентрации субстрата (моль •л^-1).

Из второго закона термодинамики следует, что по мере возрастания неупорядоченности (энтропии S) изолированной системы происходит непрерыв-

ное уменьшение свободной энергии ΔG. Живой организм- это открытая система, которая, по определению, может поглощать богатые энергией питательные вещества и выделять в окружающую среду конечные продукты метаболизма. В то время как энтропия изолированной системы (организм + окружение) увеличивается в ходе необратимого процесса, открытая система (организм) может или сохранять свою энтропию, или уменьшать ее за счет свободной энергии. Это происходит, например, когда в организме возникают ионные градиенты или разность гидравлического давления. Изолированная система, таким образом, стремится к максимальной энтропии и состоянию истинного химического равновесия и может совершить работу лишь однократно. Открытая система, например живой организм, может непрерывно совершать работу, производя при этом минимум энтропии. Состояние истинного равновесия достигается в очень немногих процессах в организме, например в реакции СО₂ + Н₂О = НСО3- + Н+. В большинстве случаев (например, в метаболических процессах или процессах, связанных с ионными градиентами) достигается лишь стационарное состояние. Процессы метаболизма обычно необратимы, например, благодаря выделению конечных продуктов. Так, абсолютно невозможна обратимость процесса зародышевая клетка -взрослая особь.

В стационарном состоянии важнее скорость реакции, чем положение равновесия. Регуляция функций организма осуществляется посредством контроля за скоростями реакций. Некоторые реакции настолько медленные, что достаточной скорости невозможно достичь с помощью ферментов. Такие реакции требуют подвода энергии извне. Например, возможна «активация» исходного вещества путем присоединения высокоэнергетической фосфатной группы для повышения энергии (химического потенциала) исходных веществ Рв.

АТФ (аденозинтрифосфат) - универсальный переносчик и преобразователь энергии Гиббса. АТФ - это нуклеотид, химическую энергию которого обеспечивает метаболизм богатых энергией питательных веществ (В). Большая часть АТФ образуется в результате окисления высокоэнергетических биологических молекул, например глюкозы. Здесь окисление означает перенос электронов от электронообогащенного (восстановленного) донора, в данном случае - молекулы углевода. Конечные продукты этой реакции - СО₂ и Н₂О. В организме окисление (или перенос электронов) происходит в несколько стадий, и часть высвобождаемой энергии может одновременно затрачиваться на синтез АТФ. Это пример сопряженной реакции (В). Стандартная энергия Гиббса ΔG° гидролиза АТФ

АТФ = АДФ + Фн [1.311

составляет -30,5 кДж • моль^-1. Согласно уравнению 1.27, ΔG реакции 1.31 должна возрастать (по абсолютной величине), когда соотношение ([АДФ] + [ФН])/[АТФ] становится ниже константы равновесия Keq гидролиза АТФ. Высокая внутриклеточная концентрация АТФ вызывает изменение ΔG от -46 до -54 кДж • моль^-1, что и выполняется на практике.

Для некоторых веществ ΔG° гидролиза намного больше (по абсолютной величине), чем для АТФ; например, для креатинфосфата AG = -43 кДж • моль^-1. Эти вещества реагируют с АДФ и Фн с образованием АТФ. Энергия АТФ может быть использована для синтеза других соединений, таких как УТФ, ГТФ и глюкозо-6-фосфат. Энергосодержание в этих веществах ниже, чем в АТФ, но все же относительно высокое.

Свободная энергия, высвобождаемая при гидролизе АТФ, используется на осуществление сотен реакций в организме, включая активный трансмембранный транспорт различных веществ, синтез белка и сокращение мышц. Согласно законам термодинамики, затраты энергии во всех этих реакциях приводят к увеличению порядка в живых клетках и, следовательно, в организме в целом. Таким образом, жизнь характеризуется непрерывным уменьшением энтропии, сопровождающимся соответствующим увеличением энтропии в окружающем пространстве и, безусловно, во Вселенной в целом.

Читайте также

• Энергообеспечение мышечной деятельности
• Спортивная физиология