Часть первичных сигналов (нейромедиаторы) действует на экзорецепторы и не требует непосредственного проникновения в клетку, другая часть (инсулин, гормоны щитовидной железы ид р.) проходит в нативном состоянии внутрь клетки (интернализация) для приведения в действие цитоплазматических и ядерных морфофункциональных образований. Визуализация клеточных рецепторов на морфологическом уровне осуществляется с помощью мечения сигнальных молекул (лигандов), а также антител к рецепторам белкам. В основе многих заболеваний человека и животных существенную роль играют нарушения лиганд – рецепторно–эффекторных взаимоотношений.
Практическая работа №8
Мембранный транспорт
Цель: Изучить способы переноса веществ через клеточную мембрану.
Задание: Прочитайте статью «Мембранный транспорт», дайте определение активному и пассивному транспорту, заполните таблицу 9.
Таблица 9
Транспорты веществ в клетке
Способ
|
Направление переноса
|
Переносимые вещества
|
Затраты энергии
|
Описание способа
|
Схематический рисунок
|
|
|
|
|
|
|
Мембранный транспорт
Реализация основных механизмов регуляции в организме происходит вследствие изменения характера биофизических, биохимических и энергетических динамических процессов, которые позволяют клеткам, тканям, органам и системам органов выполнять специфические задачи и поддерживать параметры подсистемы жизнедеятельности.
Биофизические процессы в клетках обеспечивают реализацию механизмов нервной регуляции, регуляцию физико-химических показателей внутренней среды (осмотическое давление, рН), создание электрических зарядов клеток, возникновение и распространение возбуждения, выделение секретов (гормонов, ферментов и других биологически активных веществ), реализацию действия фармакологических препаратов.
Данные процессы возможны благодаря функционированию транспортной системы. С переносом веществ через мембраны также связаны процессы метаболизма клетки, в том числе биоэнергетические и многие другие.
Фармакологическое действие практически любого лекарственного препарата также обусловлено его проникновением через клеточные мембраны, а эффективность в значительной степени зависит от ее проницаемости.
Транспорт веществ внутрь и наружу клетки, а также между цитоплазмой и различными субклеточными органеллами (митохондриями, ядром и т.д.) обеспечивается мембранами. Если бы мембраны были глухим барьером, то внутриклеточное пространство оказалось бы недоступным для питательных веществ, а продукты жизнедеятельности не могли бы быть удалены из клетки. В то же время при полной проницаемости было бы невозможно накопление определенных веществ в клетке.
Транспортные свойства мембраны характеризуются полупроницаемостью: некоторые соединения могут проникать через нее, а другие — нет. Одна из главных функций мембран — регуляция переноса веществ. Существуют два способа переноса веществ через мембрану:
1. Пассивный транспорт (не связан с затратами энергии, осуществляется путем диффузии по концентрационным, электрическим или гидростатическим градиентам);
2. Активный транспорт - осуществляется против градиентов, связан с затратой энергии (преимущественно энергии гидролиза АТФ) и сопряжен с работой специализированных мембранных систем (мембранных насосов).
Кроме того, по направлению переноса различных веществ различают:
Юнипорт - вещество транспортируется через мембрану независимо от наличия и переноса других соединений;
Котранспорт - перенос одного вещества сопряжен с транспортом другого:
симпорт - однонаправленный перенос;
антипорт – противоположно направленный перенос (Рис.23).
-
Рис.23. Проницаемость мембран для различных веществ
ПАССИВНЫЙ ТРАНСПОРТ
При пассивном переносе вода, ионы, некоторые низкомолекулярные соединения из-за разности концентраций свободно перемещаются и выравнивают концентрацию вещества внутри и вне клетки. В пассивном переносе основную роль играют такие физические процессы, как диффузия, осмос и фильтрация (Рис. 24-26).
|
|
|
Рис.24. Диффузия.
|
Рис.25. Осмос.
|
Рис.26. Фильтрация.
|
Если вещество движется через мембрану из области с высокой концентрацией в сторону низкой концентрации без затраты клеткой энергии, то такой транспорт называется пассивным, или диффузией). Различают два типа диффузии: простую и облегченную. Мембрана клетки является проницаемой для одних веществ и непроницаемой для других. Если клеточная мембрана проницаема для молекул растворенного вещества, она не препятствует диффузии.
Простая диффузия характерна для небольших нейтральных молекул (H2O, CO2, O2), а также гидрофобных низкомолекулярных органических веществ. Эти молекулы могут проходить без какого—либо взаимодействия с мембранными белками через поры или каналы мембраны до тех пор, пока будет сохраняться градиент концентрации.
Облегченная диффузия. Характерна для гидрофильных молекул, которые переносятся через мембрану также по градиенту концентрации, но с помощью специальных мембранных белков — переносчиков. Для облегченной диффузии, в отличие от простой, характерна высокая избирательность, так как белок переносчик имеет центр связывания комплементарный транспортируемому веществу, и перенос сопровождается конформационными изменениями белка.
Один из возможных механизмов облегченной диффузии может быть следующим: транспортный белок (транслоказа) связывает вещество, затем сближается с противоположной стороной мембраны, освобождает это вещество, принимает исходную конформацию и вновь готов выполнять транспортную функцию. Мало известно о том, как осуществляется передвижение самого белка. Другой возможный механизм переноса предполагает участие нескольких белков—переносчиков. В этом случае первоначально связанное соединение само переходит от одного белка к другому, последовательно связываясь то с одним, то с другим белком, пока не окажется на противоположной стороне мембраны.
Что касается транспорта ионов, то он осуществляется, как правило, с помощью диффузии через специальные ионные каналы (Рис.27).
Рис.27. Основные механизмы трансмембранной передачи сигнальной информации: I - прохождение растворимой в жирах сигнальной молекулы через клеточную мембрану; II - связывание сигнальной молекулы с рецептором и активация его внутриклеточного фрагмента; III - регулирование активности ионного канала; IV - передача сигнальной информации с помощью вторичных передатчиков. 1 - лекарство; 2 - внутриклеточный рецептор; 3 - клеточный (трансмембранный) рецептор; 4 - внутриклеточное превращение (биохимическая реакция); 5 - ионный канал; 6 - поток ионов; 7 - вторичный посредник; 8 - фермент или ионный канал; 9 - вторичный посредник.
Таким образом, существует несколько механизмов транспорта веществ.
Первый механизм – растворимая в липидах сигнальная молекула проходит через клеточную мембрану и активирует внутриклеточный рецептор (например, фермент). Так действует оксид азота, ряд жирорастворимых гормонов (глюкокортикоиды, минералокортикоиды, половые гормоны и тиреоидные гормоны) и витамин D. Они стимулируют транскрипцию генов в ядре клетки и, таким образом, синтез новых белков. Механизм действия гормонов заключается в стимуляции синтеза новых белков в ядре клетки, которые длительно сохраняются в клетке в активном состоянии.
Второй механизм передачи сигнала через клеточную мембрану – это связывание с клеточными рецепторами, имеющими внеклеточный и внутриклеточный фрагменты (то есть трансмембранными рецепторами). Такие рецепторы являются посредниками на первом этапе действия инсулина и ряда других гормонов. Внеклеточная и внутриклеточная части подобных рецепторов связаны полипептидным мостиком, проходящим через клеточную мембрану. Внутриклеточный фрагмент обладает ферментативной активностью, которая повышается при связывании сигнальной молекулы с рецептором. Соответственно возрастает скорость внутриклеточных реакций, в которых участвует этот фрагмент.
Третий механизм передачи информации – действие на рецепторы, регулирующие открытие или закрытие ионных каналов. К естественным сигнальным молекулам, взаимодействующим с такими рецепторами, относятся, в частности, ацетилхолин, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), глицин, аспартат, глутамат и другие, являющиеся медиаторами различных физиологических процессов. При их взаимодействии с рецептором происходит увеличение трансмембранной проводимости для отдельных ионов, что вызывает изменение электрического потенциала клеточной мембраны. Например, ацетилхолин, взаимодействуя с Н-холинорецепторами, увеличивает вход в клетку ионов натрия и вызывает деполяризацию и мышечное сокращение. Взаимодействие гамма-аминомасляной кислоты со своим рецептором приводит к повышению поступления ионов хлора в клетки, усилению поляризации и развитию торможения (угнетения) центральной нервной системы. Этот механизм передачи сигналов отличает быстрота развития эффекта (миллисекунды).
Четвертый механизм трансмембранной передачи химического сигнала реализуется через рецепторы, активизирующие внутриклеточный вторичный передатчик. При взаимодействии с такими рецепторами процесс протекает в четыре этапа. Сигнальная молекула распознается рецептором на поверхности клеточной мембраны, в результате их взаимодействия рецептор активизирует G-белок на внутренней поверхности мембраны. Активизированный G-белок изменяет активность либо фермента, либо ионного канала. Это приводит к изменению внутриклеточной концентрации вторичного посредника, через который уже непосредственно реализуются эффекты (изменяются процессы обмена веществ и энергии). Такой механизм передачи сигнальной информации позволяет усилить передаваемый сигнал. Так если взаимодействие сигнальной молекулы (например, норадреналина) с рецептором длится несколько миллисекунд, то активность вторичного передатчика, которому рецептор передает по эстафете сигнал, сохраняется в течение десятков секунд.
Вторичные посредники – это вещества, которые образуются внутри клетки и являются важными компонентами многочисленных внутриклеточных биохимических реакций. От их концентрации во многом зависит интенсивность и результаты жизнедеятельности клетки, и функционирование всей ткани. Наиболее известными вторичными посредниками являются циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ), ионы кальция, калия и др.
Осмос – особый вид диффузии воды через полупроницаемую мембрану в область более высокой концентрации растворенного вещества. В результате такого движения внутри клетки создается значительное давление, которое называют осмотическим. Это давление может даже разрушить клетку.
Например, если эритроциты поместить в чистую воду, то под действием осмоса вода будет быстрее проникать в них, чем выходить. Такая среда называется гипотонической. По мере проникновения воды эритроцит будет набухать и “лопаться”. Другая ситуация – изотоническая среда. Если поместить эритроциты в воду, содержащую 0,87% поваренной соли, то осмотического давления не создается. Это объясняется тем, что при равной концентрации раствора внутри и снаружи клетки вода движется одинаково в обоих направлениях. Среда считается гипертонической, когда концентрация растворенных в ней веществ выше, чем в клетке. Клетка (эритроцит) в такой среде начинает терять воду, съеживается и гибнет.
Все эти особенности осмоса учитываются при введении лекарственных веществ. Как правило, лекарства, предназначенные для инъекций, приготавливаются на изотоническом растворе. Это предотвращает набухание или сморщивание клеток крови при введении лекарства. Капли в нос также готовят на изотоническом растворе, чтобы избежать набухания или обезвоживания клеток слизистой оболочки носа.
Осмосом объясняются и некоторые эффекты лекарств, например, слабительное действие английской соли (магния сульфат) и других солевых слабительных. В просвете кишечника они образуют гипертоническую среду. Вода под влиянием осмоса выходит из клеток кишечного эпителия, межклеточного пространства и крови в просвет кишечника, растягивает стенки кишечника, разжижает его содержимое и ускоряет опорожнение.
Фильтрация – движение молекул воды и растворенных в ней веществ через клеточную мембрану в направлении, противоположном действию осмотического давления.
Этот процесс становится возможным, если раствор в клетке находится под давлением, которое выше осмотического. Так, например, сердце нагнетает кровь в сосуды под определенным давлением. В тончайших капиллярах это давление возрастает и становится достаточным, чтобы заставить воду и растворенные в крови вещества выйти из капилляров в межклеточное пространство. Образуется так называемая тканевая жидкость, она играет большую роль в доставке питательных веществ в клетки и удалении из них конечных продуктов обмена веществ. После выполнения своих функций тканевая жидкость в виде лимфы возвращается в кровяное русло по лимфатическим сосудам.
Фильтрация играет важную роль и в функционировании почек. В капиллярах почек кровь находится под большим давлением, что вызывает фильтрацию воды и растворенных в ней веществ из кровеносных сосудов в тончайшие почечные канальцы. Затем часть воды и необходимые организму вещества снова всасываются и поступают в общий кровоток, а оставшаяся часть образует мочу и выводится из организма.
АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ
Активный транспорт имеет место в том случае, когда перенос осуществляется против градиента концентрации. Такой перенос требует затраты энергии клеткой. Активный транспорт служит для накопления веществ внутри клетки.
При этом их внутриклеточная концентрация выше, чем внеклеточная. Источником энергии часто является АТФ. Для активного транспорта кроме источника энергии необходимо участие мембранных белков. Одна из активных транспортных систем в клетке животных отвечает за перенос ионов Na+ и K+ через клеточную мембрану. Эта система называется Na+ — K+ — насос. Она отвечает за поддержание состава внутриклеточной среды, в которой концентрация К+ выше, чем Na+ (Рис.28).
|
Рис.28. Механизм активного транспорта
|
Градиент концентрации калия и натрия поддерживается путем переноса К+ внутрь клетки, а Na+ наружу. Оба транспорта происходят против градиента концентрации. Такое распределение ионов определяет содержание воды в клетках, возбудимость нервных клеток и клеток мышц и другие свойства нормальных клеток. Na+ ,K+ —насос представляет собой белок — транспортную АТФ—азу. Молекула этого фермента является олигомером и пронизывает мембрану. За полный цикл работы насоса из клетки в межклеточное вещество переносится три иона Na+, а в обратном направлении — два иона К+. При этом используется энергия молекулы АТР. Существуют транспортные системы для переноса ионов кальция (Са2+ — АТФ—азы), протонные насосы (Н+ — АТФ—азы) и др. Симпорт это активный перенос вещества через мембрану, осуществляемый за счет энергии градиента концентрации другого вещества. Транспортная АТФ—аза в этом случае имеет центры связывания для обоих веществ. Антипорт — это перемещение вещества против градиента своей концентрации. При этом другое вещество движется в противоположном направлении по градиенту своей концентрации. Симпорт и антипорт могут происходить при всасывании аминокислот из кишечника и реабсорбции глюкозы из первичной мочи. При этом используется энергия градиента концентрации ионов Na+, создаваемого Na+, K+—АТФ—азой.
Эндоцитоз. Многие крупные молекулы (например, биополимеры), которые не могут пройти через клеточную мембрану ни пассивным, ни активным способом, попадают в клетку путем эндоцитоза (Рис.29).
Эндоцитоз подразделяется на фагоцитоз (поглощение крупных частиц – бактерий, фрагментов других клеток) и пиноцитоз (захват макромолекулярных соединений). Буквально слово “пиноцитоз” означает “питье клетки”. Сначала биополимер оседает на поверхности клеточной мембраны, а потом втягивается внутрь клетки с образованием пузырька, содержащего эту молекулу. Затем пузырьки отделяются от внутренней поверхности клеточной мембраны и перемещаются вглубь клетки, где поглощаются лизосомами или получают от них ферменты. Под действием ферментов биополимер расщепляется до более простых соединений.
А Б В
Рис.29. Эндоцитоз: А - фагоцитоз; Б - пиноцитоз; В - эндоцитоз, опосредованный рецепторами.
Сначала биополимер оседает на поверхности клеточной мембраны, а потом втягивается внутрь клетки с образованием пузырька, содержащего эту молекулу. Затем пузырьки отделяются от внутренней поверхности клеточной мембраны и перемещаются вглубь клетки, где поглощаются лизосомами или получают от них ферменты. Под действием ферментов биополимер расщепляется до более простых соединений.
Эндоцитоз, опосредованный рецепторами. Поглощаемый субстрат предварительно специфически связывается с поверхностными рецепторами плазмолеммы.
Аналогичным образом, только в обратном порядке, осуществляется экзоцитоз – выделение продуктов (полисахаридов, белков и других веществ), синтезируемых клеткой, во внешнюю среду (Рис.30).
Различают: секрецию, экскрецию и рекрецию. Секреция — это процесс выделения химических соединений из клетки. В отличие от собственно выделения, при секреции у вещества может быть определённая функция (оно может не быть отходами жизнедеятельности). Экскреция — процесс освобождения организма от конечных продуктов метаболизма — экскрементов. Рекреция — это перенос твёрдых частиц через клетку: включает фагоцитоз и экскрецию.
А Б В
Рис.30. Экзоцитоз: А- секреция; Б- экскреция; В- рекреция.
|
