Тема 5 Структурно-функциональная характеристика клеточной мембраны Клеточная мембрана – нейролемма

жүктеу/скачать 74 Kb.

Дата	25.06.2016
өлшемі	74 Kb.
	#158265

Тема 5

Структурно-функциональная характеристика клеточной мембраны
Клеточная мембрана – нейролемма – представляет собой тонкую (6 нм) липопротеиновую пластинку, содержание липидов в которой составляет около 40%, белков – около 60%. Изнутри нейролемма выстлана тонким, более плотным слоем гиалоплазмы. На внешней поверхности мембраны имеется небольшое количество углеводов, молекулы которых соединены либо с белками (гликопротеиды), либо с липидами (гликолипиды) и образуют гликокаликс. Углеводы участвуют в процессах рецепции биологически активных веществ, реакциях иммунитета.

Структурную основу клеточной мембраны - матрикс – составляет бимолекулярный слой фосфолипидов, являющихся барьером для заряженных частиц и молекул водорастворимых веществ. Липиды обеспечивают высокое электрическое сопротивление мембраны.

Молекулы фосфолипидов мембраны состоят из двух частей: одна из них несет заряд и гидрофильна, другая – не заряжена и гидрофобна. Это определяет способность липидов самопроизвольно образовывать двухслойные мембранные структуры под влиянием собственных зарядов. Заряженные гидрофильные участки одних молекул фосфолипидов направлены внутрь, а других – наружу. В толще мембраны молекулы фосфолипидов взаимодействуют незаряженными гидрофобными участками . В липидном слое клеточных мембран находится много холестерина.

Молекулы белков встроены в фосфолипидный матрикс клеточной мембраны. Все белки нейролеммы можно разделить на а) структурные белки; б) белки-переносчики; в) ферменты; г) каналообразующие белки; д) ионные насосы; е) специфические рецепторы. Один и тот же белок может быть рецептором, ферментом и насосом. Многие мембранные белки состоят из двух частей: заряженной и незаряженной. Незаряженные участки белков погружены в липидный слой, не несущий заряда. Заряженные участки белков взаимодействуют с заряженными участками липидов, что является важным фактором, определяющим взаиморасположение структурных элементов клеточной мембраны и ее прочность. Белки, пронизывающие липидный слой, крепко связаны с молекулами фосфолипидов и носят название интегральных белков. Белки, которые располагаются на поверхности мембраны (как снаружи, так и изнутри), называются периферическими белками.

Клеточная мембрана нейрона имеет отрицательный поверхностный заряд, который создается выступающей из мембраны углеводной частью гликолипидов, фосфолипидов и гликопротеидов.

Мембрана обладает текучестью, то есть ее части могут перемещаться из одного участка на другой.

Клеточная мембрана обладает избирательной проницаемостью, то есть одни вещества пропускает, другие не пропускает. В частности нейролемма легко проницаема для жирорастворимых веществ. Анионы органических кислот не проходят через мембрану, но имеют каналы, избирательно пропускающие ионы К, Na, Са, Cl. При действии нервных импульсов проницаемость мембраны нейрона для различных ионов изменяется, это обеспечивает движение ионов согласно концентрационному и электрическому градиентам, что выражается в возникновении возбуждающих и тормозных потенциалов. Проницаемость нейролеммы под действием нервных импульсов может повышаться благодаря наличию в ней ионных управляемых каналов. Каналы образованы белковыми молекулами, встроенными в липидный матрикс. Через эти каналы могут проходить полярные молекулы.

Основные функции клеточной мембраны:

Барьерная функция - клеточная мембрана отделяет внутреннюю среду клетки от внешней, защищая, тем самым, клетку от воздействия вредных факторов и поддерживая постоянный состав клетки.
Функция восприятия изменений внутренней среды (рецепторная функция) – клеточная мембрана обладает большим набором различных рецепторов, обладающих специфической чувствительностью к различным агентам: гормонам, медиаторам, антигенам, химическим и физическим раздражителям. Рецепторы отвечают за взаимное распознавание клеток, развитие иммунитета. Рецепторами могут служить гликопротеиды и гликопептиды мембраны. Возбужденный рецептор активирует G-белок мембраны, который с помощью фермента-предшественника, расположенного на внутренней стороне мембраны, активирует вторичный посредник, реализующий эффект от раздражителя, подействовавшего на рецептор. Восприятие химических и физических раздражителей у возбудимых клеток осуществляется с помощью трансформации энергии раздражения в нервный импульс.
Функция создания электрического заряда клетки - каждая клетка имеет мембранный потенциал - разность концентрации заряженных ионов на внутренней и внешней поверхности мембраны. Благодаря наличию мембранного потенциала (МП) возбудимые клетки могут генерировать потенциал действия (возбуждение), и передавать его на другую клетку. Распространение возбуждения обеспечивает быструю связь возбудимых клеток между собой и с эффекторными клетками. МП нейрона варьирует от 60 до 80 мВ, МП клеток нейроглии равен 90 мВ.
Функция передачи сигналов от одной клетки к другой – осуществляется с помощью синапсов, образованных в области контакта нейронов друг с другом.
Транспортная функция – определяет состав веществ в клетке. Клеточная мембрана осуществляет тонкую регуляцию содержания в цитоплазме ионов и молекул. Благодаря транспорту частиц формируется состав внутриклеточной среды, наиболее благоприятной для оптимального протекания метаболических реакций. Транспорт частиц через клеточную мембрану нейрона обеспечивает: 1) поступление в клетку различных веществ, необходимых для синтеза клеточных структур и выработки энергии; 2) выделение клетками продуктов ее обмена и биологически активных веществ – нейрогормонов, нейромедиаторов; 3) создание электрических зарядов клеток, возникновение и распространение возбуждения.

Первичный транспорт веществ через клеточную мембрану. Первичный транспорт – это такой транспорт, при котором энергия расходуется непосредственно на перенос частиц. Он включает, во-первых, перенос отдельных ионов вопреки концентрационному и электрическому градиентам с помощью специальных ионных насосов, во-вторых, эндоцитоз, экзоцитоз и трансцитоз.

Транспорт веществ с помощью помп. Насосы представляют собой белковые молекулы, обладающие свойствами переносчика и АТФазной активностью. Непосредственным источником энергии является АТФ. Существуют три основных вида насосов: натрий-калиевый, кальциевый и водородный. Предполагают, что существуют еще хлорный насос. Помпы локализуются на клеточных мембранах или мембранах органелл клеток. Все насосы обладают специфичностью, то есть, способны переносить только один или два определенных иона.
- Натрий-калиевый насос (Na⁺/K⁺-АТФаза)– это интегральный белок клеточной мембраны, обладающий свойствами фермента, то есть сам переносчик обеспечивает расщепление АТФ и освобождение энергии, которую сам же и использует. Он имеется на мембранах всех клеток и создает характерный признак живого – градиент концентрации Na⁺K⁺внутри и вне клетки, который обеспечивает формирование МП и вторичный транспорт веществ. Главными активаторами насоса являются гормоны альдостерон и тироксин. Ингибирует насос недостаток энергии – кислородное голодание. Блокаторами насоса являются строфантины.
- Кальциевый насос локализуется в эндоплазматичеком ретикулуме и клеточной мембране, он обеспечивает транспорт Са⁺ в клетке. Насос строго контролирует содержание Са⁺ в клетке, поскольку изменение содержания Са⁺ нарушает ее функционирование. Насос переносит Са⁺ либо во внеклеточную среду, либо в цистерны ретикулума и митохондрии.
- Протонный насос работает в митохондриях нейрона.
- Хлорный насос работает в мембране, ретикулуме и митохондриях.

Постоянная работа помп необходима для поддержания концентрационных градиентов ионов, связанного с ними электрического заряда клетки, движения воды и незаряженных частиц в клетку и из клетки. Совокупность этих процессов обеспечивает жизнедеятельность нейрона. В результате разной проницаемости клеточной мембраны для отдельных ионов и постоянной работы ионных насосов концентрации различных ионов внутри клетки и снаружи нее неодинакова. Поскольку ионы являются заряженными частицами, то существует электрический заряд нейрона: внутри он заряжен отрицательно, то есть количество отрицательно заряженных частиц преобладает, а снаружи положительно, так как положительно заряженных частиц здесь больше. Ионы калия находятся преимущественно в клетке, а ионы натрия и хлора – во внеклеточной жидкости. Внутри клетки имеются также крупномолекулярные анионы, в основном белкового происхождения. Натрий-калиевый насос способен транспортировать еще глюкозу и аминокислоты.

Механизм работы ионных насосов заключается в следующем: Na⁺/К⁺ -насос (молекула интегрального белка) переносит за один цикл 3Na⁺ из клетки и 2К⁺ в клетку (антипорт), это осуществляется в результате конформации молекулы белка в форму Е₁ или Е₂. Молекула имеет активный участок, который связывает либо Na⁺, либо К⁺. При конформации Е¹ активная часть белковой молекулы обращена внутрь клетки и обладает сродством к Na⁺, который присоединяется к белку. Вследствие этого активируется его АТФаза, обеспечивающая гидролиз АТФ и высвобождение энергии. Последняя обеспечивает изменение конформации молекулы белка: она превращается в форму Е₂, вследствие чего ее активный участок будет обращен наружу клеточной мембраны. Теперь белок теряет сродство к Na+, который отщепляется от него, а белок-помпа приобретает сродство к К⁺ и соединяется с ним. Это снова ведет к изменению конформации белка: форма Е₂ переходит в форму Е₁. Переносчик теряет сродство к иону К⁺, который отщепляется, а белок снова меняет свою конформацию. И цикл повторяется. Насос является электронным, поскольку за один цикл выводится из клетки три иона Na⁺, а в клетку возвращаются два иона К⁺. Энергия расходуется только на перенос Na⁺. На обеспечение одного цикла работы Na⁺/К⁺ - помпы расходуется одна молекула АТФ.

Подобным же образом работают и другие насосы. Отличие только составляют ионы, которые переносятся помпой.

Микровезикулярный транспорт. К этому виду транспорта относят эндоцитох, экзоцитоз и трансцитоз. Эндоцитоз – это перенос частиц в клетку. Эндоцитоз – перенос частиц из клетки. Трансцитоз – перенос веществ через клетку, который для нейрона не характерен. С помощью этих процессов переносятся крупномолекулярные белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты.

При эндоцитозе клеточная мембрана образует впячивания внутрь клетки, куда захватываются частицы из вне. Эти впячивания, отшнуровываясь внутри клетки, образуют пузырьки. Последние сливаются с лизосомами, образуя вторичные лизосомы, где содержимое подвергается гидролизу.

Экзоцитоз – процесс обратный эндоцитозу. Экзоцитозные пузырьки образуются в аппарате Гольджи. В пузырьки упаковываются белки, образовавшиеся в рибосомах. Пузырьки транспортируются с помощью сократительного аппарата клетки к клеточной мембране, сливаются с ней и их содержимое выделяется во внешнюю среду. Энергия АТФ в обоих случаях расходуется на деятельность сократительного аппарата клетки.

Вторичный транспорт веществ через нейролемму. Вторичный транспорт – это переход различных частиц и молекул воды за счет ранее запасенной энергии (потенциальной). Потенциальная энергия создается в виде электрического и концентрационного градиентов, гидростатического давления, что обеспечивает транспорт веществ через клеточную мембрану нейрона и кровеносных сосудов. К вторичному транспорту относятся все виды диффузии – простая, облегченная и осмос.

Диффузия. Согласно законам диффузии, частицы перемещаются из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Частицы с одноименными электрическими зарядами отталкиваются, с разноименными – притягиваются друг к другу. Направление диффузии определяется взаимодействием электрического и концентрационного (химического) градиентов. Если частицы не заряжены, то направление их диффузии определяется только градиентом концентрации. Скорость диффузии зависит от проницаемости мембраны, а также от градиента концентрации незаряженных частиц, и от градиента электрического и химического для заряженных частиц. Направления действия электрического и химического градиентов могут не совпадать. Тогда переход ионов в клетку обеспечивается химическим градиентом вопреки электрическому. Совокупность химического и электрического градиентов называют электрохимическим градиентом. Различают следующие виды диффузии:

Простая диффузия осуществляется либо непосредственно через липидный бислой, либо через каналы. При этом заряженные частицы движутся согласно электрохимическому градиенту, а не заряженные – согласно химическому градиенту. А) Через липидный бислой проходят жирорастворимые частицы. Если они находятся в гидратной оболочке по одну сторону мембраны, то могут внедряться в липидную оболочку благодаря тепловому движению, но только после освобождения от оболочки. Частицы неэлектролиты обычно легко освобождаются от гидратной оболочки. С уменьшением молекулярной массы способность перехода частиц через мембрану возрастает. В) По каналам могут проходить различные частицы, причем скорость перемещения очень высока. Каналы заполнены водой, и кроме ионов через них могут проходить малые молекулы неэлектролитов и заряженные молекулы. Скорость простой диффузии определяется электрохимическим градиентом и проницаемостью мембраны для данного вещества. С течением времени скорость простой диффузии изменяется мало. С помощью простой диффузии осуществляется транспорт молекул алкоголя, кислорода, тироксина, углекислого газа, мочевины, лекарственных препаратов. Этот процесс происходит слишком медленно и плохо контролируется.
Облегченная диффузия осуществляется согласно химическому градиенту, но она обеспечивает перенос веществ, способных образовывать комплексы с молекулами-переносчиками. Переносчик – белковая молекула мембраны - свободно совершает челночные движения с одной стороны мембраны на другую, либо встраиваются в мембрану, образуя канал. Этот транспорт осуществляется очень быстро. Движущей силой является градиент транспортируемого вещества. С помощью простой диффузии через мембрану могут проходить такие простые вещества как глюкоза, а сахара и аминокислоты проходят только при образовании канала. Облегченная диффузия, в отличие от простой диффузии, не может идти постоянно, так как в данном случае возможно явление насыщения, то есть перенос замедляется или совсем прекращается, если все переносчики заняты.
Осмос – частный случай диффузии. Осмос – это движение воды через полупроницаемую мембрану в область с большей концентрацией частиц, то есть с большим осмотическим давлением. Осмотическое давление – это диффузное давление, обеспечивающее движение растворителя через полупроницаемую мембрану. Осмос продолжается до выравнивания осмотического давления по обе стороны полупроницаемой мембраны или выравнивания осмотического давления и гидростатического противодавления. При подавлении метаболизма клетки быстро набухают, так как внутри клетки осмотическое давление сохраняется повышенным. Вода поступает в клетку через водные каналы и временные поры, которые образуются между молекулами липидов и при смещении белковых молекул. Через водные каналы могут проходить малые незаряженные молекулы кислорода, углекислого газа, этанола, мочевины.

Механизмы вторичного транспорта.

I. Натриевый механизм: энергия затрачивается на создание градиента натрия. Различают два варианта данного механизма транспорта.

Вариант 1. При этом варианте направление движения транспортируемого вещества совпадает с направлением движения натрия согласно его электрохимическому градиенту (симпорт). Глюкоза соединяется с белком-переносчиком, который соединяется с Na⁺, а Na⁺, согласно концентрационному и электрическому градиентам диффундирует в клетку и несет с собой глюкозу. В клетке комплекс распадается, Na⁺ выводится помпой с непосредственной затратой энергии из клетки в интерстиций вопреки электрохимическому градиенту. Транспорт веществ с помощью натрия осуществляется согласно законам диффузии. Транспортируемое вещество при этом может поступать в клетку вопреки собственному химическому градиенту. Движущей силой является электрохимический градиент Na⁺. Вместе с Na⁺в клетку поступает глюкоза, даже если ее концентрация в клетке больше, чем в среде, и если, конечно, электрохимический градиент Na⁺ превосходит химический градиент глюкозы. С помощью этого варианта обеспечивается реабсорбция медиатора в пресинаптическую терминаль из синаптической щели, а также транспорт глюкозы.

Вариант 2. При втором варианте натриевого механизма перемещение транспортируемых частиц направлено в противоположную сторону движения Na⁺ (антипорт). С помощью этого обменного механизма регулируется содержание Са²⁺ в клетке и рН внутри клетки за счет выведения Н-иона в обмен на внеклеточный Na⁺. Хотя внутриклеточная концентрация Са²⁺ на несколько порядков ниже внеклеточной, Са2+ выводится из клетки в обмен на поступающий в нее Na+ и противоположно направленные потоки этих ионов сопряжены друг с другом. Этот процесс обеспечивается натриевого химического градиента переносчиком. Переносчик может транспортировать Са²⁺и Н⁺ вопреки их электрическим и химическим градиентам только в том случае, когда сам переносчик имеет собственный градиент: его концентрация на внешней стороне мембраны больше, чем на внутренней.

II. Транспорт веществ из кровеносных сосудов в интерстиций ЦНС осуществляется с помощью диффузии, осмоса и фильтрации, то есть перехода раствора через полупроницаемую мембрану (стенку сосуда) под действием градиента гидростатического давления между жидкостями по обе стороны мембраны. Градиент гидростатического давления создается либо деятельностью сердца, либо гладкой мускулатурой желудочно-кишечного тракта и мышечного пресса.

Ионные каналы. Ионные каналы образованы белками, они весьма разнообразны по устройству и механизму действия. Классификация ионных каналов осуществляется по нескольким признакам.

По возможности управления различают управляемые и неуправляемые каналы. Через неуправляемые каналы ионы перемещаются постоянно, но медленно. Через управляемые каналы ионы могут двигаться и быстро и медленно. Управляемые каналы имеют ворота с механизмами управления. Потенциал действия (ПД) в нейроне возникает в основном вследствие активации быстрых Na⁺ и К⁺ -каналов. Через неуправляемые каналы и быстрые управляемые каналы ионы перемещаются согласно электрохимичекому градиенту.
В зависимости от стимула, активирующего или инактивирующего управляемые ионные каналы, в нейронах ЦНС различают потенциалчувствительные и хемочувствительные каналы. Хемочувствительные каналы открываются в результате конформационных изменений рецепторного комплекса. Ворота потенциалзависимых каналов открываются и закрываются при изменении величины мембранного потенциала.
В зависимости от селективности различают ионоселективные каналы, пропускающие только один ион, и каналы, не обладающие селективностью. В нейронах имеются Na⁺, K⁺, Ca²⁺ и Cl^- -селективные каналы. Есть каналы, пропускающие несколько ионов. Такие каналы называются неселективными. Наиболее высока степень селективности у потенциалчувствительных каналов. Для одного и того же иона может существовать несколько каналов.

Наиболее важными для формирования биопотенциалов являются следующие каналы:

I. Каналы для ионов калия.

Калиевые неуправляемые каналы покоя – через них постоянно К⁺ выходит из клетки, что является главным фактором в формировании мембранного потенциала (МП) или потенциала покоя (ПП).
Потенциалчувствительные управляемые К⁺-каналы – сравнительно медленно активируются при возбуждении клетки в фазу деполяризации с последующим увеличением активации, что обеспечивает быстрый выход К⁺ из клетки и ее реполяризацию (генерация потенциала действия – ПД).

II. Каналы для ионов натрия.

Медленные неуправляемые каналы – каналы утечки, через которые Na⁺ постоянно диффундирует в клетку и переносит с собой другие молекулы, например, глюкозу, аминокислоты, молекулы-переносчики. Эти каналы участвуют в формировании МП и обеспечивают вторичный транспорт веществ.
Быстрые потенциалчувствительные Na-каналы быстро активируются при уменьшении МП, что обеспечивает вход Na⁺в клетку при возбуждении (восходящая часть потенциала действия - ПД). Затем эти каналы быстро инактивируются.

Устройство ионных каналов и их функционирование. Каналы имеют устье и селективный фильтр, а управляемые каналы – и воротный механизм. Каналы заполнены жидкостью, их размеры 0,3-0,8 нм. Селективность ионных каналов определяется их размером и наличием в канале заряженных частиц. Заряд частиц противоположен заряду иона, который они притягивают, что обеспечивает проход иона через канал. Через ионные каналы могут проходить и незаряженные частицы. Ионы, проходя через канал, должны избавиться от гидратной оболочки, иначе ее размеры будут больше размеров канала. Слишком маленький ион, проходя через селективный фильтр, не может отдать гидратную оболочку, поэтому он не способен пройти через канал.

Для управляемых каналов существуют свои особенности функционирования: во-первых, они отличаются по степени селективности – наиболее высокой степенью селективности обладают потенциалчувствительные каналы; во-вторых, у них может наблюдаться взаимное влияние друг на друга. Так, деполяризация клеточной мембраны за счет активации хемочувствительных каналов для ионов натрия обеспечивает возбуждение нейрона. В то время как активация потенциалчувствительных каналов не влияет на функцию хемочувствительных каналов нейрона.

Ионные каналы блокируются специфическими веществами и фармакологическими препаратами. Новокаин, например, блокирует Na⁺-каналы, прекращая проведение возбуждения по нервным волокнам.

жүктеу/скачать 74 Kb.

Достарыңызбен бөлісу: