Б. Эндоцитоз и экзоцитоз (микровезикулярный транспорт).

⇐ ПредыдущаяСтр 15 из 59Следующая ⇒

Это еще два первичных (первично активных), близких по механизму транспорта, посредством которых различные материалы переносятся через мембрану либо в клетку (эндоцитоз), либо из клетки (экзоцитоз). С их помощью транспортируются крупномолекулярные вещества (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты), которые не могут транспортироваться по каналам или с помощью насосов.

1. При эндоцитозе клеточная мембрана образует впячивания, или выросты, внутрь клетки, которые, отшнуровываясь, превращаются в пузырьки. Последние затем обычно сливаются с первичными лизосомами, образуя вторичные лизосомы, в которых содержимое подвергается гидролизу - внутриклеточному перевариванию. Продукты гидролиза используются клеткой. Например, выделившийся медиатор нервным окончанием захватывается снова посредством эндоцитоза.

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

3. Трансцитоз сочетает элементы эндо- и экзоцитоза. Это перенос частиц через клетку: например, перенос молекул белка в виде везикул через эндотелиальную клетку капилляров на другую сторону в интерстиций мозга. В данном случае эндоцитозные пузырьки не взаимодействуют с лизосомами, при этом пузырьки могут сливаться друг с другом, образуя каналы, пересекающие всю клетку.

Вторичный транспорт

Вторичный транспорт - это переход различных частиц и молекул воды за счет ранее запасенной (потенциальной) энергии. Потенциальная энергия создается в виде электрического и концентрационного градиентов, что обеспечивает транспорт веществ через клеточную мембрану нейронов. Ко вторичному относятся следующие виды транспорта.

А. 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 клеточной мембраны, а также градиента концентрации для незаряженных частиц; электрического и концентрационного градиентов для заряженных частиц. Направления действия электрического и концентрационного градиентов могут не совпадать. Например, ионы Na⁺ в процессе возникновения возбуждения продолжают поступать в клетку, когда она внутри уже заряжена положительно. Этот переход ионов обеспечивается концентрационным градиентом вопреки электрическому градиенту. Совокупность химического (концентрационного) и электрического градиентов называют электрохимическим градиентом. Различают простую и облегченную диффузии и осмос как частный случай диффузии.

1. Простая диффузия осуществляется либо непосредственно через липидный бислой, либо через каналы. Заряженные частицы движутся согласно электрохимическому градиенту, а незаряженные - согласно только химическому градиенту. Через липидный бислой проходят жирорастворимые частицы. Если они находятся в воде по одну сторону мембраны, то могут внедряться в липидную оболочку благодаря тепловому движению (при этом необходимо освободиться от гидратной оболочки). Частицы-неэлектролиты обычно легко освобождаются от гидратной оболочки (разрыв водородных связей). Естественно, с уменьшением молекулярной массы способность перехода частиц через мембрану возрастает. Примером простой диффузии через липидный слой может служить диффузия малых незаряженных полярных молекул: этанола, кислорода, углекислого газа, стероидных гормонов и других липидов, тироксина, мочевины, а также чуждых клетке веществ, в частности ядов и лекарственных средств.

Этот процесс происходит слишком медленно и плохо контролируется.

В ходе эволюции сформировались специальные каналы, по которым могут проходить различные частицы, причем ионы очень быстро - за 0, 5-1 мс. Каналы заполнены водой, и кроме ионов через них могут проходить малые молекулы неэлектролитов (этанол, мочевина), заряженные молекулы. Диаметр этих каналов 0, 3-0, 8 нм. Скорость диффузии определяется электрохимическим градиентом и проницаемостью клеточной мембраны для данного вещества. С течением времени скорость простой диффузии изменяется мало, пока существует движущая сила (электрический или концентрационный градиент), так как по одному и тому же каналу или через липидный бислой после прохождения одной частицы сразу же может следовать другая (подробнее о каналах см. раздел 2.6.4).

2. Облегченная диффузия осуществляется также согласно концентрационному градиенту и обеспечивает перенос веществ, способных образовывать комплексы с молекулами—переносчиками мембранных белков. Переносчик должен свободно переходить с одной стороны мембраны на другую. Этот транспорт осуществляется очень быстро, поскольку переносчик облегчает переход транспортируемого вещества через мембрану. Движущей силой является градиент транспортируемого вещества. С помощью простой диффузии не могут проходить через мембрану даже небольшие полярные молекулы: моносахариды, аминокислоты. Облегченная диффузия имеет ряд особенностей:

•наличие специфических переносчиков для отдельных или нескольких веществ, близких по строению. Вещества, имеющие сходные по строению молекулы, могут переноситься одним и тем же переносчиком и конкурировать за переносчика;

•у молекулы-переносчика может быть особый канал, пропускающий вещество только одного определенного типа;

•с увеличением концентрации вещества с одной стороны мембраны скорость облегченной диффузии возрастает только до определенного предела в отличие от простой диффузии. Прекращение нарастания облегченной диффузии при увеличении концентрации вещества свидетельствует о том, что все переносчики уже заняты, - явление насыщения. Выделяют специфическое стимулирование и ингибирование облегченной диффузии: например, флоридзин, введенный в просвет кишечника, специфически подавляет транспорт Сахаров, не затрагивая переноса аминокислот; инсулин активирует перенос глюкозы в клетки организма. Переносчиками являются белковые молекулы, которые совершают челночные движения через мембрану либо встраиваются в нее. В последнем случае образуется канал, по которому проходят транспортируемые вещества, в основном сахара, аминокислоты.

В случае предполагаемых челночных движений белковых молекул-переносчиков возникает вопрос: какая сила обеспечивает транспорт самих переносчиков? Если это одностороннее движение, то оно быстро прекратится после уравнивания концентрации самих переносчиков по обе стороны клеточной мембраны. На этот вопрос ответа пока нет. Мы полагаем, что возможны два механизма. Во-первых, за счет создания градиента концентрации самого переносчика, с помощью концентрационного градиента транспортируемого вещества. Если, например, концентрация глюкозы или аминокислоты больше вне клетки, чем в клетке, то она может переходить в клетку согласно своему градиенту концентрации. Образование комплекса молекул глюкоза - переносчик лишь улучшает прохождение глюкозы через мембрану согласно концентрационному градиенту глюкозы. Движущей силой является концентрационный градиент глюкозы. На внутренней стороне клеточной мембраны комплекс распадается, поэтому концентрация молекул-переносчиков возрастает и они, согласно своему концентрационному градиенту, переходят на наружную сторону клеточной мембраны, снова соединяются с глюкозой и ускоряют ее переход в клетку. Во-вторых, челночные движения переносчика могут осуществляться с помощью ионов К⁺. Известно, что К⁺ постоянно диффундирует из клетки согласно концентрационному градиенту. При этом в клетке может образоваться комплекс ион К⁺- молекула переносчика, который и перейдет с внутренней стороны клеточной мембраны на наружную сторону. В этом случае движущей силой является концентрационный градиент иона К⁺, который затем переносится в клетку Na/K-помпой с непосредственной затратой энергии, т.е. первично активно. Напомним, что энергия здесь затрачивается только на транспорт иона Na-¹' - экономичность транспорта веществ. Переносчик транспортируется вторично активно, если не будет работать Na/K-помпа, челночные движения переносчика согласно такому представлению прекратятся.

3. Осмос - это частный случай диффузии: движение воды (растворителя) через полупроницаемую мембрану в область с большей концентрацией частиц, т.е. с большим осмотическим давлением. Осмотическое давление - это диффузионное давление, обеспечивающее движение растворителя через полупроницаемую мембрану. Измеряется минимальной величиной механического давления на раствор (например, с помощью поршня), препятствующего движению растворителя через полупроницаемую мембрану. Осмотическое давление одномолярного раствора чрезвычайно велико - 22, 4 атм, в плазме крови оно существенно ниже - 7, 6 атм, несколько больше внутри клетки, что и обеспечивает ее упругость вследствие поступления воды в клетку и растяжения ее мембраны. Осмос продолжается до выравнивания осмотического давления по обе стороны полупроницаемой мембраны или выравнивания осмотического давления и гидростатического противодавления. Поэтому при подавлении метаболизма клетки быстро набухают, так как внутри клетки осмотическое давление сохраняется повышенным: внутрь клеток поступает вода и они становятся более упругими. Вода поступает в клетку через водные каналы и временные поры, образующиеся между молекулами липидов и при смещении белков. Через водные каналы могут проходить также малые незаряженные молекулы: кислород, углекислый газ, этанол, мочевина.

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

Первый вариант: направление движения транспортируемого вещества совпадает с направлением движения натрия согласно его электрохимическому градиенту (симпорт). Глюкоза связывается с белком-переносчиком мембраны, последний соединяется с ионом Na⁺, a Na⁺, согласно концентрационному и электрическому градиентам, диффундирует в клетку и несет с собой глюкозу. На внутренней стороне клеточной мембраны комплекс распадается, ион Na⁺ выводится помпой с непосредственной затратой энергии из клетки в интерстиций вопреки электрохимическому градиенту - первично активно. С помощью натриевого механизма обеспечивается обратный захват (реабсорбция) медиатора в пресинаптическую терминаль из синаптической щели в синапсах ЦНС. Транспорт веществ с помощью иона Na⁺осуществляется согласно законам диффузии для ионов Na⁺. Транспортируемое вещество при этом может поступать в клетку вопреки собственному концентрационному градиенту. Движущей силой является электрохимический градиент ионов Na⁴'. Глюкоза вместе с ионом Na⁺ попадает в клетку даже в том случае, если ее концентрация в клетке больше, чем в среде, если, конечно, электрохимический градиент Na⁺ превосходит концентрационный градиент глюкозы.

Второй вариант: перемещение транспортируемых частиц направлено в противоположную движению ионов Na⁺ сторону - это антипорт (противотранспорт). С помощью этого обменного механизма регулируется, например, содержание ионов Са²⁺ в клетке, рН внутри клетки за счет выведения иона Н⁺ в обмен на внеклеточный ион Na⁺. Внутриклеточная концентрация иона Ca²⁺ на несколько порядков ниже внеклеточной. Натриевый концентрационный градиент участвует в выведении иона Са²⁺ из клетки. Об этом свидетельствует, в частности, следующий факт. Выведение иона Ca²⁺ из клетки снижается, если удалить из внеклеточной среды ион Na⁺. Это позволяет предположить, что ион Са²⁺ выводится из клетки в обмен на поступающий в нее ион Na⁺ и противоположно направленные потоки этих ионов сопряжены друг с другом; обеспечивается данный транспорт переносчиком-обменником. Исходным источником энергии этого процесса опять является градиент Na⁺, который в конечном счете формируется за счет АТФ-зависимого активного транспорта ионов Na⁺. Поэтому во всех случаях, когда ток ионов Na⁺ в клетку уменьшается, снижается и выведение ионов Са²⁺ из клетки. Это наблюдается в следующих случаях: при ингибировании Na/K-АТФазы, уменьшении внеклеточной концентрации ионов Na⁺- и в бескалиевой среде (когда Na⁺выводится недостаточно из клетки). При этом Na/Ca-обменник блокируется, в результате чего увеличивается внутриклеточная концентрация ионов Ca²⁺.

Однако конкретный механизм работы переносчика-обменника не ясен. Переносчик может транспортировать ионы Са²⁺ и Н⁺ вопреки их электрическим и концентрационным градиентам только в том случае, если сам переносчик имеет собственный градиент - его концентрация на внутренней стороне клетки больше, чем на наружной. Этот градиент должен постоянно поддерживаться, иначе перенос ионов Са²⁺ и Н⁺ прекратится. Мы полагаем, что выведение ионов Са²⁺ и Н⁺ из клетки в результате диффузии иона Na⁺ в клетку (противотранспорт) осуществляется следующим образом. Ион Na⁺ постоянно диффундирует в клетку согласно своему электрохимическому градиенту и транспортирует с собой (в комплексе) молекулы-переносчики, что и ведет к созданию их концентрационных градиентов. Ионы Са²⁺ и Н⁺ на внутренней стороне клетки соединяются со своими переносчиками и транспортируются из клетки в виде комплексов согласно градиентам своих переносчиков. Именно поэтому, например, блокада Na/K-насоса ведет к накоплению ионов Са²⁺ в клетках (транспорт ионов Ca²⁴' из клетки уменьшается). Это примеры вторичного транспорта вещества за счет первичного транспорта иона Na⁺, который с помощью помпы выводится из клетки. Переносчики совершают челночные движения за счет работы Na/K-насоса - вторично активно и транспортируют с собой ионы Са²⁺ и Н⁺.

В. Транспорт веществ из кровеносных сосудов в интерстиций ЦНС осуществляется с помощью диффузии, осмоса, фильтрации и трансцитоза. Фильтрация - переход раствора через полупроницаемую мембрану (стенку сосуда) под действием градиента гидростатического давления между жидкостями по обе стороны этой мембраны. Градиент гидростатического давления создается либо деятельностью сердца (фильтрация в артериальном конце капилляра всех органов и тканей организма, а также образование первичной мочи в почке), либо гладкими мышцами пищеварительного тракта и мышечного пресса, обеспечивающих повышение гидростатического давления в полости желудка и кишечника, что способствует всасыванию веществ в кровь.

Таким образом, механизмы вторичного транспорта веществ весьма разнообразны. Вторичный транспорт ионов осуществляется, как правило, с помощью простой диффузии через специальные ионные каналы.

Ионные каналы

Ионные каналы образованы белками, они весьма разнообразны по устройству и механизму действия. Известно более 50 каналов различных клеток, каждая нервная клетка содержит более пяти разных каналов.

А. Классификация ионных каналов. Классифицируют ионные каналы по нескольким признакам.

1. По возможности управления функцией различают неуправляемые (каналы утечки ионов) и управляемые каналы. Через неуправляемые каналы ионы перемещаются постоянно, но медленно, естественно, при наличии электрохимического градиента, как и в случае быстрого перемещения ионов по управляемым каналам. Последние могут быть быстрыми и медленными. Потенциал действия в нейроне возникает в основном вследствие активации быстрых Na- и К-каналов. Управляемые каналы имеют ворота с механизмами их управления, поэтому ионы через них могут проходить только при открытых воротах.

2. В зависимости от стимула, активирующего или инактивирующего управляемые ионные каналы, основными каналами нейронов ЦНС являются потенциалчувствительные и хемочувствительные каналы. При взаимодействии медиатора (лиганда) с рецепторами хемочувствительного канала, расположенного на поверхности клеточной мембраны, может происходить открытие его ворот, поэтому хемочувствительный канал называют также рецепторуправляемым каналом. Лиганд - это биологически активное вещество или фармакологический препарат, активирующий или блокирующий рецептор. Открытие хемочувствительных каналов происходит в результате конформационных изменений рецепторного комплекса. Ворота потенциалзависимых каналов открываются и закрываются при изменении величины мембранного потенциала. Поэтому в конструкции их воротного механизма должны быть частицы, несущие электрический заряд.

3. В зависимости от селективности различают ионоселективные каналы, пропускающие только один ион, и каналы, не обладающие селективностью. В нейронах имеются Na-, К-, Са- и С1-селективные каналы. Есть каналы, пропускающие несколько ионов, например, Na^+,К⁺ и Са²⁺, т.е. не обладающие селективностью. Наиболее высока степень селективности потенциалчувствительных (потенциалзависимых) каналов, несколько ниже она у хемочувствительных (рецепторзависимых) каналов, постсинаптических мембран, через каналы которых могут одновременно проходить ионы Na⁺иК⁺.

4. Для одного и того же иона может быть несколько видов каналов. Наиболее важными из них для формирования биопотенциалов являются следующие.

Каналы для ионов К⁺. Калиевые неуправляемые каналы покоя (каналы утечки), через которые постоянно выходит К⁺ из клетки, что является главным фактором в формировании мембранного потенциала (потенциала покоя). Потенциалчувствительные управляемые К-каналы, сравнительно медленно активирующиеся при возбуждении клетки в фазу деполяризации с последующим ускорением активации, что обеспечивает быстрый выход ионов К⁴' из клетки и ре-поляризацию ее (см. раздел 3.4).

Каналы для ионов Na⁺. Они бывают быстрые и медленные (утечки). Быстрые Na-каналы потенциалчувствительны, быстро активируются при уменьшении мембранного потенциала, что обеспечивает вход иона Na⁺в клетку во время ее возбуждения (восходящая часть). Затем эти каналы быстро инактивируются. Медленные неуправляемые Na-каналы - каналы утечки, через которые ион Na⁺ постоянно диффундирует в клетку и переносит с собой другие молекулы, например глюкозу, аминокислоты, молекулы-переносчики. Таким образом, Na-каналы утечки обеспечивают вторичный транспорт веществ и участие ионов Na⁺ в формировании мембранного потенциала (см. раздел 3.3).

Б. Устройство ионных каналов и их функционирование. Каналы имеют устье и селективный фильтр, а управляемые каналы - и воротный механизм. Они заполнены жидкостью, размеры каналов 0, 3-0, 8 нм. Селективность ионных каналов определяется их размером и наличием в канале заряженных частиц. Эти частицы имеют заряд, противоположный заряду иона, который они притягивают, что обеспечивает проход иона через данный канал (одноименные заряды, как известно, отталкиваются). Через ионные каналы могут проходить и незаряженные частицы. Ионы, проходя через канал, должны избавиться от гидратной оболочки, иначе их размеры будут больше размеров канала. Например, диаметр иона Na⁺ с гидратной оболочкой равен 0, 3 нм, а без гидратной оболочки - 0, 19 нм. Слишком мелкий ион, проходя через селективный фильтр, не может отдать гидратную оболочку, поэтому он не может пройти через канал. Однако, по-видимому, имеются и другие механизмы селективности клеточной мембраны. Гипотеза «просеивания» не в состоянии объяснить, например, почему ион К⁺ не проходит через открытые Na-каналы в начале цикла возбуждения клетки, но тем не менее она дает удовлетворительное, а в некоторых случаях и абсолютно убедительное объяснение избирательной (селективной) проницаемости клеточных мембран для разных частиц и ионов.

В. Особенности функционирования различных видов управляемых каналов. Такие каналы отличаются по степени селективности. Наиболее высока степень селективности потенциалчувствительных (потенциалзависимых) каналов. У каналов разных видов может наблюдаться или отсутствовать взаимодействие между собой. Так, частичная деполяризация клеточной мембраны за счет активации хемочувствительных каналов может привести к активации потенциалчувствительных каналов, например, для ионов Na⁺, что обеспечивает возбуждение нейрона. Однако активация потенциалчувствительных каналов не влияет на функцию хемочувствительных каналов нейронов.

Г. Ионные каналы блокируются специфическими веществами и фармакологическими препаратами. Новокаин, например, как местный анестетик снимает болевые ощущения потому, что он, блокируя Na-каналы, прекращает проведение возбуждения по нервным волокнам.

⇐ Предыдущая 10 11 12 13 141516 17 18 19 Следующая ⇒