Физиология клеточных мембран. Механизмы трансмембранного транспорта.

• Мембрана — жидкостно-мозаичная: бислой фосфолипидов (до 60% сухой массы) с холестерином и гликолипидами, белки (до 30%), углеводы (до 10%, гликокаликс).
• Свойства: избирательная проницаемость, асимметричность, самосборка/самовосстановление, разность потенциалов; функции: барьерная, транспортная, рецепторная, ферментативная, механическая, генерация биопотенциалов.
• Пассивный транспорт идёт по градиенту без энергии: простая диффузия (O2, H2O, NH3, ионы через каналы) и облегчённая диффузия через белки-переносчики (аминокислоты, моносахариды, ионы); осмос — диффузия воды.
• Активный транспорт — против градиента с затратой АТФ: первично-активный (Na-K насос: 3 Na+ наружу, 2 K+ внутрь; протонные, кальциевые насосы) и вторично-активный (симпорт, антипорт).
• Везикулярный транспорт: эндоцитоз (фагоцитоз, пиноцитоз) и экзоцитоз.
• Ионные каналы пассивны, высокоселективны, скорость в 1000 раз выше переносчиков; электро- и лигандчувствительные.

Структура плазматической мембраны:

Клеточная (плазматическая) мембрана — полупроницаемый барьер, отделяющий цитоплазму клеток от окружающей среды. Состоит из белков, углеводов и липидов. Принята жидкостно-мозаичная модель: белковые молекулы плавают в жидком фосфолипидном бислое, образуя мозаику, которая не жёстко фиксирована.

Липиды — бислой из сложных липидов:

• фосфолипиды: имеют гидрофильную «головку» и гидрофобный «хвост»; хвосты обращены внутрь, головки наружу; составляют до 60% сухой массы мембраны; свойство самосборки обеспечивает самовосстановление повреждённых участков.
• холестерин: придаёт мембране жёсткость, занимая пространство между хвостами липидов; стабилизирует коллоидные свойства мембраны.
• гликолипиды: предотвращают слипание соседних клеток, создавая на поверхности отрицательный заряд.

Мембранные белки — до 30% массы:

• периферические (поверхностные) — на поверхности липидного слоя, отделяются без разрушения мембраны;
• интегральные (собственные) — погружены в мембрану, покидают её только при разрушении;
• трансмембранные — пронизывают мембрану насквозь.

Углеводы — до 10% сухой массы, представлены олигосахаридами, связываются в гликолипиды и гликопротеиды. На наружной мембране цепи гликолипидов формируют гликокаликс, участвующий в межклеточном узнавании, взаимодействии и пристеночном пищеварении.

Свойства клеточной мембраны:

• Избирательная проницаемость: гидрофильные вещества не проходят через мембрану, гидрофобные — свободно.
• Жидкостно-мозаичная структура: мембрана постоянно двигается, белки расположены в ней мозаично.
• Асимметричность.
• Самосборка и самовосстановление: увеличение площади поверхности происходит за счёт встраивания специальных пузырьков.
• Разность потенциалов: разделение заряженных частиц и поддержание разности потенциалов, так как липидный бислой — диэлектрик.
• Универсальность и специфичность: мембрана универсальна, но имеет свои особенности.

Функции плазматической мембраны:

• Барьерная — обеспечивает регулируемый, избирательный, пассивный и активный обмен веществ с окружающей средой.
• Транспортная — транспорт веществ в клетку и из клетки.
• Рецепторная — некоторые белки мембраны являются рецепторами и воспринимают сигналы, например нейромедиаторы в синапсах.
• Ферментативная — мембранные белки нередко являются ферментами (мембраны эпителиальных клеток кишечника содержат пищеварительные ферменты).
• Механическая — обеспечивает автономность клетки и её внутриклеточных структур, а также соединение с другими клетками в тканях.
• Осуществление генерации и проведения биопотенциалов: с помощью мембраны в клетке поддерживается постоянная концентрация ионов — [К+] внутри клетки значительно выше, чем снаружи, а [Na+] значительно ниже; это обеспечивает поддержание разности потенциалов на мембране и генерацию нервного импульса.

Пассивный транспорт веществ:

Пассивный транспорт — перенос веществ по градиенту концентрации или электрическому градиенту без затрат энергии.

Простая диффузия идёт непосредственно через билипидный слой и ионные каналы. Через бислой переносятся мелкие молекулы: неполярные (O2, этанол), полярные незаряженные (H2O, NH3); через каналы — неорганические ионы (K+, Cl-). Характеристики:

• идёт по электрохимическому градиенту;
• скорость линейно зависит от градиента концентрации вещества;
• процесс не насыщаемый, может ускоряться неограниченно;
• энергия не расходуется.

Облегчённая диффузия — перенос через мембрану с помощью специальных белков-переносчиков по градиенту. Так проходят полярные вещества (аминокислоты, моносахариды) и заряженные частицы (ионы) при участии белков-каналов или белков-переносчиков. Каналы — белковые молекулы, создающие гидрофильный проход; они селективны, изменяют своё состояние, чувствительны к лигандам и заряду мембраны. Черты облегчённой диффузии: высокая скорость (быстрее простой диффузии), зависимость от строения веществ, насыщаемость, конкуренция и чувствительность к ингибиторам.

Осмос — односторонняя диффузия растворителя (воды) через полупроницаемую мембрану в более концентрированный раствор.

Активный транспорт веществ:

Активный транспорт — перенос вещества против градиента концентрации (для незаряженных частиц) или электрохимического градиента (для заряженных), требующий затрат энергии, чаще всего АТФ.

Первично-активный транспорт использует энергию АТФ и осуществляется транспортными АТФ-азами. Na-K насос: переносит три иона Na+ из клетки на каждые два иона K+ в клетку, поэтому на мембране возникает электрический потенциал с отрицательным значением внутри клетки. АТФ-аза — интегральный белок; начинает работать при повышении концентрации Na внутри клетки или K снаружи. Расщепление АТФ происходит после связывания ионов натрия, энергия расходуется на изменение конформации фермента. Другие АТФ-азы: насос транспорта протонов водорода (митохондрии, эпителий почечных канальцев, париетальные клетки желудка); кальциевые насосы (пейсмекерные и сократительные клетки сердца, мышечные клетки).

Вторично-активный транспорт: перенос вещества за счёт градиента другого вещества, созданного первично-активным транспортом, — чаще всего градиента ионов Na+ (или K+): ион движется в сторону меньшей концентрации и тянет за собой другое вещество через белок-переносчик.

• Симпорт — перенос вещества с одновременным переносом другого в том же направлении: йод в тиреоциты, глюкоза и аминокислоты при всасывании в тонкой кишке.
• Антипорт — перенос с одновременным переносом другого вещества в обратном направлении: Na+-Ca2+-обменник в кардиомиоцитах, K+-H+-обмен в эпителии почечных канальцев.

Везикулярный транспорт и ионные каналы:

Везикулярный транспорт — перенос через мембрану макромолекул (белков, нуклеиновых кислот).

• Эндоцитоз — образование везикул путём впячивания плазматической мембраны при поглощении твёрдых частиц (фагоцитоз) или растворённых веществ (пиноцитоз). Возникающие гладкие или окаймлённые пузырьки называются фагосомами или пиносомами. Путём эндоцитоза яйцеклетки поглощают желточные белки, лейкоциты — чужеродные частицы и иммуноглобулины, почечные канальцы всасывают белки из первичной мочи.
• Экзоцитоз — процесс, противоположный эндоцитозу: пузырьки из аппарата Гольджи и лизосом сливаются с плазматической мембраной и освобождают содержимое наружу. Мембрана пузырька либо встраивается в плазматическую мембрану, либо возвращается в цитоплазму.

Ионные каналы: образуются одной или несколькими белковыми субъединицами, окружающими центральную пору.

• Транспорт через ионные каналы всегда пассивен, его максимальная скорость приблизительно в 1000 раз больше, чем у белков-переносчиков.
• Каналы высоко селективны для определённых ионов.
• Изменяют свою активность: открываются в ответ на стимул — электрический, химический или механический.

Электрочувствительные каналы, осуществляя перенос Na+, K+ или Ca2+, имеют большое значение для возбудимых клеток (нервных и мышечных). Лигандчувствительные каналы распространены во всех органах и тканях и участвуют в восприятии клетками химических раздражителей.