Растений и грибов состоят из трех основных частей: плазматической мембраны, ядра и цитоплазмы. Бактерии отличаются от них тем, что не обладают ядром, однако они также имеют мембрану и цитоплазму.

Как устроена цитоплазма?

Это внутренняя часть клетки, в которой можно выделить гиалоплазму (жидкую среду), включения и Включения — это непостоянные образования в клетке, которые в основном представляют собой капли или кристаллы запасных питательных веществ. Органоиды — это постоянные структуры. Как в организме главными функциональными единицами являются органы, так в клетке все основные функции выполняют органеллы.

Мембранные и немембранные органоиды клетки

Первые делятся на одномембранные и двумембранные. Последних только два - это митохондрии и хлоропласты. К одномембранным относятся лизосомы, комплекс Гольджи, ретикулум), вакуоли. О немембранных органоидах мы поговорим подробнее в этой статье.

Органоиды клетки немембранного строения

К ним относятся рибосомы, клеточный центр, а также цитоскелет, сформированный микротрубочками и микрофиламентами. Также к данной группе можно причислить органоиды движения, которыми обладают одноклеточные организмы, а также мужские половые клетки животных. Давайте рассмотрим по порядку немембранные органоиды клетки, их строение и функции.

Что такое рибосомы?

Это клетки, которые состоят из рибонуклеопротеинов. В их строение входит две части (субъединицы). Одна из них малая, одна - большая. В спокойном состоянии они находятся раздельно. Соединяются они тогда, когда рибосома начинает функционировать.

Отвечают эти немембранные органоиды клетки за синтез белков. А именно за процесс трансляции - соединение аминокислот в полипептидную цепочку в определенном порядке, информация о котором скопирована с ДНК и записана на иРНК.

Размер рибосом составляет двадцать нанометров. Количество этих органоидов в клетке может достигать до нескольких десятков тысяч штук.

У эукариот рибосомы находятся как в гиалоплазме, так и на поверхности шероховатого эндоплазматического ретикулума. Также они присутствуют внутри двумембранных органоидов: митохондрий и хлоропластов.

Клеточный центр

Этот органоид состоит из центросомы, которая окружена центросферой. Центросома представлена двумя центриолями - пустыми внутри цилиндрами, состоящими из микротрубочек. Центросфера состоит из отходящих от клеточного центра радиально микротрубочек. Также в ее состав входят промежуточные филаменты и микрофибриллы.

Клеточный центр выполняет такие функции как образование веретена деления. Также он является центром организации микротрубочек.

Что касается химического строения данного органоида, то основным веществом является белок тубулин.

Этот органоид находится в геометрическом центре клетки, поэтому он и имеет такое название.

Микрофиламенты и микротрубочки

Первые представляют собой нити из белка актина. Их диаметр составляет 6 нанометров.

Диаметр микротрубочек составляет 24 нанометра. Их стенки построены из белка тубулина.

Эти немембранные органоиды клетки образуют цитоскелет, который помогает поддерживать постоянную форму.

Еще одна функция микротрубочек - транспортная, по ним могут перемещаться органоиды и вещества в клетке.

Органоиды передвижения

Они бывают двух видов: реснички и жгутики.

Первыми обладают такие одноклеточные организмы, как инфузории-туфельки.

Жгутики есть у хламидомонад, а также у сперматозоидов животных.

Органоиды передвижения состоят из сократительных белков.

Заключение

В качестве вывода приводим обобщенную информацию.

Вот мы и рассмотрели все немембранные органоиды растений, животных, грибов и бактерий, их строение и функции.

Органоиды (от греч. органон - орудие, орган и идос - вид, подобие) - это надмолекулярные структуры цитоплазмы, выполняющие специфичные функции, без которых невозможна нормальная деятельность клетки. По своей структуре органоиды подразделяют на немембранные (не содержащие мембранных компонентов) и мембранные (имеющие мембраны). Мембранные органоиды (эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы, митохондрии и пластиды) характерны только для эукариотических клеток. К немембранным органоидам относятся клеточный центр эукариотических клеток и рибосомы, имеющиеся в цитоплазме как эу- , так и прокариотических клеток. Таким образом, единственным универсальным для всех типов клеток органоидом являются рибосомы.

Мембранные органоиды

Основным компонентом мембранных органоидов является мембрана. Биологические мембраны построены по общему принципу, но химический состав мембран разных органоидов различен. Все клеточные мембраны – это тонкие пленки (толщиной 7–10 нм), основу которых составляет двойной слой липидов (бислой), расположенных так, что заряженные гидрофильные части молекул соприкасаются со средой, а гидрофобные остатки жирных кислот каждого монослоя направлены внутрь мембраны и соприкасаются друг с другом. В бислой липидов встроены молекулы белков (интегральные белки мембраны) таким образом, что гидрофобные части молекулы белка соприкасаются с жирнокислотными остатками молекул липидов, а гидрофильные части экспонированы в окружающую среду. Кроме этого часть растворимых (немембранных белков) соединяется с мембраной в основном за счет ионных взаимодействий (периферические белки мембраны). Ко многим белкам и липидам в составе мембран присоединены также углеводные фрагменты. Таким образом, биологические мембраны – это липидные пленки, в которые встроены интегральные белки.

Одна из основных функций мембран – создание границы между клеткой и окружающей средой и различными отсеками клетки. Липидный бислой проницаем в основном для жирорастворимых соединений и газов, гидрофильные вещества переносятся через мембраны с помощью специальных механизмов: низкомолекулярные – с помощью разнообразных переносчиков (каналов, насосов и др.), а высокомолекулярные – с помощью процессов экзо- и эндоцитоза.

При эндоцитозе определенные вещества сорбируются на поверхности мембраны (за счет взаимодействия с белками мембраны). В этом месте образуется впячивание мембраны внутрь цитоплазмы. Затем от мембраны отделяется пузырек, внутри которого содержится переносимое соединение. Таким образом, эндоцитоз – это перенос в клетку высокомолекулярных соединений внешней среды, окруженных участком мембраны. Обратный процесс, то есть экзоцитоз – это перенос веществ из клетки наружу. Он происходит путем слияния с плазматической мембраной пузырька, заполненного транспортируемыми высокомолекулярными соединениями. Мембрана пузырька сливается с плазматической мембраной, а его содержимое изливается наружу.

Каналы, насосы и другие переносчики – это молекулы интегральных белков мембраны, обычно образующие в мембране пору.
Кроме функций разделения пространства и обеспечения избирательной проницаемости мембраны способны воспринимать сигналы. Эту функцию осуществляют белки-рецепторы, связывающие сигнальные молекулы. Отдельные белки мембраны являются ферментами, осуществляющими определенные химические реакции.

Одномембранные органоиды

1. Эндоплазматическая сеть (ЭПС)

ЭПС - это одномембранный органоид, состоящий из полостей и канальцев, соединенных между собой. Эндоплазматическая сеть структурно связана с ядром: от наружной мембраны ядра отходит мембрана, образующая стенки эндоплазматической сети. ЭПС бывает 2 видов: шероховатая (гранулярная) и гладкая (агранулярная). В любой клетке присутствуют оба вида ЭПС.

На мембранах шероховатой ЭПС располагаются многочисленные мелкие гранулы - рибосомы, специальные органоиды, с помощью которых синтезируются белки. Поэтому нетрудно догадаться, что на поверхности шероховатой ЭПС синтезируется белки, которые проникают внутрь шероховатой ЭПС и по ее полостям могут переместиться в любое место клетки.

Мембраны гладкой ЭПС лишены рибосом, но зато в ее мембранах встроены ферменты, осуществляющие синтез углеводов и липидов. После синтеза углеводы и липиды тоже могут перемещаться по мембранам ЭПС в любое место клетки Степень развития вида ЭПС зависит от специализации клетки. Например, в клетках, синтезирующих белковые гормоны, будет лучше развита гранулярная ЭПС, а в клетках, синтезирующих жироподобные вещества - агранулярная ЭПС.

Функции ЭПС:

1. Синтез веществ. На шероховатой ЭПС синтезируются белки, а на гладкой - липиды и углеводы.
2. Транспортная функция. По полостям ЭПС синтезированные вещества перемещаются в любое место клетки.

2. Комплекс Гольджи

Комплекс Гольджи (диктиосома) представляет собой стопку плоских мембранных мешочков, которые называются цистернами. Цистерны полностью изолированы друг от друга и не соединяются между собой. По краям от цистерн ответвляются многочисленные трубочки и пузырьки. От ЭПС время от времени отшнуровываются вакуоли (пузырьки) с синтезированными веществами, которые перемещаются к комплексу Гольджи и соединяются с ним. Вещества, синтезированные в ЭПС, усложняются и накапливаются в комплексе Гольджи.

Функции комплекса Гольджи

1. В цистернах комплекса Гольджи происходит дальнейшее химическое преобразование и усложнение веществ, поступивших в него из ЭПС. Например, формируются вещества, необходимые для обновления мембраны клетки (гликопротеиды, гликолипиды), полисахариды.
2. В комплексе Гольджи происходит накопление веществ и их временное «хранение»
3. Образованные вещества «упаковываются» в пузырьки (в вакуоли) и в таком виде перемещаются по клетке.
4. В комплексе Гольджи образуются лизосомы (сферические органоиды с расщепляющими ферментами).

3. Лизосомы («лизис» - распад, растворение)

Лизосомы - мелкие сферические органоиды, стенки которых образованы одинарной мембраной; содержат литические (расщепляющие) ферменты. Сначала лизосомы, отшнуровавшиеся от комплекса Гольджи, содержат неактивные ферменты. При определенных условиях их ферменты активизируются. При слиянии лизосомы с фагоцитозной или пиноцитозной вакуолью образуется пищеварительная вакуоль, в которой происходит внутриклеточное переваривание различных веществ.

Функции лизосом:

1. Осуществляют расщепление веществ, поглощенных в результате фагоцитоза и пиноцитоза. Биополимеры расщепляются до мономеров, которые поступают в клетку и используются на ее нужды. Например, они могут быть использованы для синтеза новых органических веществ или могут подвергаться дальнейшему расщеплению для получения энергии.
2. Разрушают старые, поврежденные, избыточные органоиды. Ращепление органоидов может происходить и во время голодания клетки.
3. Осуществляют аутолиз (расщепление) клетки (рассасывание хвоста у головастиков, разжижение тканей в зоне воспаления, разрушение клеток хряща в процессе формирования костной ткани и др.).

4. Вакуоли

Вакуоли - сферические одномембранные органоиды, представляющие собой резервуары воды и растворенных в ней веществ. К вакуолям относятся: фагоцитозные и пиноцитозные вакуоли, пищеварительные вакуоли, пузырьки, отшнуровывающиеся от ЭПС и комплекса Гольджи. Вакуоли животной клетки - мелкие, многочисленные, но их объем не превышает 5% от всего объема клетки. Их основная функция - транспорт веществ по клетке, олсуществление взаимосвязи между органоидами.

В клетке растений на долю вакуолей приходится до 90% объема. В зрелой растительной клетки вакуоль одна, занимает центральное положение. Мембрана вакуоли растительной клетки - тонопласт, ее содержимое - клеточный сок. Функции вакуолей в растительной клетке: поддержание клеточной оболочки в напряжении, накопление различных веществ, в том числе отходов жизнедеятельности клетки. Вакуоли поставляют воду для процессов фотосинтеза.

В состав клеточного сока могут входить:

Запасные вещества, которые могут использоваться самой клеткой (органические кислоты, аминокислоты, сахара, белки).
- вещества, которые выводятся из обмена веществ клетки и накапливаются в вакуоли (фенолы, дубильные вещества, алкалоиды и др.)
- фитогормоны, фитонциды,
- пигменты (красящие вещества), которые придают клеточному соку пурпурный, красный, синий, фиолетовый цвет, а иногда желтый или кремовый. Именно пигменты клеточного сока окрашивают лепестки цветков, плоды, корнеплоды

Канальцево-вакуолярная система клетки (система транспорта и синтеза веществ)

ЭПС, комплекс Гольджи, лизосомы и вакуоли составляют единую канальцево-вакуолярную систему клетки. Все ее элементы имеют сходный химический состав мембран, поэтому возможно их взаимодействие. Все элементы КВС берут начало от ЭПС. От ЭПС отшнуровываются вакуоли, поступающие к комплексу Гольджи, от комплекса Гольджи отшнуровываются пузырьки, сливающиеся с мембраной клетки, лизосомы.

Значение КВС:

1. Мембраны КВС делят содержимое клетки на отдельные отсеки (компартменты), в которых протекают определенные процессы. Это делает возможным одновременное протекание в клетке различных процессов, иногда прямопротивоположных.
2. В результате деятельности КВС происходит постоянное обновление мембраны клетки.

Двумембранные органоиды

Двумембранный органоид - это полая структура, стенки которой образованы двойной мембраной. Известно 2 вида двумембранных органоидов: митохондрии и пластиды. Митохондрии характерны для всех клеток эукариот, пластиды встречаются только в клетках растений. Митохондрии и пластиды являются компонентами энергетической системы клетки, так в результате их функционирования синтезируется АТФ.

Митохондрия – двумембранный полуавтономный органоид, осуществляющий синтез АТФ.
Форма митохондрий разнообразна, они могут быть палочковидными, нитевидными или шаровидными. Стенки митохондрий образованы двумя мембранами: внешней и внутренней. Внешняя мембрана - гладкая, а внутренняя образует многочисленные складки - кристы. Во внутренней мембране встроены многочисленные ферментные комплексы, которые осуществляют синтез АТФ.

В клетках растений есть особые двумембранные органоиды - пластиды. Различают 3 вида пластид: хлоропласты, хромопласты, лейкопласты.
Хлоропласты имеют оболочку из 2 мембран. Наружная оболочка гладкая, а внутренняя образует многочисленные пузырьки (тилакоиды). Стопка тилакоидов - грана. Граны располагаются в шахматном порядке для лучшего проникновения солнечного света. В мембранах тилакоидов встроены молекулы зеленого пигмента хлорофилла, поэтому хлоропласты имеют зеленый цвет. С помощью хлорофилла осуществляется фотосинтез. Таким образом, главная функция хлоропластов - осуществление процесса фотосинтеза.

Хромопласты - пластиды, имеющие красную, оранжевую или желтую окраску. Окраску хромопластам придают пигменты каротиноиды, которые расположены в матриксе. Тилакоиды развиты слабо или вообще отсутствуют. Точная функция хромопластов неизвестна. Возможно, они привлекают к созревшим плодам животных.

Лейкопласты - бесцветные пластиды, расположены в клетках бесцветных тканей. Тилакоиды неразвиты. В лейкопластах накапливается крахмал, липиды и белки.

Пластиды могут взаимно превращаться друг в друга: лейкопласты - хлоропласты - хромопласты.

2.3. Рассмотрим подробнее работу белка переносчика, обеспечивающего пассивный транспорт веществ через клеточную мембрану. Процесс, с помощью которого белки-переносчики связывают и транспортируют растворенные молекулы, напоминает ферментативную реакцию. В белках-переносчиках всех типов имеются участки связывания для транспортируемой молекулы. Когда белок насыщен, скорость транспортировки максимальна. Связывание может быть блокируемо как конкурентными ингибиторами, (конкурирующими за тот же участок связывания), так и не конкурентными ингибиторами, связывающимися в другом месте и влияющими на структуру переносчика. Молекулярный механизм работы белков переносчиков пока не известен. Предполагается, что они переносят молекулы, претерпевая обратимые конформационные изменения, которые позволяют их участкам связывания располагаться попеременно то на одной, то на другой стороне мембраны. На данной схеме представлена модель, показывающая, как конформационные изменения в белке могли бы обеспечить облегченную диффузию растворенного вещества. Белок переносчик может состоять в двух конформационных состояниях "пинг" и "понг". Переход между ними осуществляется случайным образом и полностью обратим. Однако, вероятность связывания молекулы транспортируемого вещества с белком гораздо выше в состоянии "пинг". Поэтому молекул, перемещенных в клетку, будет гораздо больше чем тех, которые ее покинут. Происходит транспорт вещества по электрохимическому градиенту.

Некоторые транспортные белки просто переносят какое-либо растворенное вещество с одной стороны мембраны на другую. Такой перенос называется унипортом. Другие белки являются контранспортными системами. В них устанавливаются следующие закономерности:

а) перенос одного вещества зависит от одновременного (последовательного) переноса другого вещества в том же направлении (симпорт).

б) перенос одного вещества зависит от одновременного (последовательного) переноса другого вещества в противоположном направлении (антипорт).

Например, большинство животных клеток поглощает глюкозу из внеклеточной жидкости, где ее концентрация высока путем пассивного транспорта осуществляемого белком, который работает как унипорт. В то же время, клетки кишечника и почек поглощают ее из люменального пространства кишечника и из почечных канальцев, где ее концентрация очень мала, с помощью симпорта глюкозы и ионов Na.

Разновидностью облегченной диффузии является транспорт с помощью неподвижных молекул переносчиков, фиксированных определенным образом поперек мембраны. При этом молекула переносимого вещества передается от одной молекулы переносчика к другой, как по эстафете.

Примером белков-переносчиков может служить валиномицин – переносчик ионов калия. Молекула валиномицина имеет форму манжетки, устланной внутри полярными группами, а снаружи – неполярными.

В силу особенности своего химического строения валиномицин способен образовывать комплекс с ионами калия, попадающими внутрь молекулы – манжетки, и с другой стороны, валиномицин растворим в липидной фазе мембраны, так как снаружи его молекула неполярна. Молекулы валиномицина, оказавшиеся у поверхности мембраны, могут захватывать из окружающего раствора ионы калия. Диффундируя в мембране, молекулы переносят калий через мембрану, и некоторые из них отдают ионы в раствор по другую сторону мембраны. Таким образом и происходит перенос иона калия через мембрану валиномицином.

Отличия облегченной диффузии от простой:

1) перенос вещества с участием переносчика происходит значительно быстрее;

2) облегченная диффузия обладает свойством насыщения: при увеличении концентрации с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;

3) при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимы веществ в тех случаях, когда переносчиком переносятся разные вещества; при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других; так из сахаров глюкоза переносится лучше, чем фруктоза, фруктоза лучше, чем ксилоза, а ксилоза лучше, чем арабиноза и. т. д.;

4) есть вещества, блокирующие облегченную диффузию – они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика, например, флоридзин подавляет транспорт сахаров через биологическую мембрану.

2.4. Фильтрацией называется движение раствора через поры в мембране под действием градиента давления. Она играет важную роль в процессах переноса воды через стенки кровеносных сосудов.

Итак, мы рассмотрели основные виды пассивного транспорта молекул через биологические мембраны.

2.5. Часто бывает необходимым обеспечить перенос через мембрану молекул против их электрохимического градиента. Такой процесс называется активным транспортом и осуществляется белками-переносчиками, деятельность которых требует затрат энергии. Если связать белок-переносчик с источником энергии, можно получить механизм, обеспечивающий активный транспорт веществ через мембрану. Одним из главных источников энергии в клетке является гидролиз АТФ до АДФ и фосфата. На этом явлении основан важный для жизнедеятельности клетки механизм (Na + K)-насос. Он служит прекрасным

примером активного транспорта ионов. Концентрация K внутри клетки в 10-20 раз выше, чем снаружи. Для Na картина противоположная. Такую разницу конценраций обеспечивает работа (Na + K)-насоса, который активно перекачивает Na из клетки, а K в клетку. Известно, что на работу (Na + K)-насоса тратится почти треть всей энергии необходимой для жизнедеятельности клетки. Вышеуказанная разность концентраций поддерживается со следующими целями:

1) Регулировка объема клеток за счет осмотических эффектов.

2) Вторичный транспорт веществ (будет рассмотрен ниже).

Опытным путем было установлено, что:

а) Транспорт ионов Na и K тесно связан с гидролизом АТФ и не может осуществляться без него.

б) Na и АТФ должны находиться внутри клетки, а K снаружи.

в) Вещество уабаин ингибирует АТФазу только находясь вне клетки, где он конкурирует за участок связывания с K. (Na + K)-АТФаза активно транспортирует Na наружу а K внутрь клетки. При гидролизе одной молекулы АТФ три иона Na выкачиваются из клетки а два иона K попадают в нее.

1) Na связывается с белком.

2) Фосфорилирование АТФазы индуцирует конформационные изменения в белке, в результате чего:

3) Na переносится на внешнюю сторону мембраны и высвобождается.

4) Связывание K на внешней поверхности.

5) Дефосфорилирование.

6) Высвобождение K и возврат белка в первоначальное состояние.

По всей вероятности в (Na + K)-насосе есть три участка связывания Na и два участка связывания K. (Na + K)-насос можно заставить работать в противоположном направлении и синтезировать АТФ. Если увеличить концентрации ионов с соответствующих сторон от мембраны, они будут проходить через нее в соответствии со своими электрохимическими градиентами, а АТФ будет синтезироваться из ортофосфата и АДФ с помощью (Na + K)-АТФазы.

2.6. Если бы у клетки не существовало систем регуляции осмотического давления, то концентрация растворенных веществ внутри нее оказалась бы больше их внешних концентраций. Тогда концентрация воды в клетке была бы меньшей, чем ее концентрация снаружи. Вследствие этого, происходил бы постоянный приток воды в клетку и ее разрыв. К счастью, животные клетки и бактерии контролируют осмотическое давление в своих клетках с помощью активного выкачивания неорганических ионов таких как Na. Поэтому их общая концентрация внутри клетки ниже чем снаружи. Клетки растений имеют жесткие стенки, которые предохраняют их от набухания. Многие простейшие избегают разрыва от поступающей внутрь клетки воды с помощью специальных механизмов, которые регулярно выбрасывают поступающую воду.

2.7. Другим важным видом активного транспорта является активный транспорт с помощью ионных градиентов. Такой тип проникновения через мембрану осуществляют некоторые транспортные белки, работающие по принципу симпорта или антипорта с какими-нибудь ионами, электрохимический градиент которых достаточно высок. В животных клетках контранспортируемым ионом обычно является Na. Его электрохимический градиент обеспечивает энергией активный транспорт других молекул. Для примера рассмотрим работу насоса, который перекачивает глюкозу. Насос случайным образом осциллирует между состояниями "пинг" и "понг". Na связывается с белком в обоих его состояниях и при этом увеличивает сродство последнего к глюкозе. Вне клетки присоединение Na, а значит и глюкозы, происходит чаще чем внутри. Поэтому глюкоза перекачивается в клетку. Итак, наряду с пассивным транспортом ионов Na происходит симпорт глюкозы. Строго говоря, необходимая энергия для работы этого механизма запасается в ходе работы

(Na + K)-насоса в виде электрохимического потенциала ионов Na. У бактерий и растений большинство систем активного транспорта такого вида используют в качестве контранспортируемого иона ион H. К примеру, транспорт большей части сахаров и аминокислот в бактериальные клетки обусловлен градиентом H.

Органеллами (органоидами) клетки называют постоянные части клетки, имеющие определённое строение и выполняющие специфические функции. Различают мембранные и немембранные органеллы. К мембранным органеллам относят цитоплазматическую сеть (эндоплазматический ретикулум), пластинчатый комплекс (аппарат Гольджи), митохондрии, лизосомы, пероксисомы. Немембранные органеллы представлены рибосомами (полирибосомами), клеточным центром и элементами цитоскелета: микротрубочками и фибриллярными структурами.

Рис. 8. Схема ультрамикроскопического строения клетки:

1 – гранулярная эндоплазматическая сеть, на мембранах которой расположены прикреплённые рибосомы; 2 – агранулярная эндоплазматическая сеть; 3 – комплекс Гольджи; 4 – митохондрия; 5 – формирующаяся фагосома; 6 – первичная лизосома (гранула накопления); 7 – фаголизосома; 8 – эндоцитозные пузырьки; 9 – вторичная лизосома; 10 – остаточное тельце; 11 – пероксисома; 12 – микротрубочки; 13 - микрофиламенты; 14 – центриоли; 15 – свободные рибосомы; 16 – транспортные пузырьки; 17 – экзоцитозный пузырёк; 18 – жировые включения (липидная капля); 19 - включения гликогена; 20 – кариолемма (ядерная оболочка); 21 – ядерные поры; 22 – ядрышко; 23 – гетерохроматин; 24 – эухроматин; 25 – базальное тельце реснички; 26 - ресничка; 27 – специальный межклеточный контакт (десмосома); 28 – щелевой межклеточный контакт

2.5.2.1. Мембранные органоиды (органеллы)

Эндоплазматическая сеть (эндоплазматический ретикулум, цитоплазматическая сеть) - совокупность сообщающихся между собой канальцев, вакуолей и «цистерн», стенка которых образована элементарными биологическими мембранами. Открыта К.Р. Портером в 1945 го­ду. Открытие и описание эндоплазматической сети (ЭПС) обязано внедрению в практику цитологических исследований электронного микроскопа. Мембраны, образующие ЭПС, отличаются от плазмолеммы клетки меньшей толщиной (5-7 нм) и большей концентрацией белков, в первую очередь обладающих ферментативной активностью. Различают две разновидности ЭПС (рис. 8): шероховатую (гранулярную) и гладкую (агранулярную). Шероховатая ЭПС представлена уплощенными цистернами, на поверхности которых расположены рибосомы и полисомы. Мембраны гранулярной ЭПС содержат белки, способствующие связыванию рибосом и уплощению цистерн. Особенно хорошо развита шероховатая ЭПС в клетках, специализирующихся на белковом синтезе. Гладкую ЭПС формируют переплетающиеся канальцы, трубочки и небольшие пузырьки. Каналы и цистерны ЭПС этих двух разновидностей не разграничены: мембраны одного типа переходят в мембраны другого типа, формируя в области перехода так называемую переходную (транзиторную) ЭПС.

Основными функциями гранулярной ЭПС являются:

1) синтез на прикреплённых рибосомах белков (секретируемых белков, белков клеточных мембран и специфических белков содержимого мембранных органоидов); 2) гидроксилирование, сульфатирование, фосфорилирование и гликозилирование белков; 3) транспорт веществ в пределах цитоплазмы; 4) накопление как синтезируемых, так и транспортируемых веществ; 5) регуляция биохимических реакций, связанная с упорядоченностью локализации в структурах ЭПС веществ, вступающих в реакции, а также их катализаторов - ферментов.

Гладкая ЭПС отличается отсутствием на мембранах белков (рибофоринов), связывающих субъединицы рибосом. Предполагается, что гладкая ЭПС образуется в результате формирования выростов шероховатой ЭПС, мембрана которых утрачивает рибосомы.

Функциями гладкой ЭПС являются: 1) синтез липидов, включая мембранные липиды; 2) синтез углеводов (гликогена и др.); 3) синтез холестерина; 4) обезвреживание токсических веществ эндогенного и экзогенного происхождения; 5) накопление ионов Са 2+ ; 6) восстановление кариолеммы в телофазе митоза; 7) транспорт веществ; 8) накопление веществ.

Как правило, гладкая ЭПС развита в клетках слабее, чем шероховатая ЭПС, однако в клетках, вырабатывающих стероиды, триглицериды и холестерин, а также в клетках печени, осуществляющих детоксикацию различных веществ, она развита значительно лучше.

Рис. 9. Комплекс Гольджи:

1 – стопка уплощённых цистерн; 2 – пузырьки; 3 – секреторные пузырьки (вакуоли)

Переходная (транзиторная) ЭПС - это участок перехода гранулярной ЭПС в агранулярную ЭПС, который располагается у формирующейся поверхности комплекса Гольджи. Трубочки и канальцы переходной ЭПС распадаются на фрагменты, из которых образуются пузырьки, транспортирующие материал из ЭПС в комплекс Гольджи.

Пластинчатый комплекс (комплекс Гольджи, аппарат Гольджи) - органоид клетки, участвующий в окончательном формировании продуктов её жизнедеятельности (секретов, коллагена, гликогена, липидов и других продуктов), а также в синтезе гликопротеидов. Органоид назван по имени описавшего его в 1898 году итальянского гистолога К. Гольджи. Образован тремя составляющими (рис. 9): 1) стопкой уплощённых цистерн (мешочков); 2) пузырьками; 3) секреторными пузырьками (вакуолями). Зона скопления этих элементов получила название диктиосомы. Таких зон в клетке может быть несколько (иногда несколько десятков и даже сотен). Комплекс Гольджи располагается около ядра клетки, часто вблизи центриолей, реже рассеян по всей цитоплазме. В секреторных клетках он располагается в апикальной части клетки, через которую осуществляется выделение секрета путём экзоцитоза. От 3-х до 30-ти цистерн в виде изогнутых дисков диаметром 0,5-5 мкм образуют стопку. Смежные цистерны разделены пространствами в 15-30 нм. Отдельные группы цистерн в пределах диктиосомы отличаются особым составом ферментов, определяющих характер биохимических реакций, в частности процессинга белка и др.

Второй составляющий элемент диктиосомы - пузырьки представляют собой сферические образования диаметром 40-80 нм, умеренно плотное содержимое которых окружено мембраной. Пузырьки формируются путём отщепления от цистерн.

Третий элемент диктиосомы - секреторные пузырьки (вакуоли) представляют собой относительно крупные (0,1-1,0 мкм) сферические мембранные образования, содержащие секрет умеренной плотности, претерпевающий конденсацию и уплотнение (вакуоли конденсации).

Комплекс Гольджи отчётливо поляризован по вертикали. В нём выделяют две поверхности (два полюса):

1) цис-поверхность, или незрелую поверхность, которая имеет выпуклую форму, обращена к эндоплазматической сети (ядру) и связана с отделяющимися от неё мелкими транспортными пузырьками;

2) транс-поверхность, или поверхность, обращённую к плазмолемме вогнутой формы (рис. 8), со стороны которой от цистерн комплекса Гольджи отделяются вакуоли (секреторные гранулы).

Основными функциями комплекса Гольджи являются: 1) синтез гликопротеинов и полисахаридов; 2) модификация первичного секрета, его конденсация и упаковка в мембранные пузырьки (формирование секреторных гранул); 3) процессинг молекул (фосфорилирование, сульфатирование, ацилирование и т.п.); 4) накопление секретируемых клеткой веществ; 5) образование лизосом; 6) сортировка синтезированных клеткой белков у транс-поверхности перед их окончательным транспортом (производится посредством рецепторных белков, распознающих сигнальные участки макромолекул и направляющих их в различные пузырьки); 7) транспорт веществ: из транспортных пузырьков вещества проникают в стопку цистерн комплекса Гольджи с цис-поверхности, а выходят из неё в виде вакуолей с транс-поверхности. Механизм транспорта объясняют две модели: а) модель перемещения пузырьков, отпочковывающихся от предшествующей цистерны и сливающихся с последующей цистерной последовательно в направлении от цис-поверхности к транс-поверхности; б) модель перемещения цистерн, основанная на представлении о непрерывном новообразовании цистерн за счёт слияния пузырьков на цис-поверхности и последующем распаде на вакуоли цистерн, смещающихся к транс-поверхности.

Указанные выше основные функции позволяют констатировать, что пластинчатый комплекс - важнейший органоид клетки эукариот, обеспечивающий организацию и интеграцию внутриклеточного метаболизма. В этом органоиде протекают заключительные этапы формирования, созревания, сортировки и упаковки всех секретируемых клеткой продуктов, ферментов лизосом, а также белков и гликопротеинов поверхностного аппарата клетки и др. веществ.

Органоиды внутриклеточного переваривания. Лизосомы - это мелкие ограниченные элементарной мембраной пузырьки, содержащие гидролитические ферменты. Мембрана лизосом толщиной около 6 нм осуществляет пассивную компартментализацию, временно отделяя гидролитические ферменты (более 30 разновидностей) от гиалоплазмы. В неповреждённом состоянии мембрана устойчива к действию гидролитических ферментов и препятствует их утечке в гиалоплазму. В стабилизации мембраны важная роль принадлежит кортикостероидным гормонам. Повреждение мембран лизосом ведёт к самоперевариванию клетки гидролитическими ферментами.

Мембрана лизосом содержит АТФ-зависимый протонный насос, обеспечивающий закисление среды внутри лизосом. Последняя способствует активизации ферментов лизосом - кислых гидролаз. Наряду с этим мембрана лизосом содержит рецепторы, обусловливающие связывание лизосом с транспортными пузырьками и фагосомами. Мембрана обеспечивает также диффузию веществ из лизосом в гиалоплазму. Связывание части молекул гидролаз с мембраной лизосом ведёт к их инактивации.

Выделяют несколько разновидностей лизосом: первичные лизосомы (гидролазные пузырьки), вторичные лизосомы (фаголизосомы, или пищеварительные вакуоли), эндосомы, фагосомы, аутофаголизосомы, остаточные тельца (рис. 8).

Эндосомами называют мембранные пузырьки, переносящие макромолекулы от поверхности клетки в лизосомы путём эндоцитоза. В процессе переноса содержимое эндосом может не изменяться или претерпевать частичное расщепление. В последнем случае в эндосомы проникают гидролазы или эндосомы непосредственно сливаются с гидролазными пузырьками, вследствие чего среда постепенно закисляется. Эндосомы разделяют на две группы: ранние (периферические) и поздние (перинуклеарные) эндосомы.

Ранние (периферические) эндосомы формируются на ранних этапах эндоцитоза после отделения пузырьков с захваченным содержимым от плазмолеммы. Они располагаются в периферических слоях цитоплазмы и характеризуются нейтральной или слабощелочной средой. В них происходит отщепление лигандов от рецепторов, сортировка лигандов и, возможно, возвращение рецепторов в специальных пузырьках в плазмолемму. Наряду с этим в ранних эндосомах может происходить расщепление ком-

Рис. 10 (А). Схема образования лизосом и их участия во внутриклеточном пищеварении. (Б) Электронная микрофотография среза вторичных лизосом (обозначены стрелками):

1 – образование из гранулярной эндоплазматической сети мелких пузырьков с ферментами; 2 – перенос ферментов в аппарат Гольджи; 3 – образование первичных лизосом; 4 – выделение и использование (5) гидролаз при внеклеточном ращеплении; 6 - фагосомы; 7 – слияние первичных лизосом с фагосомами; 8, 9 – образование вторичных лизосом (фаголизосом); 10 – экскреция остаточных телец; 11 – слияние первичных лизосом с разрушающимися структурами клетки; 12 – аутофаголизосома

плексов «рецептор-гормон», «антиген-антитело», ограниченное расщепление антигенов, инактивация отдельных молекул. В условиях закисления (рН=6,0) среды в ранних эндосомах может происходить частичное расщепление макромолекул. Постепенно, перемещаясь вглубь цитоплазмы, ранние эндосомы превращаются в поздние (перинуклеарные) эндосомы, располагающиеся в глубоких слоях цитоплазмы, окружающих ядро. Они достигают 0,6-0,8 мкм в диаметре и отличаются от ранних эндосом более кислым (рН=5,5) содержимым и более высоким уровнем ферментативного переваривания содержимого.

Фагосомы (гетерофагосомы) - мембранные пузырьки, которые содержат захваченный клеткой извне материал, подлежащий внутриклеточному перевариванию.

Первичные лизосомы (гидролазные пузырьки) - пузырьки диаметром 0,2-0,5 мкм, содержащие неактивные ферменты (рис.10). Их перемещение в цитоплазме контролируется микротрубочками. Гидролазные пузырьки осуществляют транспорт гидролитических ферментов из пластинчатого комплекса к органоидам эндоцитозного пути (фагосомам, эндосомам и т.п.).

Вторичные лизосомы (фаголизосомы, пищеварительные вакуоли) - пузырьки, в которых активно осуществляется внутриклеточное переваривание посредством гидролаз при рН≤5. Их диаметр достигает 0,5-2 мкм. Вторичные лизосомы (фаголизосомы и аутофаголизосомы) формируются путём слияния фагосомы с эндосомой или первичной лизосомой (фаголизосомы) либо путём слияния аутофагосомы (мембранного пузырька, содержащего собственные компоненты клетки) с первичной лизосомой (рис. 10) или поздней эндосомой (аутофаголизосомы). Аутофагия обеспечивает переваривание участков цитоплазмы, митохондрий, рибосом, фрагментов мембран и т.п. Убыль последних в клетке компенсируется их новообразованием, что ведёт к обновлению («омоложению») клеточных структур. Так, в нервных клетках человека, функционирующих многие десятилетия, большинство органоидов обновляется в течение 1 месяца.

Разновидность лизосом, содержащих непереваренные вещества (структуры), названа остаточными тельцами. Последние могут длительно находиться в цитоплазме или выделять своё содержимое путём экзоцитоза за пределы клетки (рис. 10). Распространённым видом остаточных телец в организме животных являются липофусциновые гранулы , представляющие собой мембранные пузырьки (0,3-3 мкм), содержащие труднорастворимый коричневый пигмент липофусцин.

Пероксисомы представляют собой мембранные пузырьки диаметром до 1,5 мкм, матрикс которых содержит около 15 ферментов (рис. 8). Среди последних наиболее важны каталаза, на которую приходится до 40% общего белка органоида, а также пероксидаза, оксидаза аминокислот и др. Пероксисомы образуются в эндоплазматическом ретикулуме и обновляются каждые 5-6 дней. Наряду с митохондриями, пероксисомы являются важным центром утилизации кислорода в клетке. В частности, под воздействием каталазы распадается перекись водорода (Н 2 О 2), образующаяся в ходе окисления аминокислот, углеводов и др. веществ клетки. Таким образом, пероксисомы защищают клетку от повреждающего эффекта перекиси водорода.

Органоиды энергетического обмена. Митохондрии описаны впервые Р. Келликером в 1850 году в мышцах насекомых под названием саркосом. Позднее они изучались и описывались Р. Альтманом в 1894 году как «биопласты», а в 1897 году К. Бенда назвал их митохондриями. Митохондрии представляют собой мембранные органоиды, обеспечивающие клетку (организм) энергией. Источником запасаемой в виде фосфатных связей АТФ энергии являются процессы окисления. Наряду с этим митохондрии участвуют в биосинтезе стероидов и нуклеиновых кислот, а так­же в окислении жирных кислот.

М

Рис. 11. Схема строения митохондрии:

1 – наружная мембрана; 2 – внутренняя мембрана; 3 – кристы; 4 – матрикс

Н

Рис. 12. Электронная фотография митохондрии (поперечный разрез)

Межмембранное пространство митохондрий шириной 10-20 нм содержит небольшое количество ферментов. Его ограничивает изнутри внутренняя мембрана митохондрий, содержащая транспортные белки, ферменты дыхательной цепи и сукцинатдегидрогеназу, а также комплекс АТФ-синтетазы. Внутренняя мембрана характеризуется низкой проницаемостью для мелких ионов. Она формирует складки толщиной 20 нм, которые располагаются чаще всего перпендикулярно продольной оси митохондрий, а в некоторых случаях (мышечные и др. клетки) - продольно. С повышением активности митохондрий количество складок (их общая площадь) возрастает. На кристах находятся оксисомы - грибовидные образования, состоящие из округлой головки диаметром 9 нм и ножки толщиной 3 нм. В области головки происходит синтез АТФ. Процессы окисления и синтеза АТФ в митохондриях разобщены, из-за чего не вся энергия накапливается в АТФ, рассеиваясь частично в виде тепла. Такое разобщение наиболее выражено, например, в бурой жировой ткани, используемой для весеннего «разогрева» находившихся в состоянии «зимней спячки» животных.

Внутренняя камера митохондрии (область между внутренней мембраной и кристами) заполнена матриксом (рис. 11, 12), содержащим ферменты цикла Кребса, ферменты белкового синтеза, ферменты окисления жирных кислот, митохондриальную ДНК, рибосомы и митохондриальные гранулы.

Митохондриальная ДНК представляет собственный генетический аппарат митохондрий. Она имеет вид кольцевой двухцепочечной молекулы, в которой содержится около 37 генов. Митохондриальная ДНК отличается от ядерной ДНК низким содержанием некодирующих последовательностей и отсутствием связей с гистонами. Митохондриальная ДНК кодирует иРНК, тРНК и рРНК, однако обеспечивает синтез только 5-6% митохондриальных белков (ферментов системы транспорта ионов и некоторых ферментов синтеза АТФ). Синтез всех других белков, а также удвоение митохондрий контролируются ядерной ДНК. Большая часть рибосомальных белков митохондрий синтезируется в цитоплазме, а затем транспортируется в митохондрии. Наследование митохондриальной ДНК у многих видов эукариот, включая человека, происходит только по материнской линии: митохондриальная ДНК отца исчезает при гаметогенезе и оплодотворении.

Митохондрии имеют относительно короткий жизненный цикл (около 10 суток). Разрушение их происходит путём аутофагии, а новообразование - путём деления (перешнуровки) предшествующих митохондрий. Последнему предшествует репликация митохондриальной ДНК, которая происходит независимо от репликации ядерной ДНК в любые фазы клеточного цикла.

У прокариот митохондрии отсутствуют, и их функции выполняет клеточная мембрана. Согласно одной из гипотез, митохондрии произошли из аэробных бактерий в результате симбиогенеза. Существует предположение об участии митохондрий в передаче наследственной информации.

Биологические мембраны, находящиеся на границе клетки и внеклеточного пространства, а также на границе мембранных ор- ганелл клетки (митохондрии, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы, ядро, мембранные пузырьки) и цитозоля, важны для функционирования не только клетки в целом, но и её органелл. Клеточные мембраны имеют принципиально сходную молекулярную организацию. В этой главе био- логические мембраны рассмотрены преимущественно на примере плазматической мембраны (плазмолеммы), отграничивающей клетку от внеклеточной среды.

Плазматическая мембрана

Любая биологическая мембрана (рис. 2-1) состоит из фосфолипидов (~50%) и белков (до 40%). В меньших количествах в состав мембраны входят другие липиды, холестерол и углеводы.

Фосфолипиды. Молекула фосфолипида состоит из полярной (гидрофильной) части (головка) и аполярного (гидрофобного) двойного углеводородного хвоста. В водной фазе молекулы фосфолипидов автоматически агрегируют хвост к хвосту, формируя каркас биологической мембраны (рис. 2-1 и 2-2) в виде двойного слоя (бислой). Таким образом, в мембране хвосты фосфолипидов (жирные кислоты) направлены внутрь бислоя, а содержащие фосфатные группировки головки обращены кнаружи.

Белки биологических мембран подразделяются на интегральные (в том числе трансмембранные) и периферические (см. рис. 2-1, 2-2).

Интегральные мембранные белки (глобулярные) встроены в липидный бислой. Их гидрофильные аминокислоты взаи-

Рис. 2-1. Биологическая мембрана состоит из двойного слоя фосфолипидов, гидрофильные части которых (головки) направлены к поверхности мембраны, а гидрофобные части (хвосты, стабилизирующие мембрану в виде бислоя) - внутрь мембраны. И - интегральные белки погружены в мембрану. Т - трансмембранные белки пронизывают всю толщу мембраны. Π - периферические белки расположены либо на наружной, либо на внутренней поверхности мембраны.

модействуют с фосфатными группами фосфолипидов, а гидрофобные аминокислоты - с цепями жирных кислот. К интегральным мембранным белкам относятся белки адгезии, некоторые рецепторные белки (мембранные рецепторы). Трансмембранный белок - молекула белка, проходящая через всю толщу мембраны и выступающая из неё как на наружной, так и на внутренней поверхности. К трансмембранным белкам относятся поры, ионные каналы, переносчики, насосы, некоторые рецепторные белки.

Гидрофильный участок

Рис. 2-2. Плазматическая мембрана. Пояснения в тексте.

♦ Поры и каналы - трансмембранные пути, по которым между цитозолем и межклеточным пространством (и в обратном направлении) перемещаются вода, ионы и молекулы метаболитов.

♦ Переносчики осуществляют трансмембранное перемещение конкретных молекул (в том числе в сочетании с переносом ионов или молекул другого типа).

♦ Насосы перемещают ионы против их концентрационного и энергетического градиентов (электрохимический градиент) при помощи энергии, освобождаемой при гидролизе АТФ.

Периферические мембранные белки (фибриллярные и глобулярные) находятся на одной из поверхностей клеточной мембраны (наружной или внутренней) и нековалентно свя- заны с интегральными мембранными белками.

♦ Примеры периферических мембранных белков, связанных с наружной поверхностью мембраны, - рецепторные белки и белки адгезии.

♦ Примеры периферических мембранных белков, связанных с внутренней поверхностью мембраны, - белки цитоскелета, белки системы вторых посредников, ферменты и другие белки.

Углеводы (преимущественно олигосахариды) входят в состав гликопротеинов и гликолипидов мембраны, составляя 2-10% её массы (см. рис. 2-2). С углеводами клеточной поверхности взаимодействуют лектины. Цепи олигосахаридов выступают на наружной поверхности мембран клетки и формируют поверхностную оболочку - гликокаликс.

Проницаемость мембраны

Мембранный бислой разделяет две водные фазы. Так, плазматическая мембрана отделяет межклеточную (интерстициальную) жидкость от цитозоля, а мембраны лизосом, пероксисом, митохондрий и других мембранных внутриклеточных органелл - их содержимое от цитозоля. Биологическая мембрана - полупроницаемый барьер.

Полупроницаемая мембрана. Биологическую мембрану определяют как полупроницаемую, т.е. барьер, непроницаемый для воды, но проницаемый для растворённых в ней веществ (ионы и молекулы).

Полупроницаемые тканевые структуры. К полупроницаемым тканевым структурам относят также стенку кровеносных капилляров и различные барьеры (например, фильтрационный барьер почечных телец, аэрогематический барьер респираторного отдела лёгкого, гематоэнцефалический барьер и многие другие, хотя в состав таких барьеров, помимо биологических мембран (плазмолемма), входят и немембранные компоненты. Проницаемость таких тканевых структур рассматривается в разделе «Трансклеточная проницаемость» главы 4.

Физико-химические параметры межклеточной жидкости и цитозоля существенно различны (см. табл. 2-1), как и параметры каждого мембранного внутриклеточного органоида и цитозоля. Наружная и внутренняя поверхности биологической мембраны полярны и гидрофильны, но неполярная сердцевина мембраны гидрофобна. Поэтому неполярные вещества могут проникать через липидный бислой. В то же время именно гидрофобный характер сердцевины биологической мембраны определяет принципиальную невозможность непосредственного проникновения через мембрану полярных веществ.

Неполярные вещества (например, водонерастворимые холестерол и его производные) свободно проникают через биологические мембраны. В частности, именно по этой причине рецепторы стероидных гормонов расположены внутри клетки.

Полярные вещества (например, ионы Na+, K+, Cl - , Ca 2 +; различные небольшие, но полярные метаболиты, а также сахара, нуклеотиды, макромолекулы белка и нуклеиновых кислот) сами по себе не проникают через биологические мембраны. Именно поэтому рецепторы полярных молекул (например, пептидных гормонов) встроены в плазматическую мембрану, а передачу гормонального сигнала к другим клеточным компартментам осуществляют вторые посредники.

Избирательная проницаемость - проницаемость биологической мембраны по отношению к конкретным химическим веществам - важна для поддержания клеточного гомеостаза, оптимального содержания в клетке ионов, воды, метаболитов и макромолекул. Перемещение конкретных веществ через биологическую мембрану называют трансмембранным транспортом (чрезмембранный транспорт).

Трансмембранный транспорт

Избирательная проницаемость осуществляется при помощи пассивного транспорта, облегчённой диффузии и активного транс- порта.

Пассивный транспорт

Пассивный транспорт (пассивная диффузия) - движение небольших неполярных и полярных молекул в обоих направлениях по градиенту концентрации (разность химического потенциала) или по электрохимическому градиенту (транспорт заряженных веществ - электролитов) осуществляется без затрат энергии и характеризуется низкой специфичностью. Простую диффузию описывает закон Фика. Пример пассивного транспорта - пассивная (простая) диффузия газов при дыхании.

Концентрационный градиент. Определяющий фактор диффузии газов - их парциальное давление (например, парциальное давление кислорода - Po 2 и парциальное давление диоксида углерода - PCO 2). Другими словами, при простой диффузии поток незаряженного вещества (например, газов, стероидных гормонов, анестетиков) через липидный бислой прямо пропорционален разности концентрации этого вещества по обе стороны мембраны (рис. 2-3).

Электрохимический градиент (Δμ х). Пассивный транспорт заряженного растворённого вещества Х зависит от разности концентраций вещества в клетке ([Х] В) и вне (снаружи) клетки ([Х] С) и от разницы электрического потенциала вне (Ψ С) и внутри клетки (Ψ Β). Другими словами, Δμ χ учитывает вклад и концентрационного градиента вещества (разность химического потенциала), и электрического потенциала по обе стороны мембраны (разность электрического потенциала).

Φ Таким образом, движущей силой пассивного транспорта электролитов является электрохимический градиент - раз- ность электрохимического потенциала (Δμ х) по обе стороны биологической мембраны.

Облегчённая диффузия

Для облегчённой диффузии веществ (см. рис. 2-3) необходимы встроенные в мембрану белковые компоненты (поры, пере- носчики, каналы). Все эти компоненты относятся к интегральным

Рис. 2-3. Пассивный транспорт путём диффузии через плазматическую мембрану. А - направление транспорта вещества и при простой, и при об- легчённой диффузии происходит по градиенту концентрации вещества по обе стороны плазмолеммы. Б - кинетика транспорта. По ординате - количество диффундировавшего вещества, по ординате - время. Простая диффузия не требует непосредственных затрат энергии, является ненасыщаемым процессом, её скорость линейно зависит от градиента концентрации вещества.

(трансмембранным) белкам. Облегчённая диффузия происходит по градиенту концентрации для неполярных веществ или по электрохимическому градиенту для полярных веществ.

Поры. По определению, заполненный водой канал поры всегда открыт (рис. 2-4). Поры формируют разные белки (порины, перфорины, аквапорины, коннексины и др.). В некоторых случаях образуются гигантские комплексы (например, ядерные поры), состоящие из множества разных белков.

Переносчики (транспортёры) осуществляют транспорт через биологические мембраны множества различных ионов (Na+, Cl - , H+, HCO 3 - и др.) и органических веществ (глюкоза, аминокислоты, креатин, норадреналин, фолаты, лактат, пируват и др.). Транспортёры специфичны: каждый конкретный пере-

Рис. 2-4. Пора в плазмолемме .

Канал поры всегда открыт, поэтому химическое вещество Х проходит через мембрану по градиенту его концентрации или (если вещество Х заряжено) по электрохимическому градиенту. В данном случае происходит перемещение вещества Х из внеклеточного пространства в цитозоль.

носчик переносит через липидный бислой, как правило и по преимуществу, одно вещество. Различают однонаправленный (унипорт), сочетанный (симпорт) и разнонаправленный (антипорт) транспорт (рис. 2-5).

Переносчики, осуществляющие как сочетанный (симпорт), так и разнонаправленный (антипорт) трансмембранный перенос, с точки зрения энергетических затрат функционируют так, что энергия, накапливающаяся при переносе одного вещества (обычно Na+), затрачивается на транспорт другого вещества. Такой тип трансмембранного переноса называют вторичным активным транспортом (см. ниже). Ионные каналы состоят из связанных между собой белковых СЕ, формирующих в мембране гидрофильную пору (рис. 2-6). Через открытую пору по электрохимическому градиенту диффундируют ионы. Свойства ионных каналов (в том числе специфичность и проводимость) определяют как аминокислотная последовательность конкретного полипептида, так и конформационные изменения, происходящие с разными частями полипептидов в составе интегрального белка канала. Специфичность. Ионные каналы специфичны (селективны) по отношению к конкретным катионам и анионам [например, для Na+ (натриевый канал), K+ (калиевый

Рис. 2-5. Модель вариантов трансмембранного переноса разных молекул .

Рис. 2-6. Модель калиевого канала. Интегральный белок (на рисунке цифрами помечены фрагменты белка) пронизывает всю толщу липидного бислоя, формируя заполненную водой пору канала (на рисунке в канале видны три иона калия, ниж- ний из них находится в полости поры).

канал), Ca 2 + (кальциевый канал), Cl - (хлорный канал) и

др.].

Φ Проводимость определяется количеством ионов, способных пройти через канал в единицу времени. Проводимость канала изменяется в зависимости от того, открыт канал или закрыт.

Φ Ворота. Канал может находиться либо в открытом, либо в закрытом состоянии (рис. 2-7). Поэтому модель канала предусматривает наличие устройства, открывающего и закрывающего канал, - воротного механизма, или ворот канала (по аналогии с открытыми и закрытыми воротами).

Φ Функциональные компоненты. Помимо ворот, модель ионного канала предусматривает существование таких функци- ональных компонентов, как сенсор, избирательный фильтр и пора открытого канала.

Рис. 2-7. Модель воротного механизма ионного канала . А. Ворота канала закрыты, ион Х не может пройти через мембрану. Б. Ворота канала открыты, ионы Х проходят через мембрану по поре канала.

♦ Сенсор. Каждый канал имеет один (иногда больше) сенсоров к разным типам сигналов: изменениям мембран- ного потенциала (МП), вторым посредникам (с цитоплазматической стороны мембраны), разным лигандам (с внеклеточной стороны мембраны). Эти сигналы регулируют переход между открытым и закрытым состоянием канала.

■ Классификация каналов по чувствительности к разным сигналам. По этому признаку каналы подразделяются на потенциалзависимые, механочувствительные, рецепторзависимые, G-белокзависимые, Са 2 +-зависимые.

♦ Избирательный фильтр определяет, какие именно типы ионов (анионы или катионы) или конкретные ионы (например, Na+, К+, Ca 2 +, Cl -) имеют доступ в пору канала.

♦ Пора открытого канала. После приобретения интегральным белком канала конформации, соответствующей открытому состоянию канала, формируется трансмембранная пора, внутри которой перемещаются ионы.

Φ Состояния канала. Благодаря наличию ворот, сенсора, избирательного фильтра и поры ионные каналы могут быть в состоянии покоя, активации и инактивации.

♦ Состояние покоя - канал закрыт, но готов к открытию в ответ на химические, механические или электрические стимулы.

♦ Состояние активации - канал открыт и пропускает ионы.

♦ Состояние инактивации - канал закрыт и не способен к активации. Инактивация возникает тотчас после открытия канала в ответ на действие стимула и длится от нескольких до нескольких сотен миллисекунды (в зависимости от типа канала).

Φ Примеры. Наиболее распространённые каналы - для Na+, K+, Ca 2 +, Cl - , НСО - 3 .

♦ Натриевые каналы имеются практически в любой клетке. Поскольку трансмембранная разность электрохимического потенциала для Na+ (Δμ ?а) отрицательна, при открытом состоянии Na + -канала ионы натрия устремляются из меж- клеточного пространства в цитозоль (слева на рис. 2-8).

Рис. 2-8. Na+-, K + -насос . Модель Na+-, К+-АТФазы, встроенной в плаз- матическую мембрану. Na+-, К+-насос - интегральный мембранный белок, состоящий из четырёх СЕ (формирующие канал две каталитические субъединицы α и две - гликопротеина β). Na+-, К+-насос осуществляет транспорт катионов против электрохимического градиента (μ x) - транспортирует Na+ из клетки в обмен на K + (при гидролизе одной молекулы АТФ три иона Na + выкачиваются из клетки и два иона K + закачиваются в неё). Слева и справа от насоса стрелками показаны направления трансмембранного потока ионов и воды в клетку (Na+) и из клетки (К+, Cl - и вода) в силу различий их Δμ x . АДФ - аденозиндифосфат, Фн - неорганический фосфат.

■ В электровозбудимых структурах (например, скелетные МВ, кардиомиоциты, ГМК, нейроны) натриевые каналы генерируют ПД, точнее начальный этап деполяризации мембраны. Потенциалвозбудимые натриевые каналы - гетеродимеры; в их состав входит большая α-субъединица (M r около 260 кД) и несколько β-субъединиц (M r 32-38 кД). Определяет свойства канала трансмембранная α-СЕ.

■ В канальцах нефрона и в кишечнике Na+-каналы концентрируются на верхушке эпителиальных клеток, поэтому Na + входит в эти клетки из просвета и далее поступает в кровь, обеспечивая реабсорбцию натрия в почке и всасывание натрия в ЖКТ.

♦ Калиевые каналы (см. рис. 2-6) - интегральные мембранные белки, эти каналы обнаружены в плазмолемме всех клеток. Трансмембранная разность электрохимического потенциала для К+ (Δμ κ) близка к нулю (или слегка положительна), поэтому при открытом состоянии К+-канала ионы калия перемещаются из цитозоля во внеклеточное пространство («утечка» калия из клетки, справа на рис. 2-8). Функции К+-каналов - поддержание МП покоя (отрицателен по внутренней поверхности мембраны), регуляция объёма клетки, участие в завершении ПД, модуляция электрической возбудимости нервных и мышечных структур, секреция инсулина из β-клеток островков Лангерханса.

♦ Кальциевые каналы - белковые комплексы, состоящие из нескольких СЕ (α ρ α 2 , β, γ, δ). Поскольку трансмембранная разность электрохимического потенциала для Ca 2 + (Δμ ca) существенно отрицательна, то при открытом состоянии Ca^-канала ионы кальция устремляются из внутриклеточных мембранных «депо кальция» и межклеточного пространства в цитозоль. При активации каналов происходит деполяризация мембраны, а также взаимодействие лигандов с их рецепторами. Ca 2+ -каналы подразделяются на потенциалзависимые и управляемые рецепторами (например, адренергическими).

♦ Анионные каналы. Многие клетки содержат разные типы анионоселективных каналов, через которые происходит пассивный транспорт Cl - и в меньшей степени - НСО - 3 . Поскольку трансмембранная разность электрохимического потенциала для Cl - (Δμ α) умеренно отрицательна, при открытом анионном канале ионы хлора диффундируют из цитозоля в межклеточное пространство (справа на рис. 2-8).

Активный транспорт

Активный транспорт - энергозависимый трансмембранный перенос против электрохимического градиента. Различают первичный и вторичный активный транспорт. Первичный активный транспорт осуществляют насосы (различные АТФазы), вторичный - симпор- тёры (сочетанный однонаправленный транспорт) и антипортёры (встречный разнонаправленный транспорт).

Первичный активный транспорт обеспечивают следующие насосы: натрий-, калиевые АТФазы, протонные и калиевые АТФазы, Са 2+ -транспортирующие АТФазы, митохондриальные АТФазы, лизосомальные протонные насосы и др.

Φ Натрий-, калиевая АТФаза (см. рис. 2-8) регулирует трансмембранные потоки основных катионов (Na + , К +) и опосредованно - воды (что поддерживает постоянный объём клетки), обеспечивает?+-связанный трансмембранный перенос (симпорт и антипорт) множества органических и неорганических молекул, участвует в создании МП покоя и генерации ПД нервных и мышечных элементов.

Φ Протонная и калиевая АТФаза (H+-, К+-насос). При помощи этого фермента париетальные клетки желёз слизистой оболочки желудка участвуют в образовании соляной кислоты (электронейтральный обмен двух внеклеточных ионов К + на два внутриклеточных иона H + при гидролизе одной молекулы АТФ).

Φ Са 2 +-транспортирующие АТФазы (Са 2 +-АТФазы) выкачивают ионы кальция из цитоплазмы в обмен на протоны против значительного электрохимического градиента Са 2+ .

Φ Митохондриальная АТФаза типа F (F 0 F:) - АТФ-синтаза внутренней мембраны митохондрий - катализирует конечный этап синтеза АТФ. Кристы митохондрий содержат АТФ-синтазу, сопрягающую окисление в цикле Кребса и фосфорилирование АДФ до АТФ. АТФ синтезируется при обратном токе протонов в матрикс через канал в АТФ- синтезирующем комплексе (так называемое хемиосмотическое сопряжение).

Φ Лизосомальные протонные насосы [Н+-АТФазы типа V (от Vesicular)], встроенные в мембраны, которые окружают лизосомы (также комплекс Гольджи и секреторные пузырьки), транспортируют H + из цитозоля в эти мембранные органеллы. В результате в них снижается значение pH, что оптимизирует функции этих структур.

Вторичный активный транспорт. Известны две формы активного вторичного транспорта - сочетанный (симпорт) и встречный (антипорт) (см. рис. 2-5).

Φ Симпорт осуществляют интегральные мембранные белки. Перенос вещества Х против его электрохимического гра-

диента (μ x) в большинстве случаев происходит за счёт поступления в цитозоль из межклеточного пространства по градиенту диффузии ионов натрия (т.е. за счёт Δμ Na)), а в ряде случаев - за счёт поступления в цитозоль из межклеточного пространства по градиенту диффузии протонов (т.е. за счёт Δμ H . В итоге и ионы (Na+ или H+), и вещество Х (например, глюкоза, аминокислоты, неорганические анионы, ионы калия и хлора) перемещаются из межклеточного вещества в цитозоль. Φ Антипорт (встречный, или обменный транспорт), как правило, перемещает анионы в обмен на анионы и катионы в обмен на катионы. Движущая сила обменника формируется за счёт поступления в клетку Na+.

Поддержание внутриклеточного ионного гомеостаза

Избирательная проницаемость биологических мембран, осуществляемая при помощи пассивного транспорта, облегчённой диффузии и активного транспорта, направлена на поддержание важных для функционирования клеток параметров ионного гомеостаза , , и других ионов, а также pH () и воды (табл. 2-1) и множества других химических соединений.

Гомеостаз и подразумевает поддержание асимметричного и значительного трансмембранного градиента этих катионов, обеспечивает электрическую поляризацию клеточных мембран, а также накопление энергии для трансмембранного переноса разных химических веществ.

Φ Значительный и асимметричный трансмембранный градиент.

Для и характерен значительный и асимметричный трансмембранный градиент этих катионов: внеклеточная примерно в 10 раз выше цитозоля, тогда как внутриклеточная примерно в 30 раз выше внеклеточной . Поддержание этого градиента почти полностью обеспечивает Na+-, К+-АТФаза (см. рис. 2-8).

Φ Поляризация мембраны. Na+-, К+-насос обладает электрогенностью: его работа способствует поддержанию мембранного потенциала (МП), т.е. положительного заряда наружной (внеклеточной) поверхности мембраны и отрицательного заряда внутренней (внутриклеточной) поверхности мембраны. Величина заряда (V m), измеренная на внутренней поверхности мембраны, составляет около -60 мВ.

Φ Трансмембранный электрохимический градиент Na+, направленный внутрь клетки, способствует пассивному входу Na + в цитозоль и - главное! - накоплению при этом энергии. Именно эту энергию клетки используют для решения ряда важных задач - обеспечения вторичного активного транспорта и трансклеточного переноса, а в возбудимых клетках - генерации потенциала действия (ПД).

♦ Трансклеточный перенос. В эпителиальных клетках, образующих стенку разных трубок и полостей (например, канальцев нефрона, тонкого кишечника, серозных полостей и др.), на верхушечной поверхности эпителия расположены Na+-каналы, а в плазмолемму базальной поверхности клеток вмонтированы Na+-, К+-насосы. Такое асимметричное расположение Na+-каналов и?+-насосов позволяет перекачивать ионы натрия сквозь клетку, т.е. из просвета канальцев и полостей во внутреннюю среду организма.

♦ Потенциал действия (ПД). В электровозбудимых клеточных элементах (нейроны, кардиомиоциты, скелетные МВ, ГМК) пассивный вход в цитозоль через потенциалзависимые Na+-каналы критичен для генерации ПД (подробнее см. в гл. 5).

Гомеостаз . Поскольку Са 2 + цитозоля выступает в качестве второго (внутриклеточного) посредника, регулирующего множество функций, то в цитозоле клетки в состоянии

покоя минимальна (<100 нМ, или 10 -7 M). В то же время внеклеточная около 1 мМ (10 -3 M). Таким образом, разни- ца трансмембранного электрохимического градиента для Ca 2+ (Δμ^) гигантская - 4 порядка величины μ Ca ! Другими словами, между цитозолем и внеклеточной средой (а также между цитозолем и внутриклеточными депо кальция, в первую очередь цистернами эндоплазматической сети) существует весьма значительный трансмембранный градиент Ca 2+ . Именно поэтому поступление Ca 2+ в цитозоль происходит практически мгновенно: в виде «выброса» Ca 2 + из кальциевых депо или «вброса» Ca 2 + из межклеточного пространства. Поддержание столь низкой в цитозоле обеспечивают Са 2 +-АТФазы, Na+-Ca 2 +-обменники и Ca 2 +-буферные внутриклеточные системы (митохондрии и Ca 2 +-связывающие белки).

Гомеостаз . Во всех клетках в цитозоле примерно в 10 раз меньше вне клетки. Эту ситуацию поддерживают анионные каналы (Cl - пассивно проходит в цитозоль), Na-/ К-/Cl-котранспортёр и Cl-HCO^-обменник (Cl - поступает в клетку), а также К-/Cl-котранспортёр (выход К+ и Cl - из клетки).

pH. Для поддержания pH существенна , а также [НСО - 3 ] и PCO 2 . Внеклеточное значение pH составляет 7,4 (при [НСО - 3 ] около 24 мМ и PCO 2 примерно 40 мм рт.ст.). В то же время внутриклеточное значение pH равно 7,2 (сдвинуто в кислую сторону, при этом одинаково по обе стороны мембраны, а вычисленное значение [НСО - 3 ] должно составить около 16 мМ, тогда как реально составляет 10 мМ). Следовательно, клетка должна иметь системы, выбрасывающие из неё H + или захватывающие НСО - 3 . К таким системам относятся Na + - ^-обменник, Na+-Cl - -HCO - 3 -обменник и Na+-HCO - 3 - котранспортёр. Все перечисленные транспортные системы чувствительны к изменениям pH: они активируются при закислении цитозоля и блокируются при сдвиге внутриклеточного pH в щелочную сторону.

Транспорт воды и поддержание клеточного объёма

По определению, сама по себе полупроницаемая мембрана (а ею и является биологическая мембрана) непроницаема для воды. Более того, трансмембранный перенос воды - всегда пассивный

процесс (через водные аквапориновые каналы как раз и происходит простая диффузия воды, но никаких специальных насосов для активного транспорта воды не обнаружено), осуществляемый через трансмембранные поры и каналы в составе других переносчиков и насосов. Тем не менее распределение воды между клеточными компартментами, цитозолем и органоидами клетки, между клеткой и интерстициальной жидкостью и её транспорт через биологические мембраны имеют огромное значение для гомеостаза клеток (в том числе для регулирования их объёма). Поток воды через биологические мембраны (осмос) определяет разность осмотического и гидростатического давления по обе стороны мембраны.

Осмос - поток воды через полупроницаемую мембрану из компартмента с меньшей концентрацией растворённых в воде веществ в компартмент с большей их концентрацией. Другими словами, вода перетекает оттуда, где её химический потенциал (Δμ а) выше, туда, где её химический потенциал ниже, так как наличие растворённых в воде веществ уменьшает химический потенциал воды.

Осмотическое давление (рис. 2-9) определяют как давление раствора, прекращающее его разведение водой через полупроницаемую мембрану. Численно осмотическое давление при равновесном состоянии (вода перестала проникать через полупроницаемую мембрану) равно гидростатическому давлению.

Осмотический коэффициент (Φ). Значение Φ для электролитов в физиологических концентрациях обычно менее 1 и по мере разведения раствора Φ приближается к 1.

Осмоляльность. Термины «осмоль» и «осмоляльность» - внесистемные единицы. Осмоль (осм) - молекулярная масса рас- творённого вещества в граммах, делённая на число ионов или частиц, на которые оно диссоциирует в растворе. Осмоляльность (осмотическая концентрация) - степень концентрации раствора, выраженная в осмолях, а осмоляльность раствора (Ф iс) выражают в осмолях на литр.

Осмотичность растворов. В зависимости от осмоляльности растворы могут быть изоосмотическими, гипер- и гипоосмотическими (иногда применяют не совсем корректный термин «тонический», справедливый для простейшего случая - для электролитов). Оценка осмотичности растворов (или ци-

Рис. 2-9. Осмотическое давление . Полупроницаемая мембрана разделяет отсеки А (раствор) и Б (вода). Осмотическое давление раствора измеряют в отсеке А. На раствор в отсеке А действует гидростатическое давление. При равенстве осмотического и гидростатического давлений устанавливается равновесие (вода не проникает через полупроницаемую мембрану). Осмотическое давление (π) описывает уравнение Вант Гоффа.

тозоля и межклеточной жидкости) имеет смысл только при сравнении двух растворов (например, АиБ, цитозоля и межклеточной жидкости, инфузионных растворов и крови). В частности, независимо от осмоляльности двух растворов между ними происходит осмотическое перемещение воды до достижения равновесного состояния. Такая осмотичность известна как эффективная осмотичность (тоничность для раствора электролитов).

Изоосмотический раствор А: осмотическое давление растворов А и Б одинаково.

Гипоосмотический раствор А: меньше осмотического давления раствора Б. Гиперосмотический раствор А: осмотическое давление раствора А больше осмотического давления раствора Б.

Кинетика транспорта воды через мембрану линейна, ненасыщаема и является функцией суммы движущих сил транспорта (Δμ вода, сумма), а именно разницы химического потенциала по обе стороны мембраны (Δμ вод а) и разницы гидростатического давления (Δμ давление воды) по обе стороны мембраны.

Осмотическое набухание и осмотическое сморщивание клеток. Состояние клеток при изменении осмотичности раствора электролита, в котором взвешены клетки, рассмотрено на рис. 2-10.

Рис. 2-10. Состояние взвешенных в растворе NaCl эритроцитов . По абсциссе - концентрация (С) NaCl (мМ), по ординате - объём клеток (V). При концентрации NaCl 154 мМ (308 мМ осмотически активных частиц) объём клеток такой же, как и в плазме крови (изотоничный эритроцитам раствор NaCl, С 0 , V 0). При увеличении концентрации NaCl (гипертонический раствор NaCl) вода выходит из эритроцитов, и они сморщиваются. При уменьшении концентрации NaCl (гипотонический раствор NaCl) вода входит в эритроциты, и они набухают. При гипотоничности раствора, примерно в 1,4 превышающей значение изотонического раствора, происходит разрушение мембраны (лизис).

Регуляция объёма клеток. На рис. 2-10 рассмотрен простейший случай - взвесь эритроцитов в растворе NaCl. В этом модельном эксперименте in vitro получены такие результаты: если осмотическое давление раствора NaCl увеличивается, то вода покидает клетки путём осмоса, а клетки сморщиваются; если осмотическое давление раствора NaCl уменьшается, вода поступает в клетки, и клетки набухают. Но ситуация in vivo сложнее. В частности, клетки находятся не в растворе единственного электролита (NaCl), а в реальном окружении

множества ионов и молекул с разными физико-химическими характеристиками. Так, плазматическая мембрана клеток не- проницаема для многих вне- и внутриклеточных веществ (например, белков); кроме того, в рассмотренном выше случае не учитывался заряд мембраны. Заключение. Ниже суммированы данные о регуляции распределения воды между компартментами, разделёнными полупроницаемой мембраной (в том числе между клетками и внеклеточным веществом).

Поскольку клетка содержит не проходящие через мембрану отрицательно заряженные белки, доннановские силы вызывают набухание клетки.

Клетка реагирует на внеклеточную гиперосмоляльность накоплением в ней органических растворённых веществ.

Градиент тоничности (эффективная осмоляльность) обеспечивает осмотический ток воды через мембрану.

Вливание изотонических солевых и бессолевых растворов (5% глюкозы), а также введение NaCI (эквивалентно изотоническому солевому раствору) увеличивает объём межклеточной жидкости, но по-разному влияет на объём клеток и внеклеточную осмоляльность. В приведённых ниже примерах все расчёты даны исходя из следующих начальных значений: вся вода организма - 42 л (60% организма мужчины массой 70 кг), внутриклеточная вода - 25 л (60% всей воды), внеклеточная вода - 17 л (40% всей воды). Осмоляльность внеклеточной жидкости и внутриклеточной воды составляет 290 мосм.

Φ Изотонические солевые растворы. Вливание изотонического солевого раствора (0,9% NaCI) увеличивает объём межклеточной жидкости, но не влияет на объём внутриклеточной жидкости.

Φ Изотонические бессолевые растворы. Приём 1,5 л воды или вливание изотонического бессолевого раствора (5% глюкозы) увеличивает объём и межклеточной, и внутриклеточной жидкости.

Φ Хлорид натрия. Введение в организм NaCI (эквивалентно изотоническому солевому раствору) увеличивает объём межклеточной воды, но уменьшает объём внутриклеточной воды.

Мембранный электрогенез

Различная концентрация ионов по обе стороны плазмолеммы всех клеток (см. табл. 2-1) приводит к трансмембранной разности электрического потенциала - Δμ - мембранного потенциала (МП, или V m).

Мембранный потенциал

МП покоя - разность электрических потенциалов между внутренней и наружной поверхностью мембраны в состоянии покоя, т.е. при отсутствии электрического или химического раздражителя (сигнала). В состоянии покоя поляризация внутренней поверхности клеточной мембраны имеет отрицательную величину, поэтому значение МП покоя тоже отрицательно.

Величина МП существенно зависит от типа клеток и их размеров. Так, МП покоя плазмолеммы нервных клеток и кардиомиоцитов варьирует от -60 до -90 мВ, плазмолеммы скелетного МВ - -90 мВ, ГМК около -55 мВ, эритроцитов примерно -10 мВ. Изменения величины МП описывают специальными терминами: гиперполяризация (увеличение величины МП), деполяризация (уменьшение величины МП), реполяризация (увеличение величины МП после деполяризации).

Природа МП определяется трансмембранными ионными градиентами (формируются непосредственно за счёт состояния ионных каналов, активности переносчиков, а опосредованно - за счёт активности насосов, в первую очередь Na + -/К + -АТФазы) и проводимостью мембраны.

Трансмембранный ионный ток. Сила тока (I), текущего через мембрану, зависит от концентрации ионов по обе стороны мембраны, МП и проницаемости мембраны для каждого иона.

Если мембрана проницаема для К+, Na+, Cl - и других ионов, их суммарный ионный ток представляет собой сумму ионного тока каждого из ионов:

I суммарный = I K + + I Nа+ + + I CI- + I X + + I X1 + ... +I Xn .

Потенциал действия (ПД) рассмотрен в главе 5.

Транспортные мембранные пузырьки

Транспортные процессы клетки происходят не только через полупроницаемую мембрану, но и при помощи транспортных мембранных пузырьков, отделяющихся от плазмолеммы или сливающихся с ней, а также отделяющихся от различных внутриклеточных мембран и сливающихся с ними (рис. 2-11). При помощи таких мембранных пузырьков клетка поглощает из внеклеточной среды воду, ионы, молекулы и частицы (эндоцитоз), выделяет секреторные продукты (экзоцитоз) и осуществляет внутри клетки транспорт между органоидами. Все эти процессы основаны на исключительной лёгкости, с которой в водной фазе фосфолипидный бислой мембран выделяет («отшнуровывает») такие пузырьки (ли- посомы, суммарно называемые эндосомами) в цитозоль и сливает-

Рис. 2-11. Эндоцитоз (А) и экзоцитоз (Б) . При эндоцитозе участок плазматической мембраны впячивается и замыкается. Образуется эндоцитозный пузырёк, содержащий поглощённые частицы. При экзоцитозе мембрана транспортных или секреторных пузырьков сливается с плазматической мембраной и содержимое пузырьков высвобождается во внеклеточное пространство. В слиянии мембран участвуют специальные белки.

ся с ними. В ряде случаев идентифицированы мембранные белки, способствующие слиянию фосфолипидных бислоёв.

Эндоцитоз (эндо - внутренний, внутрь + греч. kytos - клетка + греч. osis - состояние, процесс) - поглощение (интернализация) клеткой веществ, частиц и микроорганизмов (рис. 2-11, А). Варианты эндоцитоза - пиноцитоз, опосредуемый рецепторами эндоцитоз и фагоцитоз.

Φ Пиноцитоз (греч. pino - пить + греч. kytos - клетка + греч. osis - состояние, процесс) - процесс поглощения жидкости и растворённых веществ с образованием небольших пузырьков. Пиноцитозные пузырьки формируются в специализированных областях плазматической мембраны - окаймлённых ямках (рис. 2-12).

Φ Опосредуемый рецепторами эндоцитоз (см. рис. 2-12) характеризуется поглощением из внеклеточной жидкости конкретных макромолекул. Ход процесса: связывание лиганда и мембранного рецептора - концентрирование комплекса лиганд-рецептор на поверхности окаймлённой ямки - по- гружение в клетку внутри окаймлённого пузырька. Подобным образом клетка поглощает трансферрин, холестерол вместе с ЛПНП и многие другие молекулы.

Φ Фагоцитоз (греч. phagein - поедать, пожирать + греч. kytos - клетка + греч. osis - состояние, процесс) - поглощение

Рис. 2-12. Опосредуемый рецепторами эндоцитоз . Многие внеклеточные макромолекулы (трансферрин, ЛПНП, вирусные частицы и др.) связываются со своими рецепторами в плазмолемме. Образуются клатриновые окаймлённые ямки, а затем - окаймлённые пузырьки, содержащие комплекс лиганд-рецептор. Окаймлённые пузырьки после освобождения от клатрина - эндосома. Внутри эндосом лиганд отщепляется от рецептора.

крупных частиц (например, микроорганизмов или остатков клеток). Фагоцитоз (рис. 2-13) осуществляют специальные клетки - фагоциты (макрофаги, нейтрофильные лейкоциты). В ходе фагоцитоза образуются большие эндоцитозные пузырьки - фагосомы. Фагосомы сливаются с лизосомами и формируют фаголизосомы. Фагоцитоз индуцируют сигналы, воздействующие на рецепторы в плазмолемме фагоцитов. Подобными сигналами служат АТ (также компонент комплемента C3b), опсонизирующие фагоцитируемую частицу (такой фагоцитоз известен как иммунный). Экзоцитоз (экзо - наружный, наружу + греч. kytos - клетка + греч. osis - состояние, процесс), или секреция, - процесс, при котором внутриклеточные секреторные пузырьки (например, синаптические) и секреторные пузырьки и гранулы сливаются с плазмолеммой, а их содержимое освобождается из клетки (см. рис. 2-11, Б). Процесс секреции может быть спонтанным и регулируемым.

Рис. 2-13. Фагоцитоз . Бактерия, покрытая молекулами IgG, эффективно фагоцитируется макрофагом или нейтрофилом. Fab-фрагменты IgG связываются с антигенными детерминантами на поверхности бактерии, после чего те же молекулы IgG своими Fc-фрагментами взаимодействуют с рецепторами Fc-фрагментов, расположенными в плазматической мембране фагоцита, и активируют фагоцитоз.

Обобщение главы

Плазматическая мембрана состоит из белков, расположенных между двумя слоями фосфолипидов. Интегральные белки погружены в толщу липидного бислоя или пронизывают мембрану насквозь. Периферические белки прикреплены к наружной поверхности клеток.

Пассивное движение растворённых веществ через мембрану определяется их градиентом и достигает равновесия в тот момент, когда прекращается движение растворённых частиц.

Простая диффузия - прохождение жирорастворимых веществ через плазматическую мембрану путём диффузии между бислоем липидов.

Облегчённая диффузия - прохождение водорастворимых веществ и ионов через гидрофильные пути, созданные встроенными в мембрану интегральными белками. Прохождение небольших ионов опосредовано специфическими белками ионных каналов.

Активный транспорт - использование метаболической энергии для перемещения растворённых частиц против градиентов их концентрации.

Быстрый переход воды через плазматические мембраны происходит посредством канальных белков, так называемых аквапори- нов. Движение воды является пассивным процессом, активируемым разницей в осмотическом давлении.

Клетки регулируют свой объём, перемещая растворённые частицы внутрь или наружу, создавая осмотическую тягу для входа или выхода воды соответственно.

Мембранный потенциал покоя определяется пассивным движением ионов через постоянно открытые каналы. В мышечной клет- ке, например, проницаемость мембраны для ионов натрия ниже в сравнении с ионами калия и мембранный потенциал покоя созда- ётся пассивным выходом ионов калия из клетки.

Транспортные мембранные пузырьки - основное средство передвижения белков и липидов внутри клетки.

Важнейшие функции мембран: мембраны контролируют состав внутриклеточной среды, обеспечивают и облегчают межклеточную и внутриклеточную передачу информации, обеспечивают образование тканей с помощью межклеточных контактов.