Ионы обеспечивающие проницаемость клеточных мембран. Проницаемость мембраны клетки для ионов и молекул

Понятие раздражимости и возбудимости. Возбуждение.

Раздражимость – это способность клеток, тканей, организма в целом переходить под воздействием факторов внешней или внутренней среды из состояния физиологического покоя в состояние активности. Состояние активности проявляется изменением физиологических параметров клетки, ткани, организма, например изменением метаболизма.

Возбудимость – это способность живой ткани отвечать на раздражение активной специфической реакцией – возбуждением, т.е. генерацией нервного импульса, сокращением, секрецией. Т.е. возбудимость характеризует специализированные ткани – нервную, мышечные, железистые, которые называются возбудимыми. Возбуждение – это комплекс процессов реагирования возбудимой ткани на действие раздражителя, проявляющийся изменением мембранного потенциала, метаболизма и т.д. Возбудимые ткани обладают проводимостью. Это способность ткани проводить возбуждение. Наибольшей проводимостью обладают нервы и скелетные мышцы.

Раздражимость и возбудимость характеризуют в сущности одно и то же свойство биологической системы - способность отвечать на внеш­ние воздействия. Однако термин возбудимость используется для определения специфических реакций, имеющих более позднее филогене­тическое происхождение. Возбудимость является, следовательно, вы­сшим проявлением более общего свойства раздражимости тканей.

Потенциал покоя, его происхождение. Селективная проницаемость мембраны. Ионные каналы.

Между наружной поверхностью клетки и ее протоплазмой в состоянии покоя существует разность потенциалов порядка 60-90 мВ, причем поверхность клетки заряжена электроположительно по отношению к протоплазме. Эту разность потенциалов принято называть потенциалом покоя, или мембранным потенциалом. Величина МПП зависит от вида ткани и варьирует от -9 до -100 мв. Сле­довательно, в состоянии покоя клеточная мембранаполяризована. Уменьшение величины МПП называют деполяризацией, увеличение гиперполяризацией, восстановление исходного значения МПП реполяризацией мембраны. Основные положения мембранной теории происхождения МПП сводятся к следующему. В состоянии покоя клеточная мембрана хорошо проницаема для ионов К + (в ряде клеток и для СГ), менее проницаема для Na + и практически непроницаема для внутриклеточ­ных белков и других органических ионов. Ионы К + диффундируют из клетки по концентрационному градиенту, а непроникающие анионы остаются в цитоплазме, обеспечивая появление разности по­тенциалов через мембрану.

Возникающая разность потенциалов препятствует выходу К + из клет­ки и при некотором ее значении наступает равновесие между выходом К + по концентрационному градиенту и входом этих катионов по воз­никшему электрическому градиенту.

Каналам биомембран свойственна характерная избирательность для ионов (селективность), а также способность открываться и закрываться при различных воздействиях на мембрану (воротная функция).

Проницаемость (П)- это способность клеток и тканей пропускать и поглощать растворы и газы из окружающей среды и выделять их наружу. Проникновение веществ через биологические мембраны происходит пассивно или путем активного переноса с участием специальных механизмов. П мембран для различных агентов зависит как от физико-химических свойств последних, так и от особенностей самих мембран. Нарушения П могут возникать в результате действия разнообразных повреждающих факторов: высокой и низкой температуры, облучения, некоторых веществ (например, токсинов), недостатка кислорода, витаминов, гормонов и т. д. Нарушения П играют важную роль в патогенезе многих болезненных процессов: воспаления, аллергии, шока, инфекционных заболеваний, нарушений выделительных процессов и др. Изменения П могут быть как проявлением защитной реакции, так и причиной многих тяжелых расстройств.
Клеточные мембраны обладают избирательной проницаемостью: через них медленно диффундируют глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты, глицерол и ионы, причем сами мембраны в известной мере активно регулируют этот процесс - одни вещества пропускают, а другие нет. Существует четыре основных механизма для поступления веществ в клетку или вывода их из клетки наружу: диффузия, осмос, активный транспорт и экзо- или эндоцитоз. Два первых процесса носят пассивный характер, то есть не требуют затрат энергии; два последних - активные процессы, связанные с потреблением энергии.

Избирательная проницаемость мембраны при пассивном транспорте обусловлена специальными каналами - интегральными белками. Они пронизывают мембрану насквозь, образовывая своего рода проход. Для элементов K, Na и Cl есть свои каналы. Относительно градиента концентрации молекулы этих элементов движутся в клетку и из неё. При раздражении каналы натриевых ионов раскрываются, и происходит резкое поступление в клетку ионов натрия. При этом происходит дисбаланс мембранного потенциала. После чего мембранный потенциал восстанавливается. Каналы калия всегда открыты, через них в клетку медленно попадают ионы калия.

ИК- порообразующие белки, поддер-щие разность потенциалов, которая сущ-ет между внеш. и внутр. сторонами кл-ой мембраны всех живых клеток. Обеспечивают избирательное прохождение ионов через мембрану, в том числе из клетки в наружную среду и обратно. ИК сос-ит из интегральных белков, пронизывают мембрану насквозь, выступая одним концом в цитоплазму, а другим - в наружную среду клетки. Внутри такой молекулы белка имеется пора, через которую и диффундируют ионы. Типы:

1) Каналы, имеющие собственный сенсор

а) потенциалозависимые (Na + , K + , Ca + , Cl - -каналы) открываются и закрываются при изменении электрического потенциала на мембране.

б) лигандзависимые ИК обеспечивают быструю передачу сигналов между клетками, например, в химических синапсах. Эти каналы открываются при связывании с рецептором ряда биологически активных в-в, таких как ацетилхолин, глутамат.

2) Сенсор внешнего сигнала пространственно разобщен с каналом. Взаимодействие сенсора и канала осущ-ся с помощью растворимых вторичных посредников. Это рецепторзависимые ИК, управляемые химическими сигналами.

Растение - непре­рывно поглощает извне разные вещества, необходимые для его ж/д, а также постоянно выделяет вещества во вн. среду. Это указывает на то, что мембраны растения проницаемы, т. е. способны пропускать через себя поглощаемые и выделяемые вещества. Но клеточные мембраны пропускают через себя не все вещества, а лишь некоторые. Т. о., они обладают избирательной проницаемостью. Факты подтверждающие то, что в-ва в кл. поступают не только пассивно, но и активно:

1. Вещества проникают в клетку не только по градиенту концентраций (от высокой к более низкой) - пассивно, но и против градиента, когда в клетке накапливается веществ больше, чем в окружающей среде. Например концентрация йода, брома в талломах водорослей, растущих в морской воде.

2. В клетку могут поступать и из нее выделяться не только низкомолекулярные соединения, но и вещества с крупными молекулами.

3. При нахождении в растворе какой-либо соли, ионы, составляющие ее молекулу, будут проникать в клетку не равномерно, а в различных соотношениях (разное количество катионов или анионов).

Во-первых , проницаемость мембран цитоплазмы сильно варьирует в течение жизни раст. Она зависит от t°, света, содержания влаги и действия ядовитых в-в. Во-вторых , проницаемость связана с дыханием, что можно наблюдать при действии веществ, стимулирующих и ослабляющих этот процесс. Так, при действии макроэнергетического АТФ увеличивается поступление веществ в корни, а клеточные яды (цианид, фторид и др.) подавляют этот процесс. Известно несколько теорий, пытающихся объяснить проницаемость активными процессами. Основная - Теория переносчиков . Сущность: предполагается, что само вещество (А), не может проникать через мембрану. Тогда оно соединяется с особым переносчиком (X), который транспортирует его; затем переносимое вещество освобождается и остается внутри клетки, а переносчик с другим веществом (В) выходит наружу и снова становится способным к переносу. Схематически перенос вещества в клетку можно изобразить следующим образом: A + X =AX ->> AX =A + X.

Обратный перенос: В + X =ВХ ->> ВХ =В + X.

Предполагается, что переносчики - орг. в-ва белковой природы; один для переноса катионов , др. для переноса анионов . В основе их действия лежит процесс обменной адсорбции, когда поглощаемые и переносимые ионы обмениваются на другие, которых в клетке избыток. Катионы , как правило, обмениваются на Н + и Na + , Анионы - на ОН и НСО 3 . У бактерий они представлены Ant (типа грамицидина и валина). У высших растений их роль выполняют мембранные АТФ-азы и ионные насосы.

Ионные насосы - особые образования, встроенные в клеточные мембраны. Это глобулы, состоящие из 3-х субъединиц. Две из них представляют собой белковый канал по которому движутся ионы, третья - фермент АТФ-аза, при участии которой происходит распад АТФ с освобождением остатка фосфорной кислоты и некоторого количества энергии. К+, Na+-нacoc , который выводит из клетки натрий и закачивает калий; протонный, или водородный , выносящий Н+ и закачивающий другие вещества. Действие ионных насосов: в наружной среде (например в почве) всегда много ионов натрия. Вследствие высокой концентрации он движется по градиенту и пассивно проникает в клетки. Но растению такое большое кол-во натрия не нужно, поэтому в клетках быстро создается его избыток, который за счёт освобождающейся энергии АТФ выбрасывается из них. Калий напротив, необходим растению в больших количествах, чем натрий, однако в почве его мало, и сам по градиенту он поступать не может. Тогда одновременно с выбросом натрия происходит принудительное закачивание калия. Транспорт многих других веществ - минеральных и органических - у растений осуществляет Н-насос, который и служит главным переносчиком. Протонный насос участвует при загрузке флоэмы сахарами, образующимися при фотосинтезе.

Клеточные мембраны

Клеточные мембраны

Изображение клеточной мембраны. Маленькие голубые и белые шарики соответствуют гидрофильным «головкам» липидов, а присоединённые к ним линии - гидрофобным «хвостам». На рисунке показаны только интегральные мембранные белки (красные глобулы и желтые спирали). Желтые овальные точки внутри мембраны - молекулы холестерола Желто-зеленые цепочки бусинок на наружной стороне мембраны - цепочки олигосахаридов , формирующие гликокаликс

Биологическая мембрана включает и различные белки : интегральные (пронизывающие мембрану насквозь), полуинтегральные (погруженные одним концом во внешний или внутренний липидный слой), поверхностные (расположенные на внешней или прилегающие к внутренней сторонам мембраны). Некоторые белки являются точками контакта клеточной мембраны с цитоскелетом внутри клетки, и клеточной стенкой (если она есть) снаружи. Некоторые из интегральных белков выполняют функцию ионных каналов, различных транспортеров и рецепторов .

Функции биомембран

• барьерная - обеспечивает регулируемый, избирательный, пассивный и активный обмен веществ с окружающей средой. Например, мембрана пероксисом защищает цитоплазму от опасных для клетки пероксидов . Избирательная проницаемость означает, что проницаемость мембраны для различных атомов или молекул зависит от их размеров, электрического заряда и химических свойств. Избирательная проницаемость обеспечивает отделение клетки и клеточных компартментов от окружающей среды и снабжение их необходимыми веществами.

• транспортная - через мембрану происходит транспорт веществ в клетку и из клетки. Транспорт через мембраны обеспечивает: доставку питательных веществ, удаление конечных продуктов обмена, секрецию различных веществ, создание ионных градиентов, поддержание в клетке соответствующего pH и ионной концентрации, которые нужны для работы клеточных ферментов.

Частицы, по какой-либо причине не способные пересечь фосфолипидный бислой (например, из-за гидрофильных свойств, так как мембрана внутри гидрофобна и не пропускает гидрофильные вещества, или из-за крупных размеров), но необходимые для клетки, могут проникнуть сквозь мембрану через специальные белки-переносчики (транспортеры) и белки-каналы или путем эндоцитоза .

При пассивном транспорте вещества пересекают липидный бислой без затрат энергии, путем диффузии. Вариантом этого механизма является облегчённая диффузия , при которой веществу помогает пройти через мембрану какая-либо специфическая молекула. У этой молекулы может быть канал, пропускающий вещества только одного типа.

Активный транспорт требует затрат энергии, так как происходит против градиента концентрации. На мембране существуют специальные белки-насосы, в том числе АТФаза , которая активно вкачивают в клетку ионы калия (K+) и выкачивают из неё ионы натрия (Na+).

• матричная - обеспечивает определенное взаиморасположение и ориентацию мембранных белков, их оптимальное взаимодействие;

• механическая - обеспечивает автономность клетки, ее внутриклеточных структур, также соединение с другими клетками (в тканях). Большую роль в обеспечение механической функции имеют клеточные стенки, а у животных - межклеточное вещество.

• энергетическая - при фотосинтезе в хлоропластах и клеточном дыхании в митохондриях в их мембранах действуют системы переноса энергии, в которых также участвуют белки;

• рецепторная - некоторые белки, находящиеся в мембране, являются рецепторами (молекулами, при помощи которых клетка воспринимает те или иные сигналы).

Например, гормоны, циркулирующие в крови, действуют только на такие клетки-мишени, у которых есть соответствующие этим гормонам рецепторы. Нейромедиаторы (химические вещества, обеспечивающие проведение нервных импульсов) тоже связываются с особыми рецепторными белками клеток-мишеней.

• ферментативная - мембранные белки нередко являются ферментами. Например, плазматические мембраны эпителиальных клеток кишечника содержат пищеварительные ферменты.

• осуществление генерации и проведения биопотенциалов.

С помощью мембраны в клетке поддерживается постоянная концентрация ионов: концентрация иона К+ внутри клетки значительно выше, чем снаружи, а концентрация Na+ значительно ниже, что очень важно, так как это обеспечивает поддержание разности потенциалов на мембране и генерацию нервного импульса .

• маркировка клетки - на мембране есть антигены, действующие как маркеры - «ярлыки», позволяющие опознать клетку. Это гликопротеины (то есть белки с присоединенными к ним разветвленными олигосахаридными боковыми цепями), играющие роль «антенн». Из-за бесчисленного множества конфигурации боковых цепей возможно сделать для каждого типа клеток свой особый маркер. С помощью маркеров клетки могут распознавать другие клетки и действовать согласованно с ними, например, при формировании органов и тканей. Это же позволяет иммунной системе распознавать чужеродные антигены.

Структура и состав биомембран

Мембраны состоят из липидов трёх классов: фосфолипиды , гликолипиды и холестерол . Фосфолипиды и гликолипиды (липиды с присоединёнными к ним углеводами) состоят из двух длинных гидрофобных углеводородных «хвостов», которые связаны с заряженной гидрофильной «головой». Холестерол придаёт мембране жёсткость, занимая свободное пространство между гидрофобными хвостами липидов и не позволяя им изгибаться. Поэтому мембраны с малым содержанием холестерола более гибкие, а с большим - более жёсткие и хрупкие. Также холестерол служит «стопором», препятствующим перемещению полярных молекул из клетки и в клетку. Важную часть мембраны составляют белки, пронизывающие её и отвечающие за разнообразные свойства мембран. Их состав и ориентация в разных мембранах различаются.

Клеточные мембраны часто асимметричны, то есть слои отличаются по составу липидов, переход отдельной молекулы из одного слоя в другой (так называемый флип-флоп ) затруднён.

Мембранные органеллы

Это замкнутые одиночные или связанные друг с другом участки цитоплазмы , отделённые от гиалоплазмы мембранами . К одномембранным органеллам относятся эндоплазматическая сеть , аппарат Гольджи , лизосомы , вакуоли , пероксисомы ; к двумембранным - ядро , митохондрии , пластиды . Снаружи клетка ограничена так называемой плазматической мембраной. Строение мембран различных органелл отличается по составу липидов и мембранных белков.

Избирательная проницаемость

Клеточные мембраны обладают избирательной проницаемостью: через них медленно диффундируют глюкоза , аминокислоты , жирные кислоты , глицерол и ионы , причем сами мембраны в известной мере активно регулируют этот процесс - одни вещества пропускают, а другие нет. Существует четыре основных механизма для поступления веществ в клетку или вывода их из клеки наружу: диффузия , осмос , активный транспорт и экзо- или эндоцитоз . Два первых процесса носят пассивный характер, то есть не требуют затрат энергии; два последних - активные процессы, связанные с потреблением энергии.

Избирательная проницаемость мембраны при пассивном транспорте обусловлена специальными каналами - интегральными белками. Они пронизывают мембрану насквозь, образовывая своего рода проход . Для элементов K, Na и Cl есть свои каналы. Относительно градиента концентрации молекулы этих элементов движутся в клетку и из неё. При раздражении каналы натриевых ионов раскрываются, и происходит резкое поступление в клетку ионов натрия. При этом происходит дисбаланс мембранного потенциала. После чего мембранный потенциал восстанавливается. Каналы калия всегда открыты, через них в клетку медленно попадают ионы калия .

Ссылки

• Bruce Alberts, et al. Molecular Biology Of The Cell . - 5th ed. - New York: Garland Science, 2007. - ISBN 0-8153-3218-1 - учебник по молекулярной биологии на англ. языке

• Рубин А.Б. Биофизика, учебник в 2 тт. . - 3-е издание, исправленное и дополненное. - Москва: издательство Московского университета, 2004. - ISBN 5-211-06109-8

• Геннис Р. Биомембраны. Молекулярная структура и функции: перевод с англ. = Biomembranes. Molecular structure and function (by Robert B. Gennis). - 1-е издание. - Москва: Мир, 1997. - ISBN 5-03-002419-0

• Иванов В.Г., Берестовский Т.Н. Липидный бислой биологических мембран. - Москва: Наука, 1982.

• Антонов В.Ф., Смирнова Е.Н., Шевченко Е.В. Липидные мембраны при фазовых переходах. - Москва: Наука, 1994.

См. также

• Владимиров Ю. А., Повреждение компонентов биологических мембран при патологических процессах

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Клеточные мембраны" в других словарях:

У этого термина существуют и другие значения, см. Мембрана Изображение клеточной мембраны. Маленькие голубые и белые шарики соответствуют гидрофильным «головкам» липидов, а присоединённые к ним линии гидрофобным «хвостам». На рисунке показаны… … Википедия

- (от лат. membrana кожица, перепонка), сложные высокоорганизованные надмоле кулярные структуры, ограничивающие клетки (клеточные, или плазматич., мембраны) и внутриклеточные органоиды митохондрии, хлоропласты, лизосомы и др. Представляют собой… … Химическая энциклопедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Мембрана Изображение клеточной мембраны. Маленькие голубые и белые шарики соответствуют гидрофильным «головкам» липидов, а присоединённые к ним линии гидрофобным «хвостам». На рисунке показаны… … Википедия

Способность веществ преодолевать мембранный барьер зависит прежде всего от их химической природы. Еще на заре ХХ в. английский ученый Дж. Овергон показал, что вещества, имеющие сродство к жирам (липофильные), легко проходят в клетку. Это объясняется их сродством к мембран­ному матриксу, состоящему из липидов. Гидрофильные веще­ства, в первую очередь вода, по-видимому, «протискиваются» через мембранные поры. Поэтому для их проникновения суще­ственное значение имеют размеры молекулы. Само понятие «поры» скорее всего является не структурным, а функциональным. Иными словами, пора - это не отверстие в мембране , а участок, обладающий гидрофильными свойствами и способный проводить гидрофильные вещества . В среднем размер такой поры 0,3-0,5 им. Лабильность структуры мембраны, обуслов­ленная слабыми связями между ее компонентами, приводит к тому, что поры могут менять расположение и размеры . Это объясняет изменчивость пропускной способности мембраны.

Все известные механизмы, обеспечивающие передвижение атомов, ионов или молекул между клеткой и средой, можно разделить на 2 категории: пассивный и активный транспорт .

К первой относятся процессы, про­исходящие по законам физики и химии . Направление движения молекул и ионов в этом случае определяется градиентами, существующими между клеткой и окружающей ее средой. Живая клетка не затра­чивает на транспорт веществ собственной энергии. Такой тип транспорта называется пассивным. Пассивный транспорт - это движение веществ по физико-химическим градиентам без затраты клеткой метаболической энергии - происходит как в живой, так и в неживой природе.

Одним из механизмов пассивного транспорта является диффузия . В газах и жидкостях молекулы и ионы находятся в постоянном движении благодаря кинетической энергии, которой обладают эти частицы. По второму закону термодинамики каждая система стремится уменьшить свою внут­реннюю энергию и увеличить энтропию. Поэтому в сообщаю­щихся растворах разных концентраций частицы растворенного вещества будут перемещаться из более концентрированного рас­твора в менее концентрированный. Одновременно из второго сосуда в первый на том же основании будут передвигать­ся молекулы растворителя. Процесс направленного передвижения молекул продолжится до тех пор, пока концентрация раство­ренного вещества в обеих частях системы не станет одинаковой. При этом энергия движущихся частиц в любой единице объема данной системы уравнивается - химический потенциал будет одинаков. Таким образом, движущей силой диффузии , происхо­дящей за счет тепловой энергии, является градиент концентра­ции (D с) или градиент химического потенциала (Dm ) данного вещества, который зависит от природы диффундирующего вещества (коэффициента диффузии). Это выражается уравнением Фика:где - число частиц, диффундирующих за единица времени (скорость диффу­зии). Д - коэффициент диффузии, - площадь поверхности диффузии, - ­градиент концентрации между двумя системами.

Пассивно вещества могут диффундировать:

через липидную фазу (растворимые в жирах),

по промежуткам между липидами,

с помощью липофильных переносчиков,

по специальным каналам (гидрофильные вещества)

под влиянием МП (электрофорез).

Если объемы с различными концентрациями не сообщаются, а разделены перегородкой, проницаемой для растворителя, но непроницаемой для растворенного вещества, то выравнивание концентраций будет происходить лишь за счет перемещения молекул растворителя. Такие перегородки называют полупроницае­мыми , а движение частиц через них - осмосом . Т.о., осмос - это одностороннее движение раство­рителя через полупроницаемую мембрану по градиенту концент­рации (химического потенциала) . Поскольку почвенный раствор всегда сильнее разбавлен (химический потенциал воды выше), чем раствор веществ в клетке, то вода поступает в клетку по законам осмоса.

Одной из форм пассивного транспорта является электрофорез - движение заряженных частиц за счет электрической энергии по градиенту электрического потенциала . Предположим, что две системы, (содержащие раствор электролита разделены мембраной, проницаемой для ионов. Поверхность мембраны, обращенная к первой системе, заряжена отрицательно по отношению к противоположной ее стороне, которая заряжена положительно. В результате этого под действием электродвижущей силы в обеих системах возникает направленный ток заряженных частиц - из первой системы во вторую будут перемещать анионы, из второй в первую - катионы.

Известно, что на клеточных мембранах генерируется и поддерживается электрический потенциал определенной величины - мембранный потенциал (МП). Внешняя мембрана растительной клетки - плазмалемма - имеет потенциал, равный в среднем -120...-150 мВ, МП тонопласта составляет -90..-120 мВ, хлоропластов -50...-70, митохондрий -120..-170 мВ, клеточная оболочка -50...-70 мВ. Знак «минус» перед цифрой, выражающей значение МП означает, что внутреннее содержимое нормально функционирующей клекки заряжено отрицательно по отношению к внешней среде. Составляющими электрического градиента на мембране являются диффузионный потенциал (обеспечивает 30-40 % значения МП), доннановский потенциал (10...-15 %) и активность электрогенных насосов в клетке (достигается 45-50 %).

Диффузионный потенциал возникает в результате различной проницаемости ионов через мембрана и, как следствие, градиента их активности между клеткой и средой.

Доннановский потенциал образуется за счет фиксированных зарядов , присущих находящимся в клетке молекулам белков, нуклеиновых кислот, пектиновых и других веществ.

Итак, реальной движу­щей силой ионов является градиент электрохимического потен­циала, который выражается в джоулях на моль.

Другая категория процессов транспорта веществ - активный транспорт - присуща только живым организмам, которые спо­собны осуществлять передвижение молекул и ионов против физико-химических градиентов . Для этого клетке необходимо затратить часть выработанной ею энергии, запасенной чаще всего в молекулах АТФ. Энергетические затраты клетки на активный транспорт веществ очень велики - они могут достигать 40 % всей энергии дыхания.

По современным данным, диффузия воды через липидный матрикс может осуществляться также с помощью кинкизомеров . Это длинные углеводородные цепочки остатков высших карбоновых кислот в жидком матриксе мембраны, которые находятся в постоянном тепловом движении. Если вокруг какой-либо С-С-связи в прямой углеводородной цепи произойдет поворот на 120°, то соседняя с ней С-С-связь также повернется на 120°, но в противоположном направлении. При этом образуется « излом », ограничивающий небольшой пустой объем, который не остается на месте, а перемещается вдоль цепи. В этом объеме, как в пакете, через мембрану могут проходить молекулы воды и некоторые растворенные вещества.

Минеральные элементы, находящиеся в окружающей среде (почве) в растворенном состоя­нии (в виде ионов), преодолевают мембрану в виде гидратированных в различной степени частиц. Молекулы воды, как известно, являются диполями и вследствие этого ориентируются вокруг положительно или отрицательно за­ряженных ионов соответствующими полюсами. Размеры гидратируемых частиц сильно увеличиваются, что препятствует их проникновению через поры мембраны. Чем более гидратирован ион, тем труднее ему преодолеть мембрану . Степень гидратации ионов зависит от их заряда и размеров атомного ядра . Гидрата­ционное число увеличивается в ряду катионов таким образом: калий - 4, натрий - 5, кальций - 10, магний - 13, алюминий - 21.

Движение ионов через мембраны связывают со специфическими молекулами-переносчиками - ионофорами . Действие ионофоров можно представить на примере функционирования антибиотиков - веществ, вырабатываемые некоторыми грибами и бакте­риями и действующих в очень низких концентрациях (10 -11 ...-10- 6 М). Антибиотик, продуцируемый бактериями Streptomices fulvissimus, - валиномицин - представляет собой циклический полипептид , почти не растворимый в воде. Сродство валиномицина к мембранному матриксу обеспечивается гидрофобными радикалами, расположенными на поверхности молекулы, в то время как на внутренней ее части имеются карбоксильные груп­пы, с атомами кислорода которых ион К + образует координа­ционные связи (рис.). Благодаря неполярному «чехлу» он благополучно преодолевает мембрану . Переносчик при этом может быть уподоблен челноку , курсирующему от одной поверх­ности мембраны к другой. Внутренний размер « молекулярного мешка » обеспечивает высокую избирательность к определенному иону . Так, валиномицин связывает и транспортирует ион К + в 1000 раз эффективнее, чем ион Na + .

Другой антибиотик - грамицидин - представляет собой ли­нейный полипептид, 2 молекулы которого образуют спирале­видный канал , в котором гидрофильные группы обращены внутрь, а гидрофобные - к мембранному матриксу. По гидро­фильному каналу происходит передвижение через мембрану ионов (рис.).

Способность антибиотиков наводить каналы ионной проводимости обусловливает их медицинское значение , так как является мощным средством ионного опустошения клеток патогенных микроорганизмов. Вследствие сильного повышения проницае­мости («продырявливания») клеточных мембран под действием антибиотиков происходит быстрая утечка K + и других важных элементов из клеток возбудителей болезней, в связи с чем наступает их гибель. На этом основан терапевтический эффект анти­биотиков в борьбе с инфекционными заболеваниями.

Фитопатогенные грибы способны вырабатывать весьма специфические вещества , с помощью которых они воздействуют на поражаемые растения , увеличивая проницаемость клеточных мембран, чем причиняют растительному организму вред. Идентификация мембранных переносчиков растений и изучение их действия для ученых-биологов - важная задача, решение которой может иметь практическое зна­чение.

Активный транспорт. Известно, что основные макро- и мик­роэлементы в нормальных условиях жизнедеятельности находятся в клетке в концентрациях, значительно превышающих их содержание в окружающей среде. Так как со стороны цитоплаз­мы мембраны заряжены отрицательно , анионы не могут поступать в клетку пассивно, поскольку и концентрационный и электрохимический компоненты движущей силы направлены не в клетку, а из нее. Тем не менее клетка поглощает NO 3 - , Н 3 РО 4 - и др. анионы. Следова­тельно, их транспорт в клетку представляет собой активный процесс, требующий затрат энергии.

Что касается катионов , то, хотя концентрационный градиент , как правило, направляет их движение из клетки в окружающую среду, электрическая составляющая движущей силы действует в противоположном направлении . В каждом конкретном случае направление пассивного тока катио­нов будет определяться соотношением двух сил - химической и электрической .

Для того чтобы решить, активно или пассивно движется ион и каково направление его движения - в клетку или из нее при конкретном соотношении концентраций иона в клетке и окружающей среде, используют упрощенное уравнение Нернста:

где - потенциал Нерста (МП), абсолютное значение; - ­валентность н заряд иона. с_- внутренняя концентрация иона: с - внешняя концентрация иона.

Зная величину МП, можно рассчитать каким должно быть соотношение внутренней н внешней концентрации данного иона при пассивное его перемещении за счет электрохимического градиента. Если реально найденное соотношение внутренней и внешней концентрации отличается от рас­четного, значит, клетка затрачивает метаболическую энергию на поглощение или на выделение данного иона, то есть осуществляет его активный транспорт.

На практике МП клетки измеряют с подошью электродов , представляющих собой тончайшие ка­пилляры, заполненные 3М КСl и открытые на концах. Один из капилляров погружен в окружающий раствор, а другой вводят в цитоплазму клетки с помощью микроманипулятора под микроскопом. С другой стороны эти электроды через хлорсеребряный или каломельный электрод присоединяют к высокоомному вольтметру, который и показывает величину МП. Концентрацию иона в окружающей среде измеряют стандартными методами. Для определения внутриклеточной концентрации либо получают экстракт из убитых тканей, либо при помощи центрифугирования выделяют из крупные клеток тонопласты с вакуолярным соком. В экстрактах или выделенных вакуолях концентрацию исследуемого иона измеряют обычными метода­ми.

В качестве критерия активности и пассивности ионного транспорта может быть использована его зависимость от уровня метаболизма клетки. Первые представления об активном транс­порте веществ связаны с именами американского ученого Д. Хогланда и выдающегося отечественного физиолога Л. А. Саби­нина.

Доказано, что движение ионов против электрохимического градиента стимулируется теми факторами , которые положитель­но влияют на дыхание и фотосинтез . Последние, как известно, являются источниками АТФ в живом клетке. К числу активаторов транспорта ионов относятся свет, температура, содержа­ние в среде кислорода , а в растении - углеводов (субстратов дыхания). С другой стороны, воздействие на растение дыха­тельных ядов сильно тормозит поглощение минеральных ве­ществ.

Системы, отвечаю­щие за передвижение ионов против электрохимического градиента, по-видимому, должны иметь сродство к мембранному матриксу ; быть достаточно структурно ла­бильными , чтобы осущест­влять передвижение какого-либо вещества; иметь участки, ответственные за специфичес­кое присоединение какого-­либо иона (молекулы); обла­дать АТФ-азной активностью , то есть способностью гидролизовать молекулу АТФ до АДФ и неорганического фос­фата с высвобождением энер­гии макроэргической связи, которая и обеспечивает транспорт иона.

Современные исследования мембран, позволяют выявить в них крупные глобулярные образования , которые представляют собой белки, часто имеющие четвертичную структуру. АКТИВНЫЙ транспорт веществ через мембраны связывают именно с этими БЕЛКОВЫМИ МОЛЕКУЛАМИ. Так как ионы активно «накачиваются» или «выкачиваются» клеткой, механизмы активного транспорта принято называть ионными насосами, помпами. В живой клетке функционируют насосы двух типов - электронейтральные и электрогенные .

Принцип работы электронейтрального насоса заключается в том, что он переносит через мембрану 2 иона одинакового заряда в противоположных направлениях . Поэтому в результате действия такого насоса заряд на мембране не изменяется . Механизмом подобного типа является натриево-калиевый насос . Одна из схем работы этого насоса выглядит следующим образом (рис.). Белок, отвечающий за транспорт Na + н K + , состоит из двух структурных компонентов. Первая субъединица пронизывает матрикс мембраны, образуя в ней ионный канал, по которому могут передвигаться ионы из клетки в среду и обратно. Во 2-й субъединице, находящейся на внутренней поверхности мембраны имеются участки, способные связывать Na + , K + и АТФ.

В результате гидролиза АТФ высвобождается энергия, за счет которой происходит поворот глобулы таким образом, что она оказывается в канале, сообщающемся с окружающей средой. В этот момент переносчик теряет способность связывать какие-либо ионы. Na + выходит наружу, а К + поступает в клетку. Далее белок возвращается в исходное, наиболее термо­динамически выгодное состояние. В этом положении к ион­ному каналу оказывается обращенным участок глобулы, спе­цифически связывающий K + , поступающий из окружающее среды. Исходное конформационное состояние глобулы обеспе­чивает присоединение к ней новых молекулы АТФ и иона Na + в соответствующих центрах. Начинается следующий цикл работы ионного насоса. Элект­рический заряд на мембране при этом не меняется.

Na/K АТФ-аза обнаружена в мембранах клеток многих жи­вотных организмов. Что касается растений, то все более очевидно присутствие в их мембранах подобных насосов. Профессором Д. Б. Вахмистровым достоверно показана работа Na+/K+ помпы у растений , приспособленных к жизни в условиях засоления , связана с необходимостью выкачивать избыток натрия. Возможно, Na + /K + АТФ-аза акти­вируется растительными клетками и в других крайних условиях, когда подавляется деятельность активных механизмов другого рода.

Работа электрогенного насоса заключается в том, что он переносит ион определенного заряда только в одну сторону, поэтому за счет его работы происходит генерация электричес­кого потенциала на мембране. Образующаяся таким образом электродвижущая сила обеспечивает перемещение ионов путем электрофореза . Универсальным для всех клеток механизмом подобного рода является протонная помпа (рис. 2). Встроен­ный в плазмалемму (и другие мембраны) белок, состоящий из нескольких субъединиц, осуществляет выброс протонов водо­рода за счет энергии гидролизуемой АТФ - первично активный транспорт . В результате этого на мембране генерируется электрохимический потенциал (Dm Н+ ), компонентами которого являются гра­диент электрического ( Dy ) и концентрационного ( D рН) по­тенциалов: (Dm Н+ = Dy + D рН). Электрический градиент обеспечивает движение в клетку катионов . Концентрационный градиент протонов опре­деляет их осмотический отток в клетку с помощью переносчиков. Этот обратный ток протонов может быть сопряжен с однонаправленным транспортом ионов (симпорт ), противоположно направленным таком катионов (антипорт ), а также совместным движением органических молекул (котранспорт ). Таким образом, потоки ионов и молекул в клетке опосредованы деятельностью протонной помпы и поэтому могут считаться вторично активным транспортом (рис.!).

Протонная помпа участвует: 1) в регуляции внутриклеточного рН; 2) создании МП; запасании и трансформации энергии; 3) мембранном и дальнем транспорте вв.; 4) поглощении МВ корнями; 5) росте и двигательной активности.

А. Терминология. В настоящее время различные авторы по-разному трактуют термины «проницаемость» и «проводимость». Под проницаемостью клеточной мембраны мы понимаем ее спо­собность пропускать воду и частицы - заряженные (ионы) и неза­ряженные согласно законам диффузии и фильтрации. Проницае­мость клеточной мембраны определяется следующими факторами: 1) наличием в составе мембраны различных ионных каналов -управляемых (с воротным механизмом) и неуправляемых (каналы утечки); 2) размерами каналов и размерами частиц; 3) растворимо­стью частиц в мембране (клеточная мембрана проницаема для рас­творимых в ней липидов и непроницаема для пептидов).

Термин «проводимость» следует использовать только приме­нительно к заряженным частицам. Следовательно, под проводи­мостью мы понимаем способность заряженных частиц (ионов) проходить через клеточную мембрану согласно электрохимиче­скому градиенту (совокупность электрического и концентрацион­ного градиентов).

Как известно, ионы, подобно незаряженным частицам, перехо­дят через мембрану из области с высокой концентрацией в об­ласть с низкой концентрацией. При большом градиенте концен­трации и хорошей проницаемости мембраны, разделяющей соот­ветствующие растворы, проводимость ионов может быть высо­кая, при этом наблюдается односторонний ток ионов. Когда кон­центрация ионов по обе стороны мембраны уравняется, проводи­мость ионов уменьшится, односторонний ток ионов прекратится, хотя проницаемость сохранится прежней - высокой. Кроме того, проводимость иона при неизменной проницаемости мембраны зависит и от заряда иона; одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются, т.е. важную роль в проводимости иона играет его электрический заряд. Возможна ситуация, когда при хорошей проницаемости мембраны проводимость ионов че­рез мембрану оказывается низкой или нулевой, - в случае отсут­ствия движущей силы (концентрационного и /или электрического градиентов).

Таким образом, проводимость иона зависит от его электрохи­мического градиента и от проницаемости мембраны; чем они больше, тем лучше проводимость иона через мембрану. Перемеще­ния ионов в клетку и из клетки согласно концентрационному и электрическому градиентам в состоянии покоя клетки осуществля­ются преимущественно через неуправляемые (без воротного меха­низма) каналы (каналы утечки). Неуправляемые каналы всегда от­крыты, они практически не меняют своей пропускной способности при электрическом воздействии на клеточную мембрану и ее воз­буждении. Неуправляемые каналы подразделяются на ионоселективные каналы (например, калиевые медленные неуправляемые каналы) и иононеселективные каналы. Последние пропускают различные ионы; К+, Ка + , С1".

Б. Роль проницаемости клеточной мембраны и различных ионов в формировании ПП (рис. З.2.).

внутри клетки является отрицательным как абсолютно (в гиалоплазме клетки содержится больше анио­нов, чем катионов), так и относительно наружной поверхности клеточной мембраны.

Калий является главным ионом, обеспечивающим формирова­ние ПП. Об этом свидетельствуют результаты опыта с перфузией внутреннего содержимого гигантского аксона кальмара солевыми растворами. При уменьшении концентрации ионов К + в перфуза-те ПП снижается, при увеличении их концентрации ПП повыша­ется. В состоянии покоя клетки устанавливается динамическое равновесие между числом выходящих из клетки и входящих в клетку ионов К + . Электрический и концентрационный градиенты противодействуют друг другу: согласно концентрационному гра­диенту К + стремится выйти из клетки, отрицательный заряд внут­ри клетки и положительный заряд наружной поверхности клеточ­ной мембраны препятствуют этому. Когда концентрационный и электрический градиенты уравновесятся, число выходящих из клетки ионов К + сравнивается с числом входящих ионов К + в клетку. В этом случае на клеточной мембране устанавливается так называемый равновесный потенциал.

Равновесный потенциал для иона можно рассчитать по формуле Нернста. Концентрация положительно заряженного иона, находя­щегося снаружи, в формуле Нернста записывается в числителе, а иона, находящегося внутри клетки, - в знаменателе. Для отрица­тельно заряженных ионов расположение противоположное.

Вклад Na + и Cl - в создание ПП. Проницаемость клеточной мем­браны в покое для иона N3+ очень низкая, намного ниже, чем для иона К + , тем не менее она имеется, поэтому ионы Ка* согласно концентрационному и электрическому градиентам стремятся и в небольшом количестве проходят внутрь клетки. Это ведет к умень­шению ПП, так как на внешней поверхности клеточной мембраны суммарное число положительно заряженных ионов уменьшается, хотя и незначительно, а часть отрицательных ионов внутри клетки нейтрализуется входящими в клетку положительно заряженными ионами Nа + . Вход иона Na+ внутрь клетки снижает ПП. Влияние СГ на величину ПП противоположно и зависит от проницаемости кле­точной мембраны для ионов СГ. Дело в том, что ион СГ, согласно концентрационному градиенту, стремится и проходит в клетку. Препятствует входу иона СГ в клетку электрический градиент, по­скольку заряд внутри клетки отрицательный, как и заряд СГ. На­ступает равновесие сил концентрационного градиента, способст­вующего входу иона СГ в клетку, и электрического градиента, пре­пятствующего входу иона СГ в клетку. Поэтому внутриклеточная концентрация ионов СГ значительно меньше внеклеточной. При поступлении иона СГ внутрь клетки число отрицательных зарядов вне клетки несколько уменьшается, а внутри клетки увеличивается: ион СГ добавляется к крупным, белковой природы анионам, нахо­дящимся внутри клетки. Эти анионы из-за своих больших размеров не могут пройти через каналы клеточной мембраны наружу клетки - в интерстиций. Таким образом, ион СI - , проникая внутрьклетки, увеличивает ПП. Частично, как и вне клетки, ионы № + и С1" внутри клетки нейтрализуют друг друга. Вследствие этого со­вместное поступление ионов Ка + и С1~ внутрь клетки не сказывается существенно на величине ПП.

В. Определенную роль в формировании ПП играют поверх­ностные заряды самой клеточной мембраны и ионы Са 2+ . На­ружная и внутренняя поверхности клеточной мембраны несут собственные электрические заряды, преимущественно с отрица­тельным знаком. Это полярные молекулы клеточной мембра­ны: гликолипиды, фосфолипиды, гликопротеиды. Фиксиро­ванные наружные отрицательные заряды, нейтрализуя поло­жительные заряды внешней поверхности мембраны, снижают ПП. Фиксированные внутренние отрицательные заряды кле­точной мембраны, напротив, суммируясь с анионами внутри клетки, увеличивают ПП.

Роль ионов Са 2+ в формировании ПП заключается в том, что они взаимодействуют с наружными отрицательными фиксиро­ванными зарядами мембраны клетки и нейтрализуют их, что ве­дет к увеличению и стабилизации ПП.

Таким образом, ПП - это алгебраическая сумма не только всех зарядов ионов вне и внутри клетки, но также алгебраическая сумма отрицательных внешних и внутренних поверхностных за­рядов самой мембраны.

При проведении измерений потенциал окружающей клетку среды принимают равным нулю. Относительно нулевого потен­циала внешней среды потенциал внутренней среды нейрона, как отмечалось, составляет величину порядка -60-80 мВ. Поврежде­ние клетки приводит к повышению проницаемости клеточных мембран, в результате чего различие проницаемости для ионов К + и N3+ уменьшается. ПП при этом снижается. Подобные из­менения встречаются при ишемии ткани. У сильно поврежден­ных клеток ПП может снизиться до уровня донанновского рав­новесия, когда концентрация внутри и вне клетки будет опреде­ляться только избирательной проницаемостью клеточной мембраны в состоянии покоя клетки, что может привести к на­рушению электрической активности нейронов. Однако и в нор­ме происходит перемещение ионов согласно электрохимическо­му градиенту, однако ПП не нарушается.