Поверхностный аппарат клетки. Методические указания.. Михеев в. С

• Название: Михеев в. С
• Анкор: Поверхностный аппарат клетки. Методические указания..doc
• Дата: 25.04.2017
• Размер: 0.92 Mb.
• Имя файла: Поверхностный аппарат клетки. Методические указания..doc
• Тип: Реферат; #4868
• Категория: Биология. Ветеринария. Сельское хозяйство
• страница: 8 из 18

Среди молекул, подверженных СТ, важное значение в медицин­ском отношении имеет монооксид углерода (СО, угарный газ), про­дукт неполного сгорания ряда органических веществ и топлива. Этот газ транспортируется в клетки с более высокой скоростью, чем диоксид углерода (СО₂), так как имеет меньшие размеры. При вдыха­нии монооксида углерода создается высокий градиент его концен­трации, поскольку в клетках он в норме отсутствует.

Попав в клетку, молекулы угарного газа прочно соединяются с атомами железа биологически важных, железосодержащих белков (гемоглобин эритроцитов, переносчики электронов в митохондриях любых клеток) и блокируют процессы окисления, необходимые для существования клетки и организма. Высокие концентрации моноок­сида углерода могут вызвать смерть организма, поэтому предельно допустимая концентрация этого газа в производственных помеще­ниях не должна превышать 0,03 мг/л. Вдыхание монооксида углерода в концентрации 0,2 мг/л допустимо в течение не более 20 мин.

Аналогичные эффекты вызывают сероводород (H₂S, предельная допустимая концентрация 10 мг/м³) и цианистый водород (HCN, си­нильная кислота, предельно допустимая концентрация 0,3 мг/м³).

Пассивный транспорт (ПТ), или облегченная диффузия - это дви­жение молекул через мембрану с помощью мембранных белков. Такие белки получили название пассивных переносчиков, транспортеров или каналов. ПТ осуществляется по законам диффузии, т.е. при наличии электрохимического градиента (для ионов) или градиента концентрации (для незаряженных молекул).

Движущей силой этого вида транспорта является энергия самого градиента, поэтому ПТ, как и свободный транспорт, происходит по градиенту и прекращается при его величине, равной нулю (состояние равнове­сия). Таким образом, данный вид транспорта не требует энергетических затрат со стороны клетки.

Скорость ПТ зависит от величины электрохимического градиента транспортируемых молекул, повышаясь при ее увеличении. Однако после достижения определенной величины градиента скорость ПТ становится практически постоянной. Это определяется тем, что переносчики имеют пределы своей «пропускной» способности и их число в мембране всегда ограничено.

Тем не менее, скорость ПТ при прочих равных условиях выше скорости свободного транспорта. Причина этого - механизм переноса молекул и ионов, при котором они транспортируются через гидрофильную фазу, образуемую транспортером (каналом), а не через гидрофобную, как в случае свободного транспорта.

Скорость ПТ может быть высокой благодаря изменениям конформации переносчика в процессе осуществления его функции. В результате она может достигать величин порядка 10000 мол/сек через транспортер.

Путем ПТ через плазмалемму проходят, как правило, гидрофильные молекулы среднего размера (моно- и дисахариды, аминокислоты, нуклеотиды) и ионы (К⁺, Na⁺, Са²⁺, Сl, НСО₃^-, РО₄^3-); существуют пассивные переносчики и для молекул воды. В большинстве случаев ПТ является высокоспецифичным - каждый переносчик транспортирует только опре­деленные молекулы или ионы. Это определяется структурой переносчи­ков.

Каналы могут иметь своеобразные «фильтры» или «ворота», с помо­щью которых происходит селекция транспортируемых молекул по разме­ру и заряду. Кроме того, переносчик может иметь центры узнавания (связывания) определенных молекул. В этом случае достигается очень высокая специфичность транспорта, примером которой является перенос­чик глюкозы мембраны эритроцитов, транспортирующий D-стереоизомер, но не L-глюкозу.

Конкретная структура пассивных переносчиков разнообразна, однако при их формировании практически всегда реализуется канальный прин­цип строения. В составе транспортеров присутствуют трансмембранные домены, которые взаимодействуют друг с другом и образуют гидрофиль­ный канал. При этом переносчик может быть представлен одним полипептидом, несколькими идентичными (гомомер) или неидентичными (гетеромер) полипептидами.

Примером монопептидного пассивного переносчика является Nа-канал ПА нейронов. Он состоит из одного полипептида, содержащего около 1800 аминокислотных остатков, и включает 24 трансмембранных альфа-спирали. Взаимодействие спиральных участков приводит к формированию четырех трансмембранных доменов (по 6 альфа-спиралей в каждом), которые образуют канал для Na⁺. В активном состоянии он «пропускает» в нервную клетку ионы Nа⁺, в результате чего происходит деполяризация мембраны и возникает потенциал дейст­вия - основа возбудимости и проводимости нейронов.

Капнофорин, пассивный переносчик анионов Сl и НСОз в мембране эритроцитов, функционирует как гомодимер, в котором каждый полипептид формирует 3 трансмембран­ных домена с несколькими альфа-спиралями в каждом. Взаимодействие двух полипептидов приводит к образованию анионного канала, состоящего из 6 трансмембранных доменов. Основная функция капнофорина - перенос гидрокарбонат-ионов из эритроцитов или в эритроциты, что существенно облегчает транспорт СО₂ из тканей в легкие.

Примером гетероолигомерного транспортера является пассивный переносчик ионов К и Na⁺ дендритных окончаний нейронов. Он включает 4 разных полипептида (α-, β-, γ- и δ-субъединицы), один из которых (α-субъединица) представлен в переносчике дважды. Каж­дая из субъединиц содержит 4 или 5 α-спиральных трансмембранных участка и, взаимодей­ствуя с другими субъединицами, формирует канальную структуру, состоящую из 5 субъе­диниц. В активированном состоянии через канал, проходит поток ионов Na⁺, в результате чего на дендритe возникает потенциал действия, передаваемый с аксона другого нейрона.

Действие пассивных переносчиков и его регуляция обусловлены из­менениями их конформации. В качестве активирующего сигнала могут выступать сами транспортируемые молекулы, для которых в переносчике имеется центр связывания. В такой ситуации транспортер будет активным только при наличии транспортируемых молекул. Если переносчик имеет регуляторный центр с одной стороны мембраны, это обеспечивает одно­направленный ПТ (или в клетку, или из клетки).

Примером саморегулирующихся пассивных переносчиков являются транспортеры глюкозы GluT, имеющие регуляторный центр в наруж­ном, внеклеточном домене. При отсутствии глюкозы во внеклеточной среде GluT находится в стабильном, конформационно неактивном со­стоянии (канал закрыт).

Появившиеся молекулы глюкозы связываются регуляторным доме­ном, в результате чего переносчик изменяет свою конформацию и откры­вается канал для глюкозы. Такое состояние переносчика является метастабильным и обеспечивает перенос молекулы глюкозы через канал в гиалоплазму.

После выхода глюкозы из канала переносчик оказывается в неактив­ном, но нестабильном состоянии, из которого он сразу переходит в ис­ходное стабильное неактивное состояние. Таким образом, GluT работает как осциллятор с тремя состояниями: стабильным (неактивным), метаста­бильным (активным, рабочим) и нестабильным (неактивным). Скорость работы такого осциллятора достигает 1000 циклов в секунду.

Сигналом активации пассивного переносчика может служить и специфическая нетранспортируемая молекула, для которой имеется соответ-

ствующий центр связывания (регуляторный центр). Такие переносчики называют хемочувствителъными, хемозависимыми или хеморегулируемыми. Примером подобных транспортеров является ацетилхолинчувствительный Na/К -канал в мембране нервно-мышечных соединений или дендритных окончаний нейронов, контактирующих с окончаниями аксо­нов других нейронов.

Мышечный Na/K-канал состоит из 5 трансмембранных субъединиц (2α, β, γ и ε). В мышцах плода канал содержит не ε-, а γ-субъединицу. Наружные домены двух α-субъединиц имеют регуляторные центры, способные связываться с нейромедиатором ацетилхолином, благодаря чему данный переносчик называют ацетилинхолинчувствителъным, или ацетилхолинрецептивным.

Каждая субъединица содержит по 4 трансмембранных домена (Ml - М4). М2 всех субъединиц имеют одинаковую аминокислотную последовательность и, взаимодействуя друг с другом, формируют канальную часть переносчика Нейронный канал является тетра-или гексамером, состоящим из равного числа α- и β-субъединиц (по две или по три).

При отсутствии ацетилхолина в синаптической щели ионный канал находится в закрытом, неактивном состоянии. При возникновении им­пульса в нейроне происходит секреция ацетилхолина в синаптическую шель, где нейромедиатор взаимодействует с регуляторными субъедини­цами ионных каналов, локализованных в мембране нервно-мышечного контакта или дендритных окончаниях второго нейрона.

Связывание ацетилхолина вызывает изменение конформации канала, в результате чего он переходит в открытое (активное) состояние. Актива­ция канала обеспечивает поток Na⁺ в мышечное волокно или нейрон и деполяризацию мембраны постсинаптической клетки в которой возникает нервный импульс (потенциал действия). Благодаря такому механизму нервный импульс передается в синаптическом контакте с нейрона на мы­шечное волокно или другой нейрон.

Ацетилхолинчувствительные каналы имеют центры связывания с никотином - веществом, содержащемся в табаке, которое увеличи­вает время открытого состояния канала и тем самым - продолжи­тельность и силу нервного импульса. Именно на этом основан стимулирующий эффект табакокурения.

При высоких дозах никотина стимуляция прекращается из-за угасания нервных импульсов - возникает стойкая деполяризация постсинаптической мембраны, которая может привести к тремору (непроизвольному дрожанию мышц), рвоте и даже мышечному пара­личу со смертельным исходом.

В гликокаликсе синаптического окончания дендрита имеется фермент ацетилхолинэстераза, с помощью которой связанный переносчиком ацетилхолин разрушается через определенное время. Расщепление нейромедиатора приводит к возвращению канала в исходное закрытое конформационное состояние до тех пор, пока он не свяжет очередные молекулы ацетилхолина Таким образом, наличие ацетилхолинэстеразы обеспечивает импульсную работу ионного канала, которая прекращается после использования всего нейро­медиатора в синаптической щели.

Ацетилхолинэстераза является тетрамерным белком, содержащим остатки цистеина (аминокислоты со свободной сульфгидрильной группой). После своей секреции в гликокаликсе этот фермент образует дисульфидные связи с молекулой коллагена (по молекуле фермента на каждой из трех цепей молекулы коллагена), закрепленной в билилидном слое плазмалеммы рядом с натриевым каналом.

Функции хемочувствительных каналов могут регулироваться не толь­ко внеклеточными (внешними по отношению к клетке), но и внутрикле­точными сигналами. Такие ионные каналы состоят из четырёх субъединиц с шестью трансмембранными доменами каждая и содержат цитоплазматические домены, способные связывать внутриклеточные регуляторные молекулы. В качестве внутриклеточных сигналов для по­добных каналов служат молекулы циклического АМФ или циклического ГМФ.

В ряде клеток, в частности, нервных и мышечных, сигналом актива­ции пассивных переносчиков служит изменение мембранного электропотенциала (деполяризация мембраны). Такие переносчики получили название потенциалчувствительных, потенциалзависимых или потенциалрегулируемых.

В кардиомиоцитах (клетках сердечной мышцы) имеется большое число потенциал зависимых каналов для ионов Na. Он представлен крупным полипептидом, формирующим 4 трансмембранных домена, состоящих из шести трансмембранных и двух полуинтегральных альфа-спиральных участков.

В каждом домене имеется альфа-спиральный участок, содержащий 5-8 аминокислотных остатков с положительно заряженными радикалами (аргининовых и лизиновых). Именно эти аминокислотные последовотельности являются потенциалчувствительными - при изменении мембранно­го потенциала они изменяют свою конформацию, вызывая открывание или закрывание канала.

В состоянии покоя наружная мембрана (плазмалеммы) кардиомиоцитов поляризована и ее потенциал (потенциал покоя) составляет порядка - 80 МВД. Этот мембранный потенциал создается на фоне 1радиентов мно­гих ионов и обеспечивает закрытое состояние почти всех ионных каналов, включая Na-каналы.

Снижение потенциала до -70 МВД приводит к изменению конформации натриевых каналов за счет изменения положения заряженных ради­калов аргинина и лизина, которыми обогащены трансмембранные участки, формирующие канал. Такое изменение конформации переводит канал в активное (открытое), состояние, что сопровождается мощным поступлением Na⁺ в клетки и быстрой (1-2 мс) деполяризацией мембраны до уровня +50 МВД.

При такой величине потенциала Nа⁺-каналы переходят в новое закры­тое состояние, обозначаемое как инактивированные каналы. Реполяризация мембраны с помощью специальных переносчиков ионов вызывает переход инактивированного канала в исходное закрытое состояние.

В ходе деполяризации, вызванной потоком Na⁺, открываются другие ионные каналы, которые также являются потенциалзависимыми. Среди них есть Са²⁺-каналы, называемые L-каналами, которые обеспечивают поток ионов Са²⁺ из внеклеточной среды в кардиомиоциты. Увеличение концентрации Са²⁺ в периферической гиалоплазме вызывает ПТ этих ионов, но уже из полости эндоплазматической сети, и индуцирует сокращение кардиомиоцита. Таким образом, потенциалчувствительные Na-каналы обеспечивают деполяризацию мембраны кардиомиоцитов и активацию потенциалзависимых Са²⁺-каналов, что является решающим моментом для сокращения сердечной мышцы.

Кроме потенциалзависимых Na⁺-каналов в мембране кардиомиоцитов имеются потенциалзависимые каналы для ионов К⁺ (быстро инактивирующиеся калиевые каналы, или А-каналы). Деполяризация, вызванная ионами Na⁺, активирует А-каналы и обеспечивает первую, быструю фазу реполяризации, необходимую для дальнейшего восстановления потенциа­ла покоя и ионных градиентов с помощью активного транспорта.

В нейронах потенциалзависимые каналы для ионов Na⁺ и К⁺ имеют внутренний «клапан» (m-ворота), формируемый определенными участка­ми альфа-спиралей, и небольшой цитоплазматический глобулярный домен-«затычку» (h-ворота). На фоне потенциала покоя клапан закрывает канал, препятствуя пассивному току Na через него, причем затычка не блокиру­ет канал. Канал в таком состоянии называют закрытым.

При изменении мембранного потенциала (возбуждении нейрона) про­исходит изменение конформации клапана и канал переходит в открытое состояние, обеспечивая прохождение иона в гиалоплазму и деполяриза­цию мембраны (потенциал действия). Дальнейшая деполяризация мем­браны вызывает конформационное изменение затычки, которая закрывает канал со стороны цитоплазмы. В таком состоянии канал называют инактивированным.

Инактивация канала приводит к обязательному прекращению тока
иона через определенное время после его начала, т.е. импульсную передачу нервных сигналов. Она также создает условие реполяризации мембра­ны восстановление потенциала покоя, которое обеспечивается
специальными переносчиками ионов. При обратном изменении мембран­ного потенциала (реполяризации) конформационные изменения клапана и
затычки «снимаются» и канал возвращается в исходное (закрытое) со­
стояние - клапан закрыт, затычка не функционирует.

Известны наследственные патологии, причиной которых явля­ются дефекты структуры и функции А-каналов в кардиомиоцитах. Они вызывают нарушения сократимости миокарда (сердечной мыш­цы), приводящие к гипертрофии сердца (увеличению размеров этого органа).

В нейронах потенциалзависимые Na⁺-каналы обеспечивают воз­никновение и проведение нервного импульса. Повышенная чувстви­тельность таких каналов к изменениям мембранного потенциала из-за наследственных изменений их структуры является одной из при­чин развития эпилепсии, болезни, характеризующейся судорожными припадками.

Химические препараты карбамазепин и дифенин обладают (противосудорожным) действием и применяются при эпилептических припадках, так как связываются с каналами на стадии их инактива­ции. Это стабилизирует Na⁺-каналы в инактивированном состоянии, препятствуя повторному возбуждению соответствующих нейронов и развитию припадков.

Действие ряда местных анестетиков основано на том, что они играют роль «затычки» натриевого канала нейронов, восприни­мающих болевые ощущения. Инактивируя каналы, они препятству­ют реполяризации мембраны и тем самым блокируют проведение импульсов по «болевым» нейронам в месте введения препарата.

Еще одним способом регуляции пассивных переносчиков (каналов) является их фосфорилирование-дефосфорилирование с помощью протеинкиназ (фосфорилирование) и протеинфосфатаз (дефосфорилирование). Этот способ, кроме самостоятельного значения, может использоваться клеткой для инактивации хемочувствительных и потенциалчувствительных переносчиков даже при наличии сигналов их актива­ции.

Примером такой регуляции являются ацетилхолиновые никотин-чувствительные каналы мембран мышечных скелетных волокон (см. выше). Цитоплазматические домены их субъединиц могут фосфорилиро-ваться различными протеинкиназами, после чего каналы теряют способ­ность связывать ацетилхолин, т.е. десентизируются. В нейромышечной синаптической щели имеется белок агрин, который вызывает объедине­ние каналов в группы и тем самым стимулирует их фосфорилирование. Дефосфорилирование канала (восстановление его чувствительности к ацетилхолину) осуществляется с помощью специальной протеинфосфатазы 1D.

Для одной и той же транспортируемой молекулы (иона) может суще­ствовать несколько видов пассивных переносчиков (каналов). Так, в раз­ных клетках млекопитающих (человека) обнаружены различные, хотя и гомологичные, пассивные переносчики глюкозы GtuT, которых выявлено уже около 10 вариантов.

Все GluT состоят из одного полипептида (500 аминокислотных остатков), включающе­го 12 трансмембранных доменов, 5 из которых формируют канал для молекул глюкозы, работающий по принципу осциллятора со скоростью до 1000 мол/сек.

Наиболее универсальный переносчик глюкозы, GluT2, обнаружен в плазмалемме клеток большинства органов и характеризуется увеличением скорости работы при повышении концентрации глюкозы в крови (внекле­точной среде).

GluTlспецифичен для эндотелиальных клеток (клеток эпителия капилляров). Особенно много GluTl содержится в клетках капилляров моз­га, что объясняется жесткой зависимостью энергетического обмена нейронов от глюкозы (неспособностью нейронов использовать в своем энергетическом обмене жирные кислоты и аминокислоты).

В нейронах мозга обнаруживается специфичный для них GluT3, кото­рый обладает самым высоким сродством к глюкозе. Благодаря этому он транспортирует в нейроны глюкозу даже при ее очень низких внеклеточ­ных концентрациях.