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: 9 из 18

Наличие такого переносчика имеет огромное значение, учитывая зависимость нейронов от глюкозы как единственного источника энергетического обмена. Тем не менее, снижение концентрации глю­козы в крови в 2 раза (сильная гипогликемия) приводит к потере сознания человеком через 10 сек, а через несколько минут такой ги­погликемии наступает смерть.

Уникальный переносчик GluT4 обнаружен в жировых и мышечных клетках. При нормальной концентрации глюкозы в крови его нет в плаз­малемме данных клеток. При существенном увеличении концентрации глюкозы GluT4 появляется в их плазмалемме, в результате чего избыток глюкозы поступает в клетки, где превращается в гликоген (скелетная мус­кулатура) или жир (жировые клетки).

Физиологическое значение GluT4 заключается в предотвращении им длительной гипергликемии (повышенной концентрации глюкозы в крови), которая вызывает симптомы сахарного диабета. Переме­щение GluT4 из цитоплазмы в ПА регулируется гормоном поджелу­дочной железы инсулином. Однако при наследственных изменениях структуры и функции GIuT4 сахарный диабет развивается при нор­мальном количестве инсулина.

Такая форма сахарного диабета называется инсулиннезависимым сахарным диабетом (ИНЗСД), при котором введение больным инсу­лина является не только бесполезным, но и может вызвать неблаго­приятные последствия, т.к. этот гормон регулирует не только транспорт глюкозы в жировые и мышечные клетки.

Различные переносчики с одинаковой транспортной специфичностью могут присутст­вовать даже в одной клетке. Например, в нейронах и кардиомиоципик обнаружено несколь­ко каналов для ионов К, Один из них является потенциалчувствительным, активирующимся при деполяризации плазмалеммы, два других - хемочувствительными, но регулируемые разными сигналами (Са²⁺-зависимый К⁺-канал и АТФ-зависимый К⁺-канал). Наконец, четвертый вид К-каналов открыт постоянно, т.к. является нерегулируемым. Его функция заключается в ПТ ионов К⁺ из клетки при образовании их избытка.

ПТ и его регуляция имеют огромное медицинское значение, так как нарушения параметров ПТ вызывают серьезные патологические состояния организма.

Так, тетродотоксин, ядовитое вещество иглобрюха (рыбы фугу) и некоторых тритонов, обладает высоким сродством к потенциалзависимым Na-каналам, входит в них и, закрывая просвет, блокирует их активность. В результате этого использование в пищу рыбы фугу, если она не приготовлена особым способом, приводит к блоку воз­никновения и проведения нервных импульсов, заканчивающихся летальным исходом. Эффект ряда местных анестетиков обусловлен их способностью блокировать эти же каналы сходным с тетродотоксином образом.

Растительные алкалоиды курарины (действующее начало яда кураре, которым индейцы смазывали наконечники стрел) связываются с Na/K-каналом постсинаптической мембраны мышечных клеток, инактивируют его и вызывают блок нейромышечной передачи им­пульса.

При попадании кураринов в кровь (ранение стрелой) человек по­гибает от паралича мышц. Аналогичным способом действует и бунгаротоксин, белок обнаруженный в яде змей семейства кобр.

Яд паука каракурта содержит латротоксин, который встраива­ется в билипидный слой плазмалеммы и формирует нерегулируемый кальциевый канал. Если латротоксин поражает нейроны, поток ио­нов Са²⁺ индуцирует мощный выброс нейромедиаторов в синаптическую щель, вызывающий сильное возбуждение на постсинаптической мембране.

При этом пресинаптический нейрон теряет активность из-за де­фицита нейромедиаторов, секретируемых им в огромном количестве под действием латротоксина. После укуса каракуртом у человека развиваются судороги (результат сильного возбуждения), затем - параличи (результат нейромедиаторного истощения нейронов). Ха­рактерным симптомом действия латротоксина являются и галлюци­нации (возникновение ощущений и образов без адекватных им раз­дражителей).

Латротоксин относится к веществам, способным к ПТ ионов, - ионофорам. Включение ионофоров в плазмалемму клетки изменяет ее ионный баланс, что, в свою очередь, вызывает гибель клетки. Именно на этом основано действие некоторых антибиотиков - анти­бактериальных препаратов, используемых в медицине.

Так, антибиотиком-ионофором является циклический пептид валиномицин. Встраиваясь в бактериальную мембрану, он транспорти­рует по градиенту ионы К⁺, двигаясь в мембране, как челнок. Исчезновение градиента К⁺ является губительным для клеток бак­терий.

Аналогичным способом действует антибиотик грамицидин. Две молекулы грамицидина встраиваются друг за другом в мембрану бактерий и формируют неподвижный канал, через который пассивно проходят ионы К⁺.

При использовании таких антибиотиков лля лечения бактериальных инфекций следует помнить, что они способны встраиваться во внутреннюю мембрану митохон­дрий и формировать протонные каналы, т.e. пассивно транспортировать катионы водорода и тем самым нарушать работу этих органоидов.

Активный транспорт (AT) это движение молекул и ионов против градиента концентрации (в биологическом понимании градиента) и, с этой точки зрения, он противоположен свободному и пассивному транс­порту. Как и пассивный транспорт, AT осуществляется с помощью бел­ков-переносчиков, которые в данном случае называют активными переносчиками, насосами или помпами.

В соответствии с законами диффузии, AT не может происходить спонтанно, самопроизвольно. Благодаря этому осуществление AT требует

затрат энергии. По виду используемой энергии, различают 2 вида AT: первичный AT и вторичный АТ.

Первичный AT характеризуется тем, что активные переносчики, или насосы, используют энергию АТФ непосредственно. С биохимической точки зрения, такие _насосы являются АТФазами, т.е. имеют каталитиче­ский домен, в котором происходит присоединение и расщепление АТФ. В ходе связывания, гидролиза и удаления продуктов расщепления АТФ активный переносчик циклически изменяет свою конформацию, что и позволяет ему транспортировать молекулы или ионы против градиента концентрации.

Вторичный AT основан на том, что переносчик использует не энер­гию гидролиза АТФ, а энергию градиента других молекул (ионов), кото­рые он способен транспортировать пассивно, по градиенту концентрации. Пассивный транспорт вызывает изменение конформации такого перенос­чика, которое и обеспечивает AT другого типа молекул. Так как создание соответствующих градиентов сопряженно с гидролизом АТФ другими насосами, AT за счет энергии градиентов является вторичным по отноше­нию к AT путем прямого гидролиза АТФ, т.е. первичному AT.

AT, как и пассивный, характеризуется высокой специфичностью в от­ношении транспортируемых молекул. Это определяется наличием в пере­носчике центров связывания определенных молекул или ионов. Как и пассивные переносчики, насосы представляют србой белковые канальные структуры, функционирующие за счет изменения своей конформации.

Наличие насосов в плазмалемме позволяет клетке создавать и поддерживать электрохимические градиенты молекул или ионов по обе ее стороны. Эта функция определяет зависимость работы активных перенос­чиков от градиента - скорость транспорта снижается по мере создания определенной величины градиента, при которой функционирование насо­са прекращается.

Некоторые насосы-АТФазы в условиях превышения этой величины способны работать как пассивные переносчики, снижая значение градиента до необходимых параметров. При этом в условиях эксперимента пассивный транспорт через насос превращает АТФазу в АТФ-синтазу - переносчик начинает катализировать не гидролиз АТФ, а его синтез

Создание градиента ионов приводит к поляризации плазмалеммы, формированию потенциала покоя, что необходимо для функционирова­ния нейронов и мышечных клеток. Благодаря этому данные клетки обла­дают свойством возбудимости, способностью к формированию потенциала действия за счет пассивного транспорта ионов по фадиенту, созданному с помощью насосов. Кроме того, пассивный поток ионов используется рядом клеток для осуществления вторичного ATмолекул, необходимых для жизнедеятельности клеток (моносахариды и аминокис­лоты). Наконец, AT необходим и используется клеткой с целью вывода опасных для нее химических соединений.

Примером универсального для всех эукариот первичного активного переносчика плазмалеммы является Са-насос, или Са-АТФаза. Он транспортирует ионы Са²⁺ из периферической гиалоплазмы за пределы клетки, расщепляя при этом молекулы АТФ.

Структурная основа Са²⁺-насоса - крупный полипептид (1220 аминокислотных остат­ков) с несколькими альфа-спиральными трансмембранными доменами и сложным цитоплазматическим доменом, локализованным в периферической гиалоилазме. Собственно Са-насос функционирует в виде гомодимера, состоящего из двух таких полипептидов. Цитоплазматический домен насоса содержит 4 разных центра: Са²⁺-связывающий (транспортный), АТФазный (каталитический), кальмодулинсвязывающий (регуляторный) и фосфорилируемый (регуляторный).

При достижении определенного уровня Са²⁺ в периферической гиалоплазме ионы связываются транспортным центром насоса и изменяют его конформацию. Это приводит к активации каталитического центра - он связывает и гидролизует АТФ. Действие каталитического (АТФазного) центра, в свою очередь, вызывает изменение конформации насоса, благо­даря чему Са²⁺, связанный в гиалоплазме, выводится во внеклеточную среду. В таком режиме работы осуществляется транспорт одного иона Са²⁴ на одну молекулу АТФ со скоростью 1000 циклов/мин.

Эта скорость может увеличиваться при активации протеинкиназы А, которая фосфорилирует цитоплазматический домен насоса и стимулирует этим его работу Данный вари­ант фосфорилирования является обратимым - насос может дефосфорилироваться с помо­щью протеинфосфатазы, что приводит к снижению скорости его работы.

Если концентрация Са²⁺ в периферической гиалоплазме достаточно велика, происходит усиление активности насоса. В этом случае Са²⁺ свя­зывается не только насосом, но и регуляторньш белком кальмодулином, с образованием активного комплекса Са-калъмодулин. Данный комплекс присоединяется к соответствующему регуляторному центру цитоплазматического домена насоса и изменяет его конформацию.

Взаимодействие Са²⁺-кальмодулина с насосом резко (в 20 раз) увеличивает сродство транспортного центра к ионам Са²⁺ и активность каталитического, АТФазного, центра в 2 раза. В результате этого скорость AT Ca²⁺ достигает 2000 ионов/мин и клетка избегает кальциевой перегрузки.

В некоторых случаях концентрация Са²⁺ периферической гиалоплаз­мы может стать очень высокой. В такой ситуации возникает реальная угроза гибели клетки из-за интенсификации Са²⁺-зависимых процессов (например, деполимеризации микротрубочек) или образования нераство­римых солей, в частности, фосфата кальция. Для предотвращения такой угрозы в клетке существует фермент кальпаин, который активируется ионами Са²⁺ при их высокой концентрации. По своей функции, кальпаин является протеинкиназой, с помощью которой фосфорилируется цито­плазматический домен Са-насоса и существенно интенсифицируется его работа.

Фосфорилирование кальпаином представляет собой необратимый процесс, приводя­щий к потере насосом способности регулироваться. Однако оно вызывает необратимое и резкое усиление активности насоса (скорости вывода ионов Са²⁺ из клетки), которое позво­ляет за короткое время нормализовать концентрацию Са в периферической гиалоплазме и предотвратить неблагоприятные последствия кальциевой перегрузки.

Кроме Са²⁺-насоса, плазмалемма зукариотических клеток содержит насосы и с другой ионной специфичностью, например, протонный насос, или H⁺-АТФазу.

С медицинской точки зрения, интересен активный переносчик (АТФаза) гликопротеин Р. У человека (и других млекопитающих) он обнаружен в клетках почек, надпочечников, печени и кишечника. Функцией этого насоса является вывод из клетки вредных, токсич­ных для нее химических соединений, к каковым относятся и опреде­ленные лекарственные препараты.

Гликопротеин Р - крупный гликозилированный полипептид с двенадцатью альфа-спиральными трансмембранными доменами, формирующими канальную структуру, и двумя сходными по структуре и функциям цитоплазматическими доменами с центрами связывания и гидролиза АТФ (АТФазными центрами)

В тканях, содержащих клетки с гликопротеином Р, нередко воз­никают опухоли, которые очень плохо поддаются лечению химиче­скими препаратами, т.е. обладающие устойчивостью одновременно к широкому спектру цитостатиков (препаратов, прекращающих рост опухолей). В этих случаях раковые клетки содержат необычно боль­шое количество молекул гликонротеина Р в плазмалемме. Благодаря этому цитостатики, попавшие в опухолевые клетки, очень быстро выводятся из них, не успев оказать терапевтического действия.

Одной из причин такой лекарственной устойчивости раковых клеток может быть амплификация (увеличение числа копий) гена, кодирующего структуру гликопротеина Р в опухолевых клетках. Такая возможность продемонстрирована экспери­ментально при изучении механизмов лекарственной устойчивости некоторых опухолевых клеток у мышей.

Возникнув в одной раковой клетке, амплицированный ген передается другим опухолевым клеткам, образующимся из исходной путем ее деления при росте опухо­ли. В результате этого лекарственную устойчивость приобретают многие клетки данной опухоли, что делает ее не чувствительной к цитостатикам.

Транспорт (как пассивный, так и активный), при котором переносчик функционирует только в отношении молекул или ионов одного вида, по­лучил название унипорт. Кроме унипорта, существует сопряженный транспорт, или копорт, при котором переносчик способен транспорти­ровать одновременно более одного вида молекул (ионов). Такие перенос­чики называют сопряженными переносчиками, или копортерами.

Различают 2 варианта копорта: симпорт и антипорт. При симпорте различные молекулы (ионы) транспортируются переносчиком в одном направлении, а при антипорте направления транспорта разных молекул (ионов) являются противоположными. При этом механизм транспорта молекул (ионов) разного вида может не совпадать, т.е. для одного вида он может быть пассивным, а для другого - активным. С этой точки зрения, вторичный AT относится к категории копорта в варианте симпорта.

Примером такого вида транспорта является реабсорбция (обратное всасывание) глюкозы и аминокислот из первичной мочи, осуществляемое нефроцитами (клетками почечных канальцев). Этот процесс предотвра­щает потери организмом ценных для него органических соединений, в результате чего вторичная моча, выводящаяся из организма, в норме практически не содержит глюкозы и аминокислот.

Глюкоза реабсорбируется с помощью переносчиков, локализованных в плазмалемме нефроцитов. Эти сопряженные переносчики способны к пассивному транспорту ионов Na⁺, который сопровождается переносом глюкозы в том же направлении, что и ионов Na⁺. Таким образом, для транспорта глюкозы симпортный переносчик использует энергию гради­ента Na.

В первичной моче концентрация Na всегда выше, чем в цитоплазме клеток эпителия почечных канальцев, что обеспечивается работой актив­ных переносчиков Na⁺ в этих же клетках. Глюкоза, попавшая в первичную мочу при фильтрации плазмы крови в почечных клубочках, связывается соответствующим симпортером (его наружным доменом). Взаимодейст­вие с молекулой глюкозы активирует Na-канал этого переносчика, в ре­зультате чего происходит пассивный транспорт ионов через этот канал.

Поток ионов Na⁺ обеспечивает изменение конформации сопряженно­го переносчика и транспорт глюкозы в том же направлении, что и Na⁺. При этом глюкоза транспортируется всегда в клетки почечных канальцев вне зависимости от ее относительных концентраций в первичной моче и цитоплазме клеток канальцев, т.е. может транспортироваться активно, против градиента собственной концентрации. Именно это позволяет реаб-сорбировать практически всю глюкозу из первичной мочи, снижая пище­вую потребность в этом моносахариде.

Аналогичные натриевые симпортеры глюкозы и аминокислот функционируют в клет­ках тонкой кишки, где они обеспечивают максимальное всасывание этих веществ, образо­вавшихся в процессе пищеварения. Кроме симпортного вторичного AT глюкозы, в клетках осуществляется и пассивный унипорт этого моносахарида с помощью переносчиков семей­ства GluT.

Реабсорбция глюкозы в почках имеет важное физиологическое значение, предотвращая развитие гипогликемии (пониженного уров­ня глюкозы в крови). При снижении концентрации глюкозы в крови до 0,2 мг/мл у человека развиваются гипогликемические судороги. Если в такой ситуации не ввести глюкозу, тяжелая гипогликемия может привести к летальному исходу.

С другой стороны, система обратного транспорта глюкозы в по­чечных канальцах функционирует таким образом, что препятствует развитию гипергликемии, вызывающей симптомы сахарного диабета. Скорость реабсорбции глюкозы в почках имеет предельную величи­ну порядка 350 мг/мин. Благодаря этому избыток глюкозы в первич­ной моче не реабсорбируется, а выводится с вторичной мочой.