Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка icon

Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка





НазваниеПеревод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка
страница2/36
Н. Н. Алипова
Дата25.03.2013
Размер8.58 Mb.
ТипЛитература
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   36
^

Часть I. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ И МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Глава 1. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОЙ ФИЗИОЛОГИИ. Й. Дудель


Предмет физиологии. Физиология-это наука о функциональных механизмах живых организмов. Она основывается на анатомии, изучающей различные структуры организма, и из анатомии же ведет свое историческое происхождение. Лишь в нашем столетии биохимия («физиологическая химия») отделилась от физиологии в качестве новой дисциплины, сохранив рассмотрение физических процессов в организме за таким предметом, как физиология. Например, физиологи изучают процессы, которые обеспечивают идентичность живого организма в ходе обмена с окружающей средой и воспроизводство его в последующих поколениях; или же они описывают пути, по которым информация, полученная извне, преобразуется в соответствующие реакции, с помощью которых организм в свою очередь воздействует на окружающую среду.

В любом учебнике физиологии подразумевается, что читатель обладает необходимыми знаниями о строении тех органов, функция которых изучается. Поэтому здесь описание каждой функции сопровождается лишь кратким рассмотрением соответствующих структур, так чтобы анализ физиологических взаимоотношений был более удобочитаемым. Сходным образом детали разнообразных химических процессов, связанных с процессами физиологическими, оставлены учебникам по биохимии. Вместе с тем сейчас становится возможным во все возрастающем числе случаев осветить макроскопические физиологические процессы вплоть до молекулярного уровня. Различие между физиологией и биохимией, таким образом, становится лишь одним из аспектов более общего контекста: физиология рассматривает в основном связи между функциональными процессами и деятельностью организма как единого целого.

Мы начинаем изучение физиологии человека с рассмотрения клеточных функций. Клетки-это «кирпичики», из которых построен организм, и они очень сходны у самых различных животных. Функции клеток редко изучаются на клетках человека; амебы и ткани беспозвоночных, лягушки, крысы и другие животные используются куда чаще. Исчерпывающее обсуждение клеточной физиологии лежит

за пределами задач данной книги. Здесь излагается только то, что имеет непосредственное отношение к основам физиологии человека, а именно механизм и контроль обмена веществ в клетке, между клетками и между клетками и окружающей средой.
^

1.1. Клетка как единица физиологических процессов обмена


Плазматическая мембрана. Животные клетки ограничены плазматической мембраной (рис. 1.1). На ее строении, очень сходном со строением многих внутриклеточных мембран, мы остановимся несколько подробнее. Основной матрикс мембраны состоит из липидов, главным образом фосфатидилхолина. Эти липиды состоят из головной гидрофильной группы, к которой присоединены длинные гидрофобные углеводородные цепи. В воде такие липиды спонтанно формируют двуслойную пленку толщиной 4-5 нм, в которой гидрофильные группы обращены к водной среде, а гидрофобные углеводородные цепи располагаются в два ряда, образуя безводную липидную фазу. Клеточные мембраны представляют собой липидные бислои именно такого типа и содержат гликолипиды, холестерол и фосфолипиды (рис. 1.2). Гидрофильная часть гликолипидов образована олигосахаридами. Гликолипиды всегда располагаются на наружной поверхности плазматической мембраны, причем олигосахаридная часть молекулы ориентирована подобно волоску, погруженному в окружающую среду. Разбросанные среди фосфолипидов в почти равном с ними количестве молекулы холестерола стабилизируют мембрану. Распределение различных липидов во внутреннем и наружном слоях мембраны неодинаково, и даже в пределах одного слоя имеются участки, в которых концентрируются отдельные виды липидов. Такое неравномерное распределение,

^ 10 ЧАСТЬ I. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ





Рис. 1.1. Схематический рисунок клетки, на котором изображены наиболее важные органеллы

вероятно, имеет какое-то, пока еще неясное, функциональное значение.

Главными функциональными элементами, погруженными в сравнительно инертный липидный матрикс мембраны, являются белки (рис. 1.2). Белок по массе составляет от 25 до 75% в различных мембранах, но, поскольку белковые молекулы намного крупнее, чем липидные, 50% по массе эквивалентны соотношению: 1 молекула белка на 50 молекул липида. Одни белки пронизывают мембрану от ее наружной до внутренней поверхности, другие же закреплены в каком-то одном слое. Белковые молекулы обычно ориентированы так, что их гидрофобные группы погружены в липидную мембрану, а полярные гидрофильные группы на поверхности мембраны погружены в водную фазу. Многие белки наружной поверхности мембраны представляют собой гликопротеины; их гидрофильные сахаридные группы обращены во внеклеточную среду.

^ Мембранные системы внутриклеточных оргаиелл.

Примерно половина объема клетки занята органеллами, изолированными от цитозоля мембранами. Общая поверхность мембран внутриклеточных органелл по крайней мере в 10 раз превышает поверхность плазматической мембраны. Наиболее широко распространенная мембранная система - эндоплазматический ретикулум, представляющий собой сеть




Рис. 1.2. Схематическое изображение плазматической мембраны. Белки погружены в фосфолипидный бислой, причем некоторые из них пронизывают бислой, тогда как другие только заякорены на наружном или внутреннем слое [1, 10]

сильно извитых трубочек или мешковидных вытянутых структур; большие участки эндоплазматического ретикулума усеяны рибосомами; такой ретикулум получил название гранулярного, или шероховатого (рис. 1.1). Аппарат Гольджи также состоит из мембрансвязных ламелл, от которых отрываются пузырьки, или везикулы (рис. 1.1). Лизосомы и пероксисомы - это небольшие специализированные везикулы. Во всех этих разнообразных органеллах мембрана и охватываемое ею пространство содержат специфические наборы ферментов; внутри органелл накапливаются особые продукты обмена, используемые для осуществления различных функций органелл [1, 2, 5].

^ Ядро и митохондрии отличаются тем, что каждая из этих органелл окружена двумя мембранами. Ядро ответственно за кинетический контроль метаболизма; складчатая внутренняя мембрана митохондрий - место окислительного метаболизма; здесь за счет окисления пирувата или жирных кислот синтезируется высокоэнергетическое соединение аденозинтрифосфат (АТФ, или АТР).

Цитоскелет. Цитоплазму, окружающую органеллы, никоим образом нельзя считать аморфной; ее пронизывает сеть цитоскелета. Цитоскелет состоит из микротрубочек, актиновых филаментов и промежуточных филаментов (рис. 1.1). Микротрубочки имеют наружный диаметр около 25 нм; они образуются, как и обычный полимер, в результате сборки молекул белка тубулина. Актиновые филаменты сократительные волокна, располагающиеся в примембранном слое и во всей клетке - в основном

^ ГЛАВА 1. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОЙ ФИЗИОЛОГИИ 11

принимают участие в процессах, связанных с движением. Промежуточные филаменты состоят из блоков различного химического состава в разных типах клеток; они образуют разнообразные связи между упомянутыми выше двумя другими элементами цитоскелета. Органеллы и плазматическая мембрана также связаны с цитоскелетом, который не только обеспечивает поддержание формы клетки и положение органелл в ней, но и обусловливает изменение формы клетки и ее подвижность.

Цитозоль. Около половины объема клетки занято цитозолем. Поскольку он приблизительно на 20% (по массе) состоит из белка, это скорее гель, чем водный раствор. Малые молекулы, в том числе органические и неорганические ионы, растворены в водной фазе. Между клеткой и окружающей средой (внеклеточным пространством) происходит обмен ионов; эти обменные процессы будут рассмотрены в следующем разделе. Концентрация ионов во внеклеточном пространстве поддерживается со значительной точностью на постоянном уровне; внутриклеточная концентрация каждого из ионов также имеет специфический уровень, отличающийся от такового вне клетки (табл. 1.1). Наиболее распространенным катионом во внеклеточной среде является Na+; в клетке его концентрация более чем в 10 раз ниже. Напротив, внутри клетки наиболее высока концентрация К+, вне клетки она ниже более чем на порядок. Наибольший градиент между внеклеточной и внутриклеточной концентрациями существует для Са2+, концентрация свободных ионов которого внутри клетки по крайней мере в 10000 раз ниже, чем вне ее. Не все ионы растворены в цитозоле, часть их адсорбирована на белках или депонирована в органеллах. Например, в случае Са2+ связанные ионы намного более многочисленны, чем свободные. Большая часть белков цитозоля - ферменты, при участии которых осуществляется множество процессов промежуточного метаболизма: гликолиз и глюконеогенез, синтез или разрушение аминокис-

Таблица 1.1. Внутри- и внеклеточные концентрации ионов в мышечных клетках гомойотермных животных. А - «высокомолекулярные клеточные анионы»



Внутриклеточная концентрация

Внеклеточная концентрация

Na+

12 ммоль-л 1

Na+

145 ммоль-л1

К+

155 ммоль-л1

К +

4 ммоль-л1

Са2+

108-107 моль-л1

Са2+

2 ммоль-л1

Cl

4 ммоль-л1

Cl

120 ммоль-л1

HCO3

8 ммоль · л 1

HCO3

27 ммоль-л1

А

155 ммоль-л1

Прочие катионы

5 ммоль-л1

Потенциал покоя —90 мВ

лот, синтез белка на рибосомах (рис. 1.1). В цитозоле содержатся также капли липидов и гранулы гликогена, служащие резервами важных молекул.
^

1.2. Обмен веществами между клеткой и окружающей средой


Мы кратко описали строение клетки, чтобы использовать это описание для рассмотрения основ клеточной физиологии. Клетку ни в коем случае нельзя считать статичным образованием, поскольку здесь происходит постоянный обмен веществами между различными внутриклеточными компартментами, а также между компартментами и окружающей средой. Структуры клетки находятся в динамическом равновесии, и взаимодействия клеток между собой и с внешней средой являются необходимым условием для поддержания жизни функционирующего организма. В данной главе мы рассмотрим фундаментальные механизмы такого обмена. В последующих главах эти механизмы будут рассмотрены в приложении к нервной клетке и ее функциям; однако те же самые механизмы лежат в основе функционирования всех других органов.

Диффузия. Простейшим процессом перемещения вещества является диффузия. В растворах (или газах) атомы и молекулы перемещаются свободно, а разность концентраций уравновешивается благодаря диффузии. Рассмотрим два объема, заполненные жидкостью или газом (рис. 1.3), в которых вещества имеют концентрации с1 и с2 и разделены слоем с площадью поверхности А и толщиной d. Поток вещества m за время t описывается первым законом диффузии Фика.

(1)

где D - коэффициент диффузии, постоянный для данного вещества, растворителя и температуры. В более общем виде для разности концентраций dc на расстоянии dx

(2)

поток через сечение А пропорционален градиенту концентрации dc/dx. Знак «минус» возникает в уравнении потому, что изменение концентрации по направлению х - отрицательно.

Диффузия - это наиболее важный процесс, благодаря которому большая часть молекул в водных растворах перемещается на небольшие расстояния. Это относится и к их движению в клетке постольку, поскольку диффузии не препятствуют мембраны. Множество веществ могут свободно диффундировать через липидные мембраны, в особенности вода и растворенные газы, такие, как О2 и СО2. Жиро-

^ 12 ЧАСТЬ I. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ





Рис. 1.3. Количественная схема диффузии. Два пространства разделены слоем толщиной d и площадью А. С1 -высокая концентрация частиц в левой части объема, С2-низкая концентрация частиц в правой части; розовая поверхность - концентрационный градиент в диффузионном слое. Диффузионный поток dm/dt-см. уравнение (1)

растворимые вещества также хорошо диффундируют через мембраны; это касается и полярных молекул достаточно малого размера, таких, как этанол и мочевина, тогда как сахара проходят через липидный слой с трудом. Вместе с тем липидные слои практически непроницаемы для заряженных молекул, в том числе даже для неорганических ионов. Для неэлектролитов уравнение диффузии (1) обычно преобразуют, соединяя характеристки мембраны и диффундирующего вещества в один параметр - проницаемость (Р):

(3)

На рис. 1.4 сравниваются проницаемости (Р) липидной мембраны для различных молекул.

Диффузия через мембранные поры. Плазматическая мембрана (и другие клеточные мембраны) проницаемы не только для веществ, диффундирующих через липидный слой, но и для многих ионов, Сахаров, аминокислот и нуклеотидов. Эти вещества преодолевают мембрану через поры, образованные транспортными белками, погруженными в мембрану. Внутри таких белков имеется заполненный водой канал диаметром менее 1 нм, через который могут диффундировать малые молекулы. Они движутся по градиенту концентрации, и если они несут заряд, то их движение по каналам регулируется также мембранным потенциалом. Мембранные каналы обладают относительной избирательностью




Рис. 1.4. Проницаемость искусственных липидных бислоев для различных веществ

по отношению к типу молекул, которые могут через них проходить. Существуют, например, калиевые, натриевые и кальциевые каналы, каждый из которых непроницаем практически для любого иона, кроме специфического. Такая избирательность обусловлена зарядом или структурой мест связывания в стенках канала, что облегчает транспорт специфической молекулы и предотвращает проникновение через канал других веществ (рис. 1,5, А) [1, 3].

За поведением мембранных ионных каналов легко наблюдать, поскольку возникающий при движении ионов ток можно измерить, причем даже для одиночного канала. Показано, что каналы спонтанно и с высокой частотой меняют свое состояние от открытого к закрытому. Для калиевого канала характерны импульсы тока амплитудой около 2 пА (2-10 12 А) и длительностью в несколько миллисекунд (см. рис. 2.12, стр. 37) [3]. За этот период через него проходят десятки тысяч ионов. Переход белков из одной конформации в другую изучают методами рентгеновской дифракции, мессбауэровской спектроскопии и ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). Белки, таким образом, являются очень динамичными подвижными структурами, а канал, проходящий через белок, не просто жесткая, наполненная водой трубка (рис. 1.5, А), но лабиринт быстро двигающихся молекулярных групп и зарядов. Эта динамическая характеристика канала отражается в энергетическом профиле канала, показанном на рис. 1.5, Б. Здесь по оси абсцисс представлена длина канала от внешнего раствора с концентрацией ионов со и потенциалом 0 до внутреннего раствора с концентрацией с1 и потенциалом Е. По оси орди-

^ ГЛАВА 1. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОЙ ФИЗИОЛОГИИ 13



Рис. 1.5. А. Схема белка, образующего калиевый канал, погруженный в липидный бислой плазматической мембраны. Четыре отрицательных заряда зафиксированы на «стенке» канала. Б. Схематический энергетический профиль канала, показанного на рис. А. По оси ординат отложены Величины кинетической энергии, необходимые для прохождения канала; по оси абсцисс расстояния между внутренней и наружной поверхностями мембраны. Энергетические минимумы соответствуют местам саязывания положительно заряженных ионов с фиксированными отрицательными зарядами в стенке канала. Энергетические максимумы соответствуют препятствиям диффузии в канале. Предполагается, что конформация канального белка спонтанно осциллирует; варианты энергетических профилей изображены сплошными и штриховыми линиями; эти осцилляции в значительной степени облегчают связывание ионов при преодолении энергетического барьера (по [14] с изменениями)

нат представлены уровни энергии иона в местах связывания канала; пик на графике представляет барьер проницаемости, который энергия иона должна превосходить для проникновения через канал, а «провал» графика - сравнительно стабильное состояние (связывание). Несмотря на препятствие в виде энергетического пика, ион может проникнуть через канал, если энергетический профиль спонтан-

но циклически меняется; ион, таким образом, может внезапно оказаться «по ту сторону» энергетического пика и может продолжить движение в клетку. В зависимости от заряда, размеров и степени гидратации иона и его способности связываться со структурами стенок канала энергетический профиль канала варьирует для различных ионов, чем может объясняться избирательность отдельных типов каналов.

^ Диффузионное равновесие ионов. Диффузия различных ионов через мембранные каналы должна была бы привести к устранению различий в концентрациях между вне- и внутриклеточной средами. Как, однако, видно из табл. 1.1, такие различия сохраняются, следовательно, должно существовать некое равновесие между диффузией и другими процессами транспорта через мембрану. Следующие два раздела касаются тех путей, с помощью которых такое равновесие устанавливается. В случае ионов на диффузионное равновесие влияет их заряд. Диффузия незаряженных молекул обеспечивается разностью концентраций dc, и, когда концентрации уравниваются, собственно транспорт прекращается. На заряженные частицы дополнительно влияет электрическое поле. Например, когда ион калия выходит из клетки по градиенту своей концентрации, он несет один положительный заряд. Таким образом, внутриклеточная среда становится более отрицательно заряженной, в результате чего на мембране возникает разность потенциалов. Внутриклеточный отрицательный заряд препятствует выходу из клетки новых ионов калия, а те ионы, которые все же выйдут из клетки, еще больше увеличат заряд на мембране. Поток ионов калия прекращается, когда действие электрического поля компенсирует диффузионное давление вследствие разности концентраций. Ионы продолжают проходить через мембрану, но в равных количествах в обоих направлениях. Следовательно, для данной разности концентраций ионов на мембране существует равновесный потенциал Eion , при котором поток ионов через мембрану прекращается. Равновесный потенциал может быть легко определен с помощью уравнения Нернста:



(4)

где R - газовая постоянная, Τ-абсолютная температура, z - валентность иона (отрицательная для анионов), a F - число Фарадея. Если подставить в уравнение константы, то при температуре тела (Т = 310К) равновесный потенциал для ионов калия Ек равен:

(5)

^ 14 ЧАСТЬ I. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ



Действительно, было обнаружено, что все клетки имеют мембранный потенциал; в мышечных клетках млекопитающих его уровень составляет около — 90 мВ. В зависимости от условий и относительных концентраций ионов клетки могут иметь мембранный потенциал в пределах от —40 до —120 мВ. Для клетки в приведенном выше примере (табл. 1.1) потенциал покоя, равный примерно —90 мВ, показывает, что потоки ионов калия через мембранные каналы находятся приблизительно в равновесии. Это неудивительно, поскольку в покоящейся мембране открытое состояние калиевых каналов наиболее вероятно, т.е. мембрана наиболее проницаема для ионов калия. Мембранный потенциал, однако, определяется потоками и других ионов.

Легкость, с которой незаряженные частицы могут диффундировать через мембрану, количественно представлена в уравнении (3). ^ Проницаемость для заряженных частиц описывается несколько более сложным уравнением:

(6)

где μ - подвижность иона в мембране, d - толщина мембраны, a R, Τ и F- известные термодинамические постоянные. Определенные таким образом значения проницаемости для различных ионов могут быть использованы для расчета мембранного потенциала Ет, когда ионы калия, натрия и хлора проходят через мембрану одновременно (с проницаемостью РK, PNa и РCl, соответственно). При этом предполагается, что потенциал падает в мембране равномерно, так что напряженность поля постоянна. В этом случае применяется уравнение Голдмана, или уравнение постоянного поля [6, 12]:



(7)

Для большинства клеточных мембран РK приблизительно в 30 раз выше, чем PNa (см. также разд. 1.3). Относительная величина РС1 сильно варьирует; для многих мембран РС1 мала по сравнению с Рк, однако для других (например, в скелетных мышцах) РCl значительно выше, чем Рк.

^ Активный транспорт, натриевый насос. В предыдущем разделе описаны пассивная диффузия ионов и образующийся вследствие этого мембранный потенциал при заданных внутри- и внеклеточных концентрациях ионов. Однако в результате этого процесса концентрация ионов внутри клетки стабилизируется не автоматически, поскольку мембранный

потенциал несколько более электроотрицателен, чем Ек, и намного - по сравнению с ENa (около +60 мВ). Благодаря диффузии внутриклеточные концентрации ионов, по крайней мере калия и натрия, должны уравниваться с внеклеточными. Стабильность градиента ионов достигается посредством активного транспорта: мембранные белки переносят ионы через мембрану против электрического и (или) концентрационного градиентов, потребляя для этого метаболическую энергию. Наиболее важный процесс активного транспорта - это работа Na/K-насоса, существующего практически во всех клетках; насос выкачивает ионы натрия из клетки, одновременно накачивая ионы калия внутрь клетки. Таким образом обеспечивается низкая внутриклеточная концентрация ионов натрия и высокая - калия (табл. 1.1). Градиент концентрации ионов натрия на мембране имеет специфические функции, связанные с передачей информации в виде электрических импульсов (см. разд. 2.2), а также с поддержанием других активных транспортных механизмов и регулирования объема клетки (см. ниже). Поэтому неудивительно, что более 1/3 энергии, потребляемой клеткой, расходуется на Na/К-насос, а в некоторых наиболее активных клетках на его работу расходуется до 70% энергии [1, 11].

Na/К-транспортный белок представляет собой АТФазу. На внутренней поверхности мембраны она расщепляет АТФ на АДФ и фосфат (рис. 1.6). На транспортировку трех ионов натрия из клетки и одновременно двух ионов калия в клетку используется энергия одной молекулы АТФ, т. е. суммарно за один цикл из клетки удаляется один положительный заряд. Таким образом, Na/К-насос является электрогеиным (создает электрический ток через мембрану), что приводит к увеличению электроотрицательности мембранного потенциала приблизительно на 10 мВ. Транспортный белок выполняет эту операцию с высокой скоростью: от 150 до 600 ионов натрия в секунду. Аминокислотная последовательность транспортного белка известна, однако еще не ясен механизм этого сложного обменного транспорта. Данный процесс описывают с использованием энергетических профилей переноса белками ионов натрия или калия (рис. 1.5, Б). По характеру изменения этих профилей, связанных с постоянными изменениями конформации транспортного белка (процесс, требующий затраты энергии), можно судить о стехиометрии обмена: два иона калия обмениваются на три иона натрия.

Na/К-насос, как и изолированная Na++-зависимая мембранная АТФаза, специфически ингибируется сердечным гликозидом уабаином (строфантином). Поскольку работа Na/К-насоса представляет собой многоступенчатую химическую реакцию, она, подобно всем химическим реакциям, в значительной степени зависит от температуры, что проде-

^ ГЛАВА 1. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОЙ ФИЗИОЛОГИИ 15





Рис. 1.6. Схема Na/K-насоса АТФазы (погруженной в липидный бислой плазматической мембраны), которая за один цикл выносит из клетки три иона Na+ против градиентов потенциала и концентрации и приносит в клетку два иона К+. В ходе этого процесса одна молекула АТФ расщепляется на АДФ и фосфат. На схеме АТФаза показана как димер, состоящий из большой (функциональной) и малой субъединиц; в мембране она существует как тетрамер, образованный двумя большими и двумя малыми субъединицами

монстрировано на рис. 1.7. Здесь поток ионов натрия из мышечных клеток показан относительно времени; практически это эквивалентно потоку ионов натрия, опосредованному работой Na/K-насоса, потому что пассивный поток ионов натрия против градиентов концентрации и потенциала крайне мал. Если препарат охладить примерно на 18 oС, то поток ионов натрия из клетки быстро уменьшится в 15 раз, а сразу после нагревания восстановится до исходного уровня. Такое уменьшение потока ионов натрия из клетки в несколько раз больше, чем то, которое бы соответствовало температурной зависимости процесса диффузии или простой химической реакции. Сходный эффект наблюдается, когда запас метаболической энергии истощается в результате отравления динитрофенолом (ДНФ) (рис. 1.7, Б). Следовательно, поток ионов натрия из клетки обеспечивается энергозависимой реакцией-активным насосом. Другой характеристикой насоса наряду со значительной температурной и энергетической зависимостью является наличие уровня насыщения (как и у всех других химических реакций): это означает, что скорость работы насоса не может возрастать бесконечно при повышении концентрации транспортируемых ионов (рис. 1.8). В отличие от этого поток пассивно диффундирующего вещества растет пропорционально разности концентраций в соответствии с законом диффузии (уравнения 1 и 2).




Рис. 1.7. А, Б. Активный транспорт Na+. Ось ординат: поток радиоактивного 24Na+ из клетки (имп.-мин1). Ось абсцисс: время с начала эксперимента. А. Клетка охлаждена с 18,3о до 0,5 оС; поток Na+ из клетки в этот период заторможен. Б. Подавление потока Na+ из клетки динитрофенолом (ДНФ) в концентрации 0,2 ммоль-л1 (по [13] с изменениями)

Помимо Na/К-насоса плазматическая мембрана содержит по крайней мере еще один насос -кальциевый; это насос откачивает ионы кальция (Са2+) из клетки и участвует в поддержании их внутриклеточной концентрации на крайне низком уровне (табл. 1.1). Кальциевый насос присутствует с очень высокой плотностью в саркоплазматическом ретикулуме мышечных клеток, которые накапливают ионы кальция в результате расщепления молекул АТФ (см. гл. 4).

^ Воздействие Na/K-насоса на мембранный потенциал и объем клетки. На рис. 1.9 показаны различные компоненты мембранного тока и приведены внутриклеточные концентрации ионов, которые обе-

^ 16 ЧАСТЬ I ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ



Рис. 1.8. Соотношение между скоростью транспорта молекул и их концентрацией (в месте входа в канал или в месте связывания насоса) при диффузии через канал или при насосном транспорте. Последний при высоких концентрациях насыщается (максимальная скорость, vmax); значение по оси абсцисс, соответствующее половине максимальной скорости насоса (vmax/2). является равновесной концентрацией Км



Рис. 1.9. Схема, показывающая концентрации Na+, К+ и СГ внутри и вне клетки и пути проникновения этих ионов через клеточную мембрану (через специфические ионные каналы или с помощью Na/K-насоса. При данных концентрационных градиентах равновесные потенциалы ENa , EK и ECl равны указанным, мембранный потенциал Ет = — 90 мВ

спечивают их существование. Через калиевые каналы наблюдается выходящий ток ионов калия, так как мембранный потенциал несколько более электроположителен, чем равновесный потенциал для ионов калия. Общая проводимость натриевых каналов намного ниже, чем калиевых, т. е. натриевые каналы открыты намного реже, чем калиевые при потенциале покоя; однако в клетку входит примерно столько же ионов натрия, сколько выходит из нее ионов калия, потому что для диффузии ионов натрия в клетку необходимы большие градиенты концентрации и потенциала. Na/K-насос обеспечивает

идеальную компенсацию пассивных диффузионных токов, так как переносит ионы натрия из клетки, а ионы калия - в нее. Таким образом, насос является электрогенным за счет разницы в числе перенесенных в клетку и из клетки зарядов, что при нормальной скорости его работы создает мембранный потенциал, примерно на 10 мВ более электроотрицательный, чем если бы он образовывался только за счет пассивных потоков ионов (см. уравнение 7). В результате мембранный потенциал приближается к калиевому равновесному потенциалу, что уменьшает утечку ионов калия. Активность Na/K-насоса регулируется внутриклеточной концентрацией ионов натрия. Скорость работы насоса замедляется при снижении концентрации ионов натрия, подлежащих выводу из клетки (рис. 1.8), так что работа насоса и поток ионов натрия внутрь клетки уравновешивают друг друга, поддерживая внутриклеточную концентрацию ионов натрия на уровне примерно 10 ммоль-л1.

Чтобы поддерживать равновесие между насосными и пассивными мембранными токами, необходимо намного больше молекул Na/K-насоса, чем канальных белков для ионов калия и натрия. При открытом состоянии канала через него проходят десятки тысяч ионов за несколько миллисекунд (см. выше), а поскольку канал обычно открывается несколько раз в секунду, всего за это время через него проходит более 105 ионов. Одиночный насосный белок перемещает несколько сотен ионов натрия в секунду, следовательно, плазматическая мембрана должна содержать примерно в 1000 раз больше насосных молекул, чем канальных. Измерения канальных токов в покое показали наличие в среднем одного калиевого и одного натриевого открытого канала на 1 мкм2 мембраны; из этого следует, что на том же пространстве должно присутствовать около 1000 молекул Na/K-насоса, т.е. расстояние между ними составляет в среднем 34 нм; диаметр насосного белка, как н канального, составляет 8-10 нм. Таким образом, мембрана достаточно плотно насыщена насосными молекулами [11].

Тот факт, что поток ионов натрия внутрь клетки, а ионов калия - из клетки компенсируется работой насоса, имеет и другое следствие, заключающееся в сохранении стабильного осмотического давления и постоянного объема. Внутри клетки существует высокая концентрация крупных анионов, главным образом белков (А в табл. 1.1), которые не способны проникать через мембрану (или проникают через нее очень медленно) и поэтому являются фиксированным компонентом внутри клетки. Чтобы уравновесить заряд этих анионов, необходимо равное количество катионов. Благодаря действию Na/K-насоса этими катионами в основном оказываются ионы калия. Существенное повышение внутриклеточной концентрации ионов могло бы происходить только при возрастании концентрации анионов вследствие потока С1 по градиенту концентрации в клетку (табл. 1.1), но мембранный потенциал противодействует этому. Входящий ток С1 наблюдается только до тех пор, пока не будет достигнут равновесный потенциал для ионов хлора;

^ ГЛАВА 1. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОЙ ФИЗИОЛОГИИ 17

это наблюдается, когда градиент ионов хлора практически противоположен градиенту ионов калия, так как ионы хлора заряжены отрицательно (уравнение 4). Таким образом, устанавливается низкая внутриклеточная концентрация ионов хлора, соответствующая низкой внеклеточной концентрации ионов калия. Результатом является ограничение общего количества ионов в клетке. Если мембранный потенциал падает при блокаде Na/К-насоса, например при аноксии, то равновесный потенциал для ионов хлора снижается, а внутриклеточная концентрация ионов хлора соответственно повышается. Восстанавливая равновесие зарядов, ионы калия также входят в клетку; суммарная концентрация ионов в клетке возрастает, что повышает осмотическое давление; это заставляет воду поступать в клетку. Клетка набухает. Такое набухание наблюдается in vivo в условиях недостатка энергии.

^ Концентрационный градиент Na+ как движущая сила мембранного транспорта. Значение Na/К-насоса для клетки не ограничивается стабилизацией нормальных градиентов К+ и Na+ на мембране. Энергия, запасенная в мембранном градиенте Na+, часто используется для обеспечения мембранного транспорта других веществ. Например, на рис. 1.10 показан «симпорт» Na+ и молекулы сахара в клетку. Мембранный транспортный белок переносит молекулу сахара в клетку даже против градиента концентрации, в то же время Na+ движется по градиенту концентрации и потенциала, обеспечивая энергию для транспорта Сахаров. Такой транспорт Сахаров полностью зависит от существования высокого градиента Na+; если внутриклеточная концентрация Na+ существенно возрастает, то транспорт Сахаров прекращается. Для различных Сахаров существуют разные симпортные системы. Транспорт аминокислот в клетку сходен с транспортом Сахаров, показанным на рис. 1.10; он также обеспечивается градиентом Na+; существует по крайней мере пять различных систем" симпорта, каждая из которых специализирована для какой-либо одной группы родственных аминокислот.

Помимо симпортных систем существуют также «антипортные». Одна из них, например, за один цикл переносит один ион кальция из клетки в обмен на три входящих иона натрия (рис. 1.10). Энергия для транспорта Са2+ образуется за счет входа трех ионов натрия по градиенту концентрации и потенциала. Этой энергии достаточно (при потенциале покоя) для поддержания высокого градиента ионов кальция (от менее 10 7 моль-л1 внутри клетки до приблизительно 2 ммоль-л1 вне клетки).

^ Эндо- и экзоцитоз. Для некоторых веществ, которые поступают в клетку или должны быть выведены




Рис. 1.10. Белки, погруженные в пипидный бислой мембраны, опосредуют симпорт глюкозы и Na+ в клетку, а также Ca2 +/Na + -антипорт, в котором движущей силой является градиент Na+ на клеточной мембране

из нее, транспортные каналы отсутствуют; к таким веществам относятся, например, белки и холестерол. Они могут проходить через плазматическую мембрану в везикулах, или пузырьках, с помощью эндо- и экзоцитоза. На рис. 1.11 показаны основные механизмы этих процессов. При экзоцитозе определенные органеллы (см. ниже) формируют везикулы, заполненные веществом, которое необходимо вывести из клетки, например гормонами или ферментами внеклеточного действия. Когда такие везикулы достигают плазматической мембраны, их липидная мембрана сливается с ней, давая таким образом возможность содержимому выйти во внешнюю среду. При противоположном процессе - эндоцитозе - плазматическая мембрана инвагинирует, образуя ямку, которая затем углубляется и замыкается, формируя внутриклеточную везикулу, заполненную внеклеточной жидкостью и некоторыми макромолекулами. Чтобы обеспечить это слияние мембран и замыкание везикулы, сократительные элементы цитоскелета действуют совместно с самими мембранами (см. ниже). При эндоцитозе не всегда происходит просто захват внеклеточной среды в клетку. В клеточной мембране содержатся часто организованные в специализированные группы специфические рецепторы к макромолекулам, таким, как инсулин или антигены. После того как эти макромолекулы свяжутся со своими рецепторами, в окружающем рецептор участке мембраны происходит эндоцитоз, и макромолекула избирательно транспортируется в клетку (рис. 1.12, Б).

Эндо- и экзоцитоз происходят в клетках непрерывно. Количество мембранного материала, совершающего оборот, значительно; в течение 1 ч макрофаг поглощает в виде везикул двойную площадь поверхности своей цитоплазматической мембраны. В большинстве клеток оборот мембранного материала происходит не столь интенсивно, но все же должен быть значительным.

18 ^ ЧАСТЬ I. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ





Рис. 1.11. Экзоцитоз и эндоцитоз. Вверху: внутриклеточная везикула сливается с липидным бислоем плазматической мембраны и открывается во внеклеточное пространство. Этот процесс называется экзоцитозом. Внизу: плазматическая мембрана инвагинирует на небольшом участке и отшнуровывает везикупу, заполненную внеклеточным материалом. Этот процесс называют эндоцитозом
^

1.3. Перенос веществ внутри клетки


Эндо- и экзоцитоз-это не только процессы транспорта веществ через клеточную мембрану, но и процессы обмена мембран - структурных компонентов самой клетки. Предметом рассмотрения в данном разделе и являются другие сходные транспортные процессы в клетке и ее органеллах.

Диффузия. Естественно, что в цитозоле разность концентраций устраняется за счет диффузии; то же самое справедливо и для жидкостей, заключенных в органеллах. Из-за высокой концентрации растворенного белка диффузия здесь протекает намного медленнее, чем в воде. Липидные мембраны-вокруг клетки и в составе органелл-это двумерные жидкости, в которых происходит диффузия. Липиды в мембранном бислое диффундируют в пределах собственного слоя, редко переходя из одного в другой. Погруженные в них белки также




Рис. 1.12. Α-B. Схема процессов, включающих зкзои эндоцитоз. А. Белок, синтезированный в гранулярном эндоплазматическом ретикулуме, транспортируется посредством аппарата Гольджи к плазматической мембране, где секретируется путем экзоцитоза. Б. Холестерол, связанный с частицами ЛНП (липопротеина низкой плотности), присоединяется к плазматической мембране, индуцирует образование эндоцитозного пузырька в этом участке мембраны и транспортируется к лизосомам, где высвобождается. В. Внеклеточный материал, захваченный в процессе эндоцитоза (на рисунке справа), транспортируется через клетку в везикулах, или пузырьках, и выделяется посредством экзоцитоза (на рисунке слева)

достаточно подвижны; они вращаются вокруг оси, перпендикулярной к мембране, или диффундируют латерально с весьма различными константами диффузии, в 2-10 000 раз медленнее, чем фосфолипиды. Так, если некоторые белки перемещаются в липид-

^ ГЛАВА 1. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОЙ ФИЗИОЛОГИИ 19

ном слое свободно и с такой же скоростью, как сами липидные молекулы, то другие заякорены, т.е. довольно прочно связаны с цитоскелетом. Существуют «постоянные» агрегаты специфических белков в мембране, например пре- и постсинаптические структуры нервных клеток (с. 61). Свободно перемещающиеся белки можно продемонстрировать путем связывания их с флуоресцентными красителями, свечение которых индуцируют, освещая кратковременными вспышками маленький участок мембраны. Такие эксперименты показывают, что менее чем за 1 мин связавшиеся с красителем белки равномерно распределяются по мембране на расстояния до 10 мкм.

^ Активный транспорт в мембранах органелл.

Процессы активного транспорта, которые играют жизненно важную роль в функционировании плазматической мембраны, протекают также и внутри клетки-в мембранах органелл. Специфическое содержимое различных органелл создается отчасти благодаря внутреннему синтезу, а отчасти - за счет активного транспорта из цитозоля. Одним из примеров последнего является упоминавшийся выше Ca2+-насос в саркоплазматическом ретикулуме мышечных клеток. Особенно интересно, что в случае синтеза АТФ в митохондриях действует принцип, обратный тому, что имеет место в АТФазных насосах плазматической мембраны (рис. 1.6). При синтезе АТФ окислительный метаболизм приводит к образованию крутого градиента Н+ на внутренних мембранах. Этот градиент является движущей силой для процесса, обратного насосному циклу активного транспорта молекул: ионы Н+ движутся через мембрану по градиенту, а высвобождающаяся в результате этого энергия обеспечивает синтез АТФ из АДФ и фосфата. Образовавшаяся АТФ в свою очередь обеспечивает энергией клетку, в том числе и для активного транспорта.

^ Транспорт в везикулах. В клетке имеется большое число органелл и связанных с ними везикул (рис. 1.1). Эти органеллы, а везикулы особенно, находятся в постоянном движении, транспортируя свое содержимое к другим органеллам или к плазматической мембране. Везикулы могут также мигрировать из клеточной мембраны к органеллам. как при эндоцитозе.

Процесс секреции белка представлен на рис. 1.12, А. Белок синтезируется вблизи ядра клетки на рибосомах, связанных с эндоплазматическим ретикулумом (так называемый гранулярный, или шероховатый, эндоплазматический ретикулум); попав в эндоплазматический ретикулум, белок упаковывается в транспортные везикулы, которые отделяются от органеллы и мигрируют к аппарату Гольджи. Здесь они сливаются с цистернами аппарата Гольджи, где

белок модифицируется (т.е. превращается в гликопротеин). На концах цистерн везикулы снова отделяются. Несущие модифицированный белок секреторные везикулы движутся к плазматической мембране и выделяют содержимое путем экзоцитоза.

Другой пример транспортного пути в клетке показан на рис. 1.12, Б; это - поглощение холестерола клеткой. Транспортируемый в крови холестерол связан в основном с белками, например частицами «липопротенна низкой плотности» (ЛНП). Такие частицы присоединяются к специфическим, содержащим рецепторы к ЛНП участкам мембраны, где происходит эндоцитоз и ЛНП переносится внутрь клетки в «окаймленных» везикулах. Эти везикулы сливаются, образуя эндосомы и утрачивая в ходе этого процесса «окаймление». Эндосомы в свою очередь сливаются с первичными лизосомами. содержащими преимущественно гидролитические ферменты, и образуют вторичные, более крупные лизосомы. В них холестерол высвобождается из частиц ЛНП и диффундирует в цитозоль, где становится доступным, например, для синтеза липидных мембран. От эндосом также отделяются везикулы, не содержащие ЛНП, которые особым путем движутся к плазматической мембране и сливаются с ней, возвращая мембранный материал и, вероятно, рецепторы к ЛНП. С момента связывания частицы ЛНП с мембраной до высвобождения холестерола из вторичной лизосомы проходит 10—15 мин. Нарушения в связывании и поглошении ЛНП, т.е. в снабжении клетки холестеролом, играют решающую роль в развитии серьезного и широко распространенного заболевания-атеросклероза («отвердение» артерий).

Существует множество других транспортных путей, сходных с показанными на рис. 1.11 и 1.12, А, с помощью которых движутся в клетке специфические везикулы. Неизвестно, как именно они передвигаются, но в этот процесс, вероятно, вовлечены элементы цитоскелета. Везикулы могут скользить по микротрубочкам, в этом случае энергия для движения, по-видимому, обеспечивается связанным с везикулами белком-АТФазой (см. ниже). Остается совершенно непонятным, как множество различных везикул, двигаясь одна за другой во всех направлениях, попадают по назначению. Они, очевидно, должны быть «помечены» таким образом, чтобы это распознавалось транспортной системой и преобразовывалось в целенаправленное движение.

^ Транспорт путем образования и разрушения оргаиелл. До сих пор мы рассматривали эндо- и экзоцитоз как процессы транспортировки содержимого везикул. Существует и другой аспект этих процессов, заключающийся в том, что направленное удаление плазматической мембраны на одном участке клеточной поверхности путем эндоцитоза и, напротив, добавление ее на другом путем экзоци-

^ 20 ЧАСТЬ I. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ

тоза перемещает значительные участки мембраны (рис. 1.12,5), давая клетке возможность, например, сформировать вырост или двигаться.

Сходные перестройки типичны также и для цитоскелета, особенно для микрофиламентов и микротрубочек (рис. 1.1). Микрофиламенты состоят в первую очередь из белка F-актина, который способен к сборке в волокнистые пучки в результате полимеризации мономера из цитозоля. Пучки поляризованы, т. е. они часто нарастают только с одного конца, аккумулируя новые молекулы актина, тогда как другой конец инертен или здесь происходит разборка. За счет такого поляризованного роста микрофиламенты эффективно перемещаются и может изменяться структура их сети. Переход актина из деполимеризованного состояния (золя) в организованное (гель) может происходить очень быстро под действием других белков или изменений концентрации ионов (см. ниже). Существуют также белки, которые вызывают разрушение актиновых филаментов с образованием коротких фрагментов. Тонкие выросты многих клеток - филоподии - содержат центральный пучок актина (рис. 1.1), и различные движения филоподий, вероятно, обусловлены переходами актина: полимеризация — деполимеризация.

Микротрубочки также часто претерпевают подобные перемещения. Механизм этих перемещений сходен-полимеризация тубулина из цитозоля таким образом, что один из концов микротрубочки растет, тогда как другой либо не изменяется, либо там происходит разборка. Так микротрубочка путем соответствующего добавления или устранения материала может перемещаться по цитозолю.

^ Активные движения цнтоскелета. Изменения цитосклетных структур могут происходить в результате как активных движений, так и перестроек, описанных выше. Во многих случаях движение микротрубочек и актиновых филаментов обусловлено сократительными белками, которые связывают филаменты или трубочки и могут перемещать их относительно друг друга. Белки миозин и динеин присутствуют в цитозоле всех клеток в сравнительно высоких концентрациях; они являются теми элементами, которые преобразуют энергию в движение в специализированных клетках (мышечных) и органеллах (ресничках). В мышечных клетках миозин образует толстые филаменты, ориентированные параллельно актиновым филаментам. Молекула миозина своей «головкой» присоединяется к актиновому филаменту и, используя энергию АТФ, смещает миозин вдоль молекулы актина. Затем миозин отсоединяется от актина. Совокупность множества таких циклов соединения-разъединения приводит к макроскопическому сокращению мышечных волокон (гл. 4). Ди-

неин играет аналогичную роль в перемещении микротрубочек при работе ресничек (рис. 1.1). В цитоплазме неспециализированных клеток миозин и динеин образуют не правильные волокна, а в большинстве случаев маленькие группы молекул. Даже в виде таких малых агрегатов они способны перемещать актиновые филаменты или микротрубочки. Рис. 1.13 иллюстрирует этот процесс, когда к двум актиновым филаментам, поляризованным в разных направлениях, присоединены также противоположно поляризованные молекулы миозина. Головные группы миозина изгибаются к хвосту молекулы, расходуя при этом АТФ, а два актиновых филамента смещаются в противоположном направлении, после чего миозин отсоединяется от них. Перемещения такого рода, в ходе которых энергия АТФ преобразуется в механическую работу, могут изменять форму цитоскелета и, следовательно, клетки, а также обеспечивать транспорт связанных с цитоскелетом органелл.
^
Аксонный транспорт

Процессы внутриклеточного транспорта наиболее ярко могут быть продемонстрированы на аксоне нервной клетки. Аксонный транспорт рассматривается здесь подробно, чтобы проиллюстрировать события, которые, вероятно, сходным образом происходят в большинстве клеток. Аксон, диаметр которого составляет всего несколько микронов, может достигать длины одного метра и более, и движение белков путем диффузии от ядра к дистальному концу аксона заняло бы годы. Давно известно, что когда какой-либо из участков аксона подвергается констрикции, часть аксона, расположенная проксимальнее, расширяется. Это выглядит так, как будто в аксоне блокирован центробежный поток. Такой поток - быстрый аксонный транспорт - может быть продемонстрирован движением радиоактивных маркеров, как в эксперименте, показанном на рис. 1.14. Лейцин, меченный радиоактивной меткой, инъецировали в ганглий дорсального корешка, и затем со 2-го по 10-й час измеряли радиоактивность в седалищном нерве на расстоянии 166 мм от тел нейронов. За 10 часов пик радиоактивности в месте инъекции менялся незначительно. Но волна радиоактивности распространялась по аксону с постоянной скоростью около 34 мм за 2 ч, или 410 мм · сут1. Показано, что во всех нейронах гомойотермных животных быстрый аксонный транспорт осуществляется с такой же скоростью, причем ощутимых различий между тонкими, безмиелиновыми волокнами и наиболее толстыми аксонами, а также между моторными и сенсорными волокнами не наблюдается. Тип радиоактивного маркера также не влияет на скорость быстрого аксонного транспорта; маркерами могут служить разнообразные радиоактивные

^ ГЛАВА 1. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОЙ ФИЗИОЛОГИИ 21



Рис. 1.13. Немышечный миозиновый комплекс при определенной ориентации может связываться с актиновыми филаментами различной полярности и, используя энергию АТФ, смещать их относительно друг друга

молекулы, такие, как различные аминокислоты, включающиеся в белки тела нейрона. Если проанализировать периферическую часть нерва, чтобы определить природу переносчиков транспортированной сюда радиоактивности, то такие переносчики обнаруживаются главным образом во фракции белков, но также в составе медиаторов и свободных аминокислот. Зная, что свойства этих веществ различны и особенно различны размеры их молекул, постоянную скорость транспорта мы можем объяснять только общим для всех них транспортным механизмом.

Описанный выше быстрый аксонный транспорт является антероградным, т. е. направленным от тела клетки. Показано, что некоторые вещества движутся от периферии к телу клетки с помощью ретроградного транспорта. Например, ацетилхолинэстераза транспортируется в этом направлении со скоростью в 2 раза меньшей, чем скорость быстрого аксонного транспорта. Маркер, часто используемый в нейроанатомии пероксидаза хрена - также перемещается ретроградным транспортом. Ретроградный транспорт, вероятно, играет важную роль в регуляции белкового синтеза в теле клетки. Через несколько дней после перерезки аксона в теле клетки наблюдается хроматолиз, что свидетельствует о нарушении белкового синтеза. Время, требующееся для хроматолиза, коррелирует с длительностью ретроградного транспорта от места перерезки аксона до тела клетки. Такой результат предполагает и объяснение этого нарушения-нарушается передача с периферии «сигнального вещества», регулирующего белковый синтез.

Очевидно, что основными «средствами передвижения», используемыми для быстрого аксонного





Рис. 1.14. Опыт, демонстрирующий быстрый аксонный транспорт в сенсорных волокнах седалищного нерва кошки. Меченный тритием лейцин вводят в ганглий дорсального корешка и измеряют радиоактивность в ганглии и сенсорных волокнах через 2, 4, 6, 8 и 10 ч после введения (нижняя часть рисунка). По оси абсцисс отложено расстояние от ганглия до участков седалищного нерва, где производят измерение. По оси ординат только для верхней и нижней кривой в логарифмическом масштабе отложена радиоактивность (имп./мин). «Волна» повышенной радиоактивности (стрелки) движется со скоростью 410 мм-сут -1 (по [15])

транспорта, являются везикулы (пузырьки) и органеллы, такие, как митохондрии, содержащие вещества, которые нужно транспортировать. Перемещение наиболее крупных везикул или митохондрий можно наблюдать с помощью микроскопа in vivo. Такие частицы совершают короткие быстрые движения в одном из направлений, останавливаются, часто двигаются немного назад или в сторону, снова останавливаются, а затем совершают рывок в основном направлении. 410 мм-сут1 соответствуют средней скорости антероградного движения приблизительно 5 мкм-с1; скорость же каждого отдельного движения должна быть, следовательно,

^ 22 ЧАСТЬ I. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ

значительно выше, а если учесть размеры органелл, филаментов и микротрубочек, то эти движения действительно очень быстры. Быстрый аксонный транспорт требует значительной концентрации АТФ. Такие яды, как колхицин, разрушающий микротрубочки, также блокируют быстрый аксонный транспорт. Из этого следует, что в рассматриваемом нами транспортном процессе везикулы и органеллы движутся вдоль микротрубочек и актиновых филаментов; это движение обеспечивается малыми агрегатами молекул динеина и миозина, действующих, как показано на рис. 1.13, с использованием энергии АТФ.

Быстрый аксонный транспорт может участвовать и в патологических процессах. Некоторые нейротропные вирусы (например, вирусы герпеса или полиомиелита) проникают в аксон на периферии и движутся с помощью ретроградного транспорта к телу нейрона, где размножаются и оказывают свое токсическое действие. Токсин столбняка - белок, который продуцируется бактериями, попадающими в организм при повреждениях кожи, захватывается нервными окончаниями и транспортируется к телу нейрона, где он вызывает характерные мышечные спазмы.

Известны случаи токсического воздействия на сам аксонный транспорт, например воздействие промышленным растворителем акриламидом. Кроме того, полагают, что патогенез авитаминоза «бери-бери» и алкогольной полинейропатии включает нарушение быстрого аксонного транспорта.

Помимо быстрого аксонного транспорта в клетке существует и довольно интенсивный медленный аксонный транспорт. Тубулин движется по аксону со скоростью около 1 мм сут1, а актин быстрее - до 3 мм-сут1. С этими компонентами цитоскелета мигрируют и другие белки; например, ферменты, по-видимому, связаны с актином или тубулином. Скорости перемещения тубулина и актина примерно согласуются со скоростью роста, обнаруженной для механизма, описанного ранее, когда молекулы включаются в активный конец микротрубочки или микрофиламента. Следовательно, этот механизм может лежать в основе медленного аксонного транспорта. Скорость медленного аксонного транспорта примерно соответствует также скорости роста аксона, что, по-видимому, указывает на ограничения, накладываемые структурой цитоскелета на второй процесс.

Завершая данный раздел, следует подчеркнуть, что клетки ни в коем случае не являются статичными структурами, каковыми они кажутся, например, на электронно-микроскопических фотографиях. Плазматическая мембрана и особенно органеллы находятся в постоянном быстром движении и постоянной перестройке; только поэтому они способны функционировать. Далее, это не простые камеры, в которых протекают химические реакции, а высокоорганизованные конгломераты мембран и волокон, в которых реакции протекают в оптимально организованной последовательности.

^

1.4. Регуляция клеточных функций


Поддержание индивидуальной клетки как функциональной единицы в основном регулируется ядром; изучение таких регуляторных механизмовпредмет клеточной биологии и биохимии. Вместе с тем клетки должны модифицировать свои функции в соответствии с условиями окружащей среды и нуждами других клеток организма, т.е. они служат объектами функциональной регуляции. Ниже мы кратко рассмотрим, каким образом эти регуляторные влияния действуют на плазматическую мембрану и как они доходят до внутриклеточных органелл.
^
Регуляторные воздействия на клеточную мембрану

Мембранный потенциал. Во многих случаях регуляция клеточных функций осуществляется путем изменения мембранного потенциала. Возможны локальные изменения потенциала, когда: 1) ток из соседнего участка клетки или генерированный другой клеткой протекает через мембрану; 2) изменяется внеклеточная концентрация ионов (часто [К+]out); 3) открываются мембранные ионные каналы. Изменения мембранного потенциала могут влиять на конформацию мембранных белков, заставляя, в частности, открываться или закрываться каналы. Как было описано выше, функционирование некоторых мембранных насосов зависит от мембранного потенциала. Нервные клетки специализированы воспринимать изменения мембранного потенциала как информацию, которая должна перерабатываться и передаваться (см. гл. 2).

^ Внеклеточные регуляторные вещества. Наиболее важным регуляторным механизмом с участием внеклеточных веществ является их взаимодействие со специфическими рецепторами на плазматической мембране или внутри клетки. К таким веществам относятся синаптические медиаторы, которые передают информацию между нервными клетками, локальные агенты и вещества, циркулирующие в крови и достигающие всех клеток организма, например гормоны и антигены. Синаптические медиаторы представляют собой небольшие молекулы, выделяющиеся из нервных окончаний в области синапса; когда они достигают плазматической мембраны соседней, постсинаптической клетки, они запускают электрические сигналы или другие регуляторные механизмы. Этот вопрос подробно рассмотрен в гл. 3.

^ Локальные химические агенты часто выделяются специализированными клетками. Они свободно диффундируют во внеклеточном пространстве, однако их действие ограничено небольшой группой

^ ГЛАВА 1. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОЙ ФИЗИОЛОГИИ 23

клеток вследствие быстрого разрушения этих веществ, либо спонтанного, либо под действием ферментов. Одним из примеров выделения таких агентов является высвобождение гистамина тучными клетками при повреждении или иммунной реакции. Гистамин вызывает расслабление гладкомышечных клеток сосудов, увеличивает проницаемость сосудистого эндотелия и стимулирует сенсорные нервные окончания, опосредующие ощущение зуда. Другие локальные химические агенты выделяются многими другими клетками. Типичными локальными агентами являются простагландины, составляющие группу приблизительно из 20 производных жирных кислот. Они выделяются непрерывно из широко распространенных клеток, но действуют только локально, так как быстро разрушаются фосфолипазами мембраны. Различные простагландины имеют широкий спектр действия: они могут запускать сокращение гладкомышечных клеток, вызывать агрегацию кровяных пластинок (тромбоцитов) или подавлять развитие желтого тела в яичниках.

Другие локальные агенты служат факторами роста. Наиболее известен фактор роста нервов (ФРН) для симпатических нейронов, который необходим для роста и выживания этих нейронов в ходе развития in vivo или в клеточной культуре. Очевидно, клетки-мишени для этого класса нейронов выделяют ФРН и тем самым обеспечивают правильную иннервацию. При формировании органов клеткам часто необходимо «находить путь» к клеткам-мишеням, которые могут располагаться на значительных расстояниях. Соответственно, должно существовать множество специализированных факторов роста, подобных ФРН.

Гормоны и антигены переносятся кровью ко всем клеткам. Антигены вызывают иммунный ответ клеток, несущих специфические антитела. Однако антигены, как правило, являются чужеродными веществами, не образуемыми в реагирующем организме (более подробно см. гл. 18). Некоторые гормоны, такие, как инсулин или тироксин, влияют на клетки, относящиеся к самым разнообразным типам, тогда как другие, например половые гормоны,-только на клетки определенного типа. Гормоны - это либо пептиды, действие которых запускается связыванием их с рецептором на клеточной мембране, либо стероиды и тироксин, которые диффундируют через липидную мембрану и связываются с внутриклеточными рецепторами. Стероидные гормоны связываются с хроматином ядер, в результате чего запускается транскрипция определенных генов. Продуцирующиеся в результате белки вызывают изменение клеточных функций, в чем и заключается специфическое действие гормонов. Вопросы, связанные с выделением и действием гормонов, подробно рассмотрены в гл. 17.
^
Внутриклеточная коммуникация с участием вторых посредников

Регуляторные функции, описанные выше, включают воздействия на клеточную мембрану. Информация, полученная мембраной клетки, часто должна вызывать реакцию органелл и переносится к ним различными веществами, известными как вторые посредники (в отличие от первых, поступающих к клетке от внешних источников). Изучение вторых посредников развивается быстро, и нет гарантии, что нынешний уровень понимания проблемы окажется достаточно полным. Здесь мы коснемся трех хорошо изученных посредников: Са2+, цАМФ и инозитолтрифосфата.

Кальций. Простейший внутриклеточный посредник - это ион Са2 + . Его свободная концентрация в покоящейся клетке очень низка и составляет 10810 7 моль-л1. Он может проникать в клетку через специфические мембранные каналы, когда они находятся в открытом состоянии, например при изменениях мембранного потенпиала (см. гл. 2). Возникающее в результате повышение концентрации Ca2 + запускает важные реакции в клетке, такие, как сокращение миофибрилл, которое является основой мышечного сокращения (см. гл. 4), или выделение везикул, содержащих медиаторы, из нервных окончаний (см. гл. 3). Обе реакции требуют концентрации Са2+, равной приблизительно 10 5 моль-л1. Са2 + , оказывающий регуляторное действие, может высвобождаться также и из внутриклеточных депо, таких, как эндоплазматический ретикулум. Высвобождение Са2+ из депо требует участия других посредников (см., например, рис. 1.16).

^ Циклический аденозинмонофосфат, цАМФ. В последнее время доказано, что циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), производное основного источника энергии в организме - АТФ, является важным вторым посредником. Сложная цепь реакций, показанная на рис. 1.15, начинается с рецептора Rs на наружной поверхности плазматической мембраны, который может служить местом специфического связывания для различных медиаторов и гормонов. После связывания со специфической «стимулирующей» молекулой Rs изменяет свою конформацию; эти изменения влияют на белок Gs на внутренней поверхности мембраны таким образом, что становится возможной активация последнего внутриклеточным гуанозинтрифосфатом (ГТФ). Активированный белок Gs, в свою очередь, стимулирует фермент на внутренней поверхности мембраны - аденилатциклазу (АЦ), которая катализирует образование цАМФ из АТФ. Водорастворимый цАМФ и является посредником, передающим эффект сти-

^ 24 ЧАСТЬ I. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ



Рис. 1.15. Цепь реакций с участием внутриклеточного посредника цАМФ (циклического аденозинмонофосфата). Возбуждающий или тормозный внешние сигналы активируют мембранные рецепторы Rs или Ri. Эти рецепторы регулируют процесс связывания G-белков с внутриклеточным ГТФ (гуанозинтрифосфатом), стимулируя или ингибируя тем самым внутриклеточную аденилатциклазу (АЦ). Усиливающий фермент АЦ превращает аденозинтрифосфат (АТФ) в цАМФ, который затем при участии фосфодиэстеразы расщепляется до АМФ. Свободный цАМФ диффундирует в клетку и активирует аденилаткиназу (А-киназу). высвобождая ее каталитическую субъединицу С, которая катализирует фосфорилирование внутриклеточных белков, т.е. формирует конечный эффект внеклеточного стимула. На схеме показаны также фармакологические препараты и токсины, которые запускают ( + ) или ингибируют ( —) некоторые реакции (по [8] с изменениями)

муляции внеклеточного рецептора Rs к внутренним структурам клетки.

Параллельно со стимуляторной цепью реакций с участием Rs возможно связывание тормозных медиаторов и гормонов с соответствующим рецептором Ri, который опять-таки через ГТФ-активируемый белок Gi ингибирует АЦ и, таким образом, продукцию цАМФ. Диффундируя в клетку, цАМФ реагирует с аденилаткиназой (А-киназа); при этом высвобождается субъединица С, которая катализирует фосфорилирование белка Р. Это фосфорилирование переводит белки в активную форму, и теперь они могут проявить свое специфическое регулирующее действие (например, вызвать деградацию гликогена). Эта сложная регуляторная система чрезвычайно эффективна, так как конечным результатом является фосфорилирование множества белков, т. е. регуляторный сигнал проходит цепь с большим коэффициентом усиления. Наружные медиаторы, которые связываются с рецепторами Rs и Ri , специфическими для каждого из них, чрезвычайно разно-

образны. Адреналин, связываясь с Rs или Ri , участвует в регуляции метаболизма липидов и гликогена, а также в усилении сокращения сердечной мышцы и в других реакциях (см. гл. 19). Тиреотропный гормон, активируя Rs, стимулирует выделение щитовидной железой гормона тироксина, а простагландин I тормозит агрегацию кровяных пластинок. Ингибиторные эффекты, в том числе адреналина, опосредованные через Ri , выражаются в замедлении липолиза. Таким образом, система цАМФ-это многофункциональная внутриклеточная регуляторная система, которая может точно контролироваться внеклеточными стимуляторными и ингибиторными сигнальными веществами.

^ Инозитолфосфат «ИФ3 ». Внутриклеточная система второго посредника - инозитолфосфата - была открыта лишь недавно (рис. 1.16). В данном случае ингибиторный путь отсутствует, однако имеется сходство с системой цАМФ, в которой эффект стимуляции рецептора R переносится на ГТФ-активируемый G-белок на внутренней поверхности мембраны. На следующем этапе обычный мембранный липид фосфатидилинозитол (ФИ), предварительно получив две дополнительные фосфатные группы, превращается в ФИ-дифосфат (ФИФ2), который расщепляется активированной фосфодиэстеразой (ФДЭ) на инозитолтрифосфат (ИФ3) и липид диацилглицерол (ДАГ). Инозитолтрифосфат - это водорастворимый второй посредник, диффундирующий в цитозоль. Он действует в первую очередь путем высвобождения Ca2 + из эндоплазматического ретикулума. Са2+ в свою очередь действует в качестве посредника, как было описано выше; например, он активирует Ca2+-зависимую фосфокиназу, фосфорилирующую ферменты. Липидная субъединица ДАГ (рис. 1.16) также переносит сигнал, диффундируя в липидной фазе плазматической мембраны к расположенной на ее внутренней поверхности С-киназе, которая и активируется с участием фосфатидилсерина в качестве кофактора. Затем С-киназа запускает фосфорилирование белков, переводя их в активную форму.

Внутриклеточная система второго посредника ИФ3 также может управляться множеством внешних медиаторов и гормонов, в том числе ацетилхолином, серотонином, вазопрессином и тиреотропным гормоном; как и система цАМФ, она характеризуется разнообразными внутриклеточными эффектами. Возможно, эта система активируется и светом в зрительном рецепторе глаза, и играет центральную роль в фототрансдукции (см. гл. 11). Впервые в индивидуальном развитии организма рецептор системы ИФ3 активируется спермием, вследствие чего ИФ3 принимает участие в регуляторных реакциях, сопровождающих оплодотворение яйцеклетки.

Системы цАМФ и ИФ3-ДАГ являются высокоэффективными биологическими усилителями. Они

^ ГЛАВА 1. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОЙ ФИЗИОЛОГИИ 25



Рис. 1.16. Цепь реакций с участием внутриклеточного посредника ИФ3 (инозитолтрифосфата). Как и в системе цАМФ, внеклеточный сигнал опосредован через белок G, который в данном случае активирует фосфодиэстеразу (ФДЭ). Этот фермент расщепляет фосфатидилинозиндифосфат (ФИФ2) в плазматической мембране до ИФ3 и диацилглицерола (ДАГ); ИФ3 диффундирует в цитоплазму. Здесь он вызывает выброс Са2+ из зндоплазматического ретикулума; повышение концентрации Са2+ в цитоплазме ([Ca2+],-) активирует протеинкиназу. которая фосфорилирует и, следовательно, активирует ферменты. Другой продукт, ДАГ, остается в мембране и активирует протеинкиназу С (кофактор фосфатидилсерин, ФС). Протеинкиназа С также фосфорилирует ферменты, опосредующие специфическое действие, связанное со стимуляцией внешнего рецептора R. Ветви цепи реакций с участием ИФ3 и ДАГ могут быть активированы независимо иономицином и форболовым эфиром соответственно (по [8, 9] с изменениями)

преобразуют реакцию между медиатором и наружным мембранным рецептором в фосфорилирование множества внутриклеточных белков, которые затем могут влиять на различные функции клетки. Один из существенных аспектов проблемы состоит в том, что, насколько известно на сегодняшний день, су-

ществуют только эти две тесно связанные регуляторные системы такого типа, используемые многочисленными внешними посредниками для регуляции разнообразных внутриклеточных процессов. Вместе с тем, эти регуляторные системы, в том числе и Са2+, тесно взаимодействуют друг с другом, что позволяет им осуществлять тонкую регуляцию клеточных функций.

1.5. Литература


Учебники и руководства

  1. Alberts В., BrayD.. Lewis J., Reff Μ., Roberts К.. Watson J. D. Molecular Biology of the Cell, New York and London, Garland Publishing Inc., 1983.

  2. Czihak G.. Langer Η.. Ziegler Η. (eds.). Biologie. Berlin, Heidelberg, New York, Springer, 1983.

  3. Hille B. Ionic channels of excitable membranes. Sunderland, Mass., Sinauer Assoc., 1984.

  4. Hoppe W.. Lohmann W., Mark! H., Ziegler H. (eds.). Biophysik. Berlin, Heidelberg, New York, Springer, 1984.

  5. Зипдегтапп К.. МЪЫег Η. Biochemie. Berlin, Heidelberg, New York, Springer, 1980.

  6. Kandel E. R., Schwartz- J. H. (eds.). Principles of neural science, New York, Amsterdam, Oxford, Elsevier, 1985.

  7. Schiebler T. H. Schmidt W. Anatomie des Menschen. Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo, Springer, 1983.

Оригинальные статья и обзоры

  1. Berridge M. J. The molecular basis of communication within the cell, Sei. Amer., 253, 124-134 (1985).

  2. Berridge M.J.. Irvine R.F. Inositol triphosphate, a novel second messenger in cellular signal transduction, Nature, 312, 315-321 (1984).




  1. Bretscher M.S. The molecules of the cell membrane, Sei. Amer., 253, 124-134 (1985).

  2. Daut J. The living cell as an energy-transducing machine. A minimal model of myocardial metabolism, Biochem. et Biophys. Acta, 895, 41-62 (1987).

  3. Hodgkin A. L., Katz B. The effect of sodium ions on the electrical activity of the giant axon of the squid, i. Physiol. (Lond.), 108, 37-77 (1949).

  4. Hodgkin A.L., Keynes R.D. Active transport of cations in giant axons from Sepia and Loligo, J. PhysioL (Lond.), 128, 28-42 (1955).

  5. Läuger P. Ionic channels with conformational substates, Biophys. J., 47, 581-590 (1985).

  6. Ochs S., Worth R.M. Exoplasmic transport in normal and pathologic systems. In: Physiology and Pathology of Axons, S. G. Waxmann, Ed. New York, Raven Press, 1978.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   36

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:

Похожие:

Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconОбщеобразовательная программа дошкольного образования Авторский коллектив
Н., канд пед наук, Дякина А. А., доктор филол наук, Евтушенко И. Н., канд пед наук, Каменская В....
Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconИ иммунотерапия инфекционных заболеваний
Авторы: канд мед наук, доц. Т. А. Канашкова; канд мед наук, доц. Ж. Г. Шабан; канд мед наук, доц....
Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconБвк 56. 8 А 92
Ц, канд мед наук Н. С. Дмитриев, проф С. Н. Лапченко, проф. В. Т. Пальчун, проф. О. К. Патякина,...
Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconФлюороз зубов
Авторы: асс. Н. П. Руденкова; канд мед наук О. А. Козел; канд мед наук Н. И. Дмитриева; канд мед...
Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconКафедра стоматологии детского возраста
Авторы: д-р мед наук, профессор Т. Н. Терехова, канд мед наук, доцент А. Н. Кушнер, канд мед наук,...
Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconУчебно- методическое пособие утверждено на цикловой методической комиссии стоматологического факультета
В. Ф. Михальченко, доктор мед наук, доцент Э. С. Темкин, канд мед наук, ассистент Н. М. Морозова,...
Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconМетодические рекомендации Минск 2003 Удк 613. 6(075. 8)
А в т о р ы: канд мед наук, доц. В. И. Дорошевич; полк мед служ. Ю. Ю. Варашкевич; канд мед наук...
Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconМ. А. Тучинская*, канд мед наук; Салех С. Х. Нажар*; О. И. Шушляпин*, канд мед наук; Л. Л. Мищенко*;
Патофизиологическая природа и патогенетическая коррекция реперфузионного синдрома c реперфузионным...
Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconМэгид С. Михаил Перевод с английского под редакцией академика pamh а. А. Бунятяна, Издательство бином

Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconМетодические рекомендации Минск 2004 удк
Р е ц е н з е н ты, доцент кафедры микробиологии, вирусологии и иммунологии, : канд мед наук Н. Ф....
Разместите кнопку на своём сайте:
Медицина


База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2019
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
Документы