Состояние электрического заряда мембраны.

Клеточные мембраны, их виды. Свойства мембран. Функции мембран.

Морфологическими и физиологическими исследованиями было показано, что большую роль в функционировании клетки играет клеточная мембраны.

Мембранные структуры: ядро, комплекс Гольджи, ЭПС и т.д.

Мембрана - это тонкая структура толщиной 7 нм. По своему химическому составу мембрана содержит 25% белков, 25% фосфолипидов, 13% холестерин, 4% липиды, 3% углеводы.В структурном отношении основу мембраны составляет двойной слой фосфолипидов. Особенностью молекул фосфолипидов является то, что в своем составе они имеют гидрофильную и гидрофобную части. Гидрофильные части содержат полярные группы (фосфатные группы в фосфолипидах и гидроксидные в холестеринах). Гидрофильные части направлены к поверхности. А гидрофобные (жирные хвосты) направлены к центру мембраны.Молекула имеет два жирных хвоста, и эти углеводородные цепи могут находится в двух конфигурациях. Вытянутые - транс-конфигурация (цилиндр 0.48 нм). Второй вид - цис-транс- конфигурация. В этом случае два жирных хвоста расходятся и площадь увеличивается до 0.58 нм.Молекулы липидов в нормальных условиях имеют жидкокристаллическую форму. И в этом состоянии они обладают подвижностью. Причем они могут, как передвигаться внутри своего слоя, так и переворачиваться. При понижении температуры происходит переход из жидкого состояния мембраны в желеобразное, и это уменьшает подвижность молекулы.

При движении молекулы липидов образуются микрополоски, которые называются кингами, в которые могут захватываться вещества. Липидный слой в мембране является барьером для водорастворимых веществ, но зато пропускает жирорастворимые вещества.

В составе мембраны кроме липидов имеются еще белковые молекулы. В основном это гликопротеины.

Интегральные белки проходят через оба слоя. Другие белки частично погружены либо в наружный, либо во внутренний слой. Они носят название периферических белков.

Данная модель мембраны называется жидко-кристалической моделью. Функционально белковые молекулы выполняют структурную, транспортную, ферментативную функции. Кроме того, они образуют ионные каналы с диаметром от 0.35 до 0.8 нм в диаметре, через которые могут проходить ионы. Каналы имеют свою специализацию. Интегральные белки участвуют в активном транспорте и в облегченной диффузии.

Периферическим белкам на внутренней стороне мембраны характерна ферментативная функция. На внутренней стороне - антигенная (антитела) и рецепторная функции.

Углеродные цепи могут присоединятся к белковым молекулам, и тогда образуются гликопротеинами. Или к липидам, тогда они называются гликолипидами.

Основными функции клеточных мембран будут являться:

1. Барьерная функция

2. Пассивный и активный перенос веществ.

3. Метаболическая функция (благодаря наличию в них ферментных систем)

4. Мембраны участвуют в создании электрических потенциалов в состоянии покоя, а при возбуждении - токов действия.

5. Рецепторная функция.

6. Иммунологическая (связана с наличием антигенов и выработкой антител).

7. Обеспечивают межклеточное взаимодействие и контактное торможение.

При контакте однородных клеток возникает торможение деления клеток. Эта функция утрачивается у раковых клеток. Кроме того, раковые клетки вступают в контакт не только со своими, но и с другими клетками, заражая их.

Функция проницаемости мембран. Транспорт.

Транспорт веществ через мембраны может быть пассивным и активным.

Пассивный перенос веществ через мембраны проходит без затрат энергии при наличии градиентов (разницы концентраций веществ, разности электрохимического градиента, при наличие градиента давления и осмотического градиента). При этом пассивный транспорт осуществляется с помощью:

- диффузии.

- фильтрация. Осуществляется при наличии разности гидростатического давления.

- осмос. При осмосе происходит движение растворителя. То есть вода из чистого раствора будет переходить в раствор с большей концентрацией.

Во всех этих случаях не происходит затраты энергии. Вещества идут через поры, которые имеются в мембране.

В мембране существуют поры с медленной проводимостью, но таких пор в мембране не много. Большинство каналов в мембране имеет в своем строении еще воротный механизм, который перекрывает канал. Эти каналы могут управляться двумя способами: реагировать на изменение заряда (электровозбудимые или потенциалозависимые каналы). В другом случае ворота в канале открываются, когда присоединяется химическое вещество (хемовозбудимые или лигандозависимые).

Активный перенос веществ через мембрану связан с переносом веществ против градиента.

Для активного транспорта используются интегральные белки, которые обладают ферментативными функциями. В качестве энергии используется АТФ. Интегральные белки имеют специальные механизмы (белок), которые активизируется либо при повышении концентрации вещества снаружи клетки, или при понижении внутри.

Токи покоя.

Мембранный потенциал. Снаружи мембрана заряжена положительно, а изнутри - отрицательной. 70-80 мВ.

Ток повреждения - это разность заряда между неповрежденным и поврежденным. Поврежденный заряжен отрицательно, относительно целой.

Метаболический ток - это разность понетциалов вследствии неодинакой интенсивности обменных процессов.2

Происхождение мембранного потенциала объясняют с точки зрения мембранно-ионной теории, которая учитывает неодинаковую проницаемость мембраны для ионов и разный состав ионов во внутриклеточной и межклеточной жидкости. Установлено, что и внутриклеточная и межклеточная жидкость имеют одинаковое количество и положительных и отрицательных ионов, однако состав разный. Внешняя жидкость: Na⁺, Cl^-Внутренняя жидкость: K⁺, A^-(органические анионы)

В состоянии покоя мембрана по разному проницаема для ионов. Наибольшая проницаемость у калия, затем идет натрий и хлор. Для органических анионов мембраны не проницаемы.

Вследствие повышенной проницаемости для ионов калия, они выходят из клетки. В результате чего внутри скапливаются орг. анионы. В результате создается разница потенциалов (диффузионный калиевый потенциал), который идет до тех пор, пока он может выходить.

Расчетный калиевый потенциал равен -90 мВ. А практический потенциал равен -70 мВ. Это говорит о том, что в создании потенциала участвует и другой ион.

Для того, чтобы сдерживать потенциал в мембране, клетка должна работать, ибо перемещение ионов калия из клетки, а натрия в клетку, привело бы к нарушению равенства знака. Мембраны поляризованы. Снаружи заряд будет положительным, а снаружи - отрицательным.

Состояние электрического заряда мембраны.

Реверсия или овершут - изменение знака заряда. Возвращение к исходному заряду - реполяризация.

Токи при возбуждении.

При действии раздражителя на мембрану происходит кратковременное возбуждение. Процесс возбуждения является локальным и распространяется вдоль мембраны, а потом деполяризуется. По мере движения возбуждения деполяризуется новый участок мембраны и т.д. Ток действия является двухфазным током.

В каждой фазе тока действия можно выделить локальный ответ, который сменяется пиковым потенциалом, и за пиковым потенциалом идет отрицательный и положительный следовой потенциал. Возникает при действии раздражителя. Для объяснения тока действия была предложена мембранно-монная теория (Ходжи, Хаксли, Катц). Они показали, что потенциал действия больше потенциала покоя. При действии раздражителя на мембрану происходит смещение заряда на мембрану (частичная деполяризация) и это вызывает открытие натриевых каналов. Натрий проникает внутрь клетки, постепенно снижая заряд на мембране, но потенциал действия возникает не при любом действии, а лишь при критической величине (измениться на 20-30 мВ) - критическая деполяризация. При этом открываются практически все натриевые каналы открыты и в этом случае натрий начинает лавинообразно проникать в клетку. Возникает полная деполяризация. На этом процесс не останавливается, а продолжает поступать в клетку и заряжает до +40. На вершине пикового потенциала происходит закрытие h ворот. При таком значении потенциала в мембране открываются калиевые ворота. И поскольку Ка⁺ больше внутри, то начинается выход Ка⁺ из клетки, и заряд начнет возвращаться к исходной величине. По началу он идет быстро, а затем замедляется. Это явление носит название отрицательного хвостового потенциала. Затем заряд востанавливает на исходную велечину, а после этого регистрируется положительный следовой потенциал, характирующийся повышенной проницаемостью для калия. Возникает состояние гиперполяризации мембраны (положительный следовой потенциал) Движение ионов идет пассивно. За одно возбуждение 20 000 инов натрия входят в клетку, и 20 000 ионов калия выходят из клетки.

Насосный механизм необходим для восстановления концентрации. 3 положительных иона натрия вносятся, а 2 иона калия выходят наружу при активном транспорте.

Возбудимость мембраны меняется, а следовательно и потенциал действия. Во время локального ответа происходит постепенное повышение возбуждения. Во время пикового ответа возбуждение исчезает.

При отрицательном следовом потенциале возбудимость будет вновь повышаться, ибо мембрана вновь частично деполяризована. В фазе положительного светового потенциала происходит снижение возбудимости. В этих условиях возбудимость снижается.

Скорость возбудительного процесса - лабильность. Мера лабильности - число возбуждений в единицу времени. Нервные волокна воспроизводят от 500 до 1000 импульсов в секунду. Разные ткани обладают разной лабильностью.

Рецепторы, их классификация: по локализации (мембранные, ядерные), механизму развития процессов (ионо- и метаботропные), по скорости приема сигнала (быстрые, медленные), по роду воспринимающих веществ.

Получение клеткой сигнала от первичных посредников обеспечивается особыми белками-рецепторами, для которых первичные посредники являются лигандами. Для обеспечения рецепторной функции молекулы белков должны отвечать ряду требований:

· обладать высокой избирательностью к лиганду;

· кинетика связывания лиганда должна описываться кривой с насыщением, соответствующим состоянию полной занятости всех молекул рецепторов, число которых на мембране ограничено;

· рецепторы должны обладать тканевой специфичностью, отражающей наличие или отсутствие данных функций в клетках органа-мишени;

· связывание лиганда и его клеточный (физиологический) эффект должны быть обратимы, параметры сродства должны соответствовать физиологическим концентрациям лиганда.

Клеточные рецепторы делятся на следующие классы:

· мембранные

· рецепторные тирозинкиназы

· рецепторы, сопряжённые с G-белками

· ионные каналы

· цитоплазматические

· ядерные

Мембранные рецепторы распознают крупные (например, инсулин) или гидрофильные (например, адреналин) сигнальные молекулы, которые не могут самостоятельно проникать в клетку. Небольшие гидрофобные сигнальные молекулы (например, трийодтиронин, стероидные гормоны, CO, NO) способны проникать в клетку за счёт диффузии. Рецепторы таких гормонов обычно являются растворимыми цитоплазматическими или ядерными белками. После связывания лиганда с рецептором информация об этом событии передаётся дальше по цепи и приводит к формированию первичного и вторичного клеточного ответа[2].

Два основных класса мембранных рецепторов — это метаботропные рецепторы и ионотропные рецепторы.

Ионотропные рецепторы представляют собой мембранные каналы, открываемые или закрываемые при связывании с лигандом. Возникающие при этом ионные токи вызывают изменения трансмембранной разности потенциалов и, вследствие этого, возбудимости клетки, а также меняют внутриклеточные концентрации ионов, что может вторично приводитъ к активации систем внутриклеточных посредников. Одним из наиболее полно изученных ионотропных рецепторов является н-холинорецептор.

Структура G-белка, состоящего из трёх типов единиц (гетеротримерного) — αt/αi (голубые), β (красная) и γ (зелёная)

Метаботропные рецепторы связаны с системами внутриклеточных посредников. Изменения их конформации при связывании с лигандом приводит к запуску каскада биохимических реакций, и, в конечном счете, изменению функционального состояния клетки. Основные типы мембранных рецепторов:

Рецепторы, связанные с гетеротримерными G-белками (например, рецептор вазопрессина).

Рецепторы, обладающие внутренней тирозинкиназной активностью (например, рецептор инсулина или рецептор эпидермального фактора роста).

Рецепторы, связанные с G-белками, представляют собой трансмембранные белки, имеющие 7 трансмембранных доменов, внеклеточный N-конец и внутриклеточный C-конец. Сайт связывания с лигандом находится на внеклеточных петлях, домен связывания с G-белком — вблизи C-конца в цитоплазме.

Активация рецептора приводит к тому, что его α-субъединица диссоциирует от βγ-субъединичного комплекса и таким образом активируется. После этого она либо активирует, либо наоборот инактивирует фермент, продуцирующий вторичные посредники.

Рецепторы с тирозинкиназной активностью фосфорилируют последующие внутриклеточные белки, часто тоже являющиеся протеинкиназами, и таким образом передают сигнал внутрь клетки. По структуре это — трансмембранные белки с одним мембранным доменом. Как правило, гомодимеры, субъединицы которых связаны дисульфидными мостиками.

3. Ионотропные рецепторы, метаботропные рецепторы и их разновидности. Системы вторичных посредников действия метаботропных рецепторов ( цАМФ, ц ГМФ, инозитол-3-фосфат, диацилглицерол, ионы Са++).

Рецепторы к нейромедиаторам располагаются на мембранах нейронов или клеток-мишеней (мышечные или железистые клетки). Их локализация может быть и на постсинаптических, и на пресинаптических мембранах. На пресинаптических мембранах чаще располагаются так называемые ауторецепторы, которые регулируют выделение этого же медиатора из пресинаптического окончания. Но есть и гетероауторецепторы, которые также регулируют выделение медиатора, но в этих рецепторах выделение одного медиатора регулирует другой медиатор или нейромодулятор.

Большинство рецепторов – это мембраносвязанные олигомерные белки, которые связывают лиганд (нейромедиатор) с высоким сродством и высокой селективностью. В результате этого взаимодействия запускается каскад внутриклеточных изменений. Рецепторы характеризуются сродством к лиганду, количеством, насыщаемостью и способностью к диссоциации рецептор-лигандного комплекса. У некоторых рецепторов обнаружены изоформы, которые различаются сродством к определенным лигандам. Эти изоформы могут находиться в одной и той же ткани.

Лиганды - это вещества, избирательно взаимодействующие с данным рецептором. Если фармакологическое вещество активирует данный рецептор, оно является агонистом для него, а если снижает его активность – то антагонистом.

Связывание лиганда с рецептором приводит к изменению конформации рецептора, вседствие чего или открываются ионные каналы, или запускается каскад реакций, приводящих к изменениям метаболизма.

Выделяют ионотропные и метаботропные рецепторы.

Ионотропные рецепторы. Вследствие образования постсинаптического потенциала происходит открытие соответствующего ионного канала или сразу при действии медиатора, или через активацию G-белка. При этом рецептор или сам образует ионный канал, или связан с ним. После присоединения лиганда и активации рецептора происходит открытие канала для соответствующего иона. В результате на мембране образуется постсинаптический потенциал. Ионотропные рецепторы – это путь быстрой передачи сигнала и образования ПСП без изменения процессов метаболизма в клетке.

Метаботропные рецепторы. Это более сложный путь передачи сигнала. При этом после связывания лиганда с рецептором происходит активация каскада фосфорилирование-дефосфорилирование. Это осуществляется или прямо, или через вторичные посредники, например, через тирозинкиназу, или через цАМФ, или цГМФ, или инозитолтрифосфат, или диацилглицерол, или за счет увеличения внутриклеточного кальция, что в результате приводит к активации протеинкиназ. Фосфорилирование чаще всего включает в себя активацию цАМФ-зависимой или диацилглицерол-зависимой протеинкиназы. Эти эффекты развиваются более медленно и длятся более долго.

Сродство рецептора к соответствующему нейромедиатору может меняться так же, как и к гормонам, например, за счет аллостерических изменений рецептора или других механизмов. Поэтому сейчас рецепторы обозначают как мобильные и легко изменяемые структуры. Входя в состав мембраны, белки-рецепторы могут взаимодействовать с другими мембранными белками (так называемая интернализация рецепторов). Нейромодуляторы, как и нейромедиаторы, могут влиять на число и чувствительность рецепторов. Длительное присутствие больших количеств нейромедиатора или нейромодулятора может снижать их чувствительность (даун-регуляция), а недостаток лигандов повышать их чувствительность (ап-регуляция).