Физиология клетки

 

 

Современные представления о лизосоме. Лизосомы - это мембранные органеллы, имеющиеся в клетках почти всех типов, содержащие определённый набор ферментов, расщепляющих крупные молекулы ( обломки мембраны, белки, фрагменты органелл) до более мелких (например аминокислот), которые либо повторно участвуют в метаболических процессах клетки, либо выводятся наружу. Поэтому основная функция лизосом- «внутриклеточное пищеварение».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2. Характеристика  функций клеток

Все клеточные функции  делятся на общие, которые присущи всем клеткам независимо от их вида, роли в организме и стадии эволюционного развития, и специализированные, т.е. свойственные определённым клеткам.

 К общим функциям клеток относят: образование энергии, трансмембранный транспорт веществ, рецепция раздражителей, формирование мембранного потенциала и т.д. И хотя эти процессы связаны с конкретными субклеточными органеллами, в целом каждая из этих функций отражает уровень целостной клетки. Например, образование энергии в клетке детерминировано не только деятельностью митохондрий, но и состоянием трансмембранного переноса веществ и кислорода из внешней среды в клетку, их транспортировке внутри клетки к митохондриям, синтеза ферментов митохондрий, отвечающих за образование энергии и т.д.

Энергетическая функция  клетки осуществляется в митохондриях и цитоплазме путём образования макроэргических связей  аденозинтрифософорной  кислоты (АТФ). Энергия этих связей используется дл различных видов работ клетки. Главную роль в энергетическом обмене клетки играют митохондрии.  Образование АТФ в митохондриях протекает при непосредственном участии кислорода (аэробный путь) При дефиците кислорода в клетке (кислородном голодании) образование АТФ в митохондриях нарушается. В отличие от митохондрий в цитозоле клетки образование АТФ может протекать и без участия кислорода (анаэробный путь) в процессе так называемого гликолиза, когда из одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ.

Биосинтетическая  функция клетки осуществляется взаимодействием комплекса органелл: рибосом, эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи.  Образование белков (мембранных, цитозольных, лизосомных, секретируемых) и пептидов происходит в процессе трансляции (считывания кода (мРНК)  двумя классами клеточных рибосом.

В агранулярной ЭПС происходит синтез  гликогена и липидов, который  завершается в аппарате Гольджи. Гликоген остаётся внутри клетки, а  липиды либо используются на синтез мембран (клетки и субклеточных органелл), либо секретируются из неё в составе липопротеидов.

Детоксикационная  функция клетки заключается: 1) в нейтрализации токсичных продуктов собственного метаболизма (Например,  нейтрализация аммиака через его вовлечение в образование глютамина и мочевины); 2) в нейтрализации токсичных веществ попавших в клетку (происходит в агранулярной ЭПС); (Например,  нейтрализация ароматических углеводородов);  3) в предупреждении образования в процессе клеточного метаболизма избытка свободных радикалов и активных форм кислорода.

Специализированные  (ключевые) функции клетки являются результатом её дифференцировки (т.е. превращение в зрелую клетку из клетки предшественника, например стволовой клетки), в основе которой лежит длительная активация определённого спектра генов в клеточном геноме. К специализированным функциям клетки относят: сокращение миоцитов,  генерация потенциала действия у нейронов, поглощение чужеродных веществ (фагоцитоз) нейтрофилами, транспорт кислорода эритроцитами от лёгких к тканям и многие другие.

 

3.2. Транспортная функция клеточной мембраны и её место в жизнедеятельности клеток

Данная функция обеспечивает поступление питательных веществ  в клетку и выведение из неё метаболитов, создаёт ионный градиент на мембране. Последнее имеет важное значение для клеток возбудимых тканей. Различают несколько видов транспорта веществ через клеточную мембрану (Рис.3.15.).

Пассивный транспорт (диффузия)

Поскольку при  данном виде транспорта энергия транспортируемого  вещества уменьшается, то его перенос идёт только в одном направлении по концентрационному или электрохимическому градиенту. В соответствии с законом Фика диффузия прямо пропорциональная градиенту концентрации вещества, площади диффузионной мембраны, коэффициенту распределения и обратно пропорциональной толщине мембраны.

Основная  количественная характеристика, используемая при описании переноса ионов  или незаряженных частиц (неэлектролитов) через мембраны- это поток.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3.15. Виды транспорта веществ через клеточную мембрану

 

Поток вещества Ф измеряют не в числе частиц, а в числе молей данного вещества . Трансмембранные потоки ионов имеют направление нормальное к поверхности мембраны. Плотность потока (J, моль/с▪м²) – это количество вещества, переносимого в секунду через единицу площади, расположенной нормально потока ( к поверхности мембраны). Положительным считается направление потока из замкнутого пространства наружу. Поэтому поток из клетки в окружающую среду имеет знак «+», а поток в клетку имеет знак «-» . Величина J зависит от концентрации  переносимых веществ по обе стороны мембраны (С₁ и С₂) , а в случае  ионов – так же от разности потенциалов между водными фазами, омывающими мембрану φ₁ и φ_2: ∆φ= φ_2: - φ₂₁.  В конечном счёте обе характеристики (потенциал и концентрация) влияют на поток потому, что от них зависит энергия ионов (молекул) в данном растворе. Энергия моля ионов данного вида в среде носит название электрохимического потенциала иона и равна: μ=μ^о + RTlnC+zFφ, где μ^о – стандартный химический потенциал, определяемый энергией взаимодействия иона с молекулой среды;R- газовая постоянная; Т- абсолютная температура; С- молярная концентрация, z- безразмерный заряд иона, F- число Фарадея; φ – потенциал в данной области среды.

 

Простая диффузия через липидный слой (рис. 3.6.) обеспечивает трансмембранный перенос веществ, которые имеют достаточно высокий коэффициент распределения между водной и липидными фазами. К таким веществам относятся: жирорастворимые вещества и незаряженные полярные молекулы (ряд гормонов, алкоголь, мочевина, О₂, СО₂ и др.). Большое значение для растворения в липидном слое и перенос через него молекул и ионов играет

 

 

 

 

                 

 

 

 

 

 

 

Проницаемость клеточной  мембраны для многих веществ ограничена не только липидным бислоем, но и прилегающими к мембране неперемешивающимися слоями воды, которые вместе с клеточной мембраной в совокупности ведут себя как последовательно соединённые электрические соединения. В свою очередь движение жидкости в клетке и вне её зависит от тканевого метаболизма. Если жидкость внутри клетки и в межклеточной среде интенсивно движется, то толщина примембранного слоя воды может превышать толщину самой клеточной мембраны в 100-300 раз. В то же время вязкость клеточной мембраны (благодаря липидам) в 10-100 раз выше вязкости воды. Следовательно, коэффициенты диффузии  иона в воде и мембране относятся друг к другу как 30-100 к единице. Отсюда следует, что в коэффициенте распределения вещества  в системе мембрана/вода решающую роль играет липофильность молекулы (иона). Если для  К⁺, Na⁺, Cа²⁺ примембранные слои воды практически не влияют на общую проницаемость: основная барьерная функция принадлежит липидному бислою мембраны, то для нейтральных молекул (например кислорода) роль примембранных слоёв воды для его трансмембранного проникновения в клетку становится заметной.

 

Простая диффузия через ионные каналы мембраны (рис. 3.17.)  даёт возможность проходить через клеточную мембрану веществам, обладающим низким коэффициентом распределения между липидной и водной фазами, следовательно, не растворяющихся в липидах. Например, вода, которая проходит сквозь мембрану клетки, благодаря наличию в ней специальных каналов (аквапоринов), расположенные в бислое липидов. При этом вода переходит из менее концентрированного раствора в более концентрированный. Через ионные каналы могут  диффундировать малые незаряженные молекулы, в том числе, и способные одновременно проходить через липидный бислой (этанол, мочевина, О₂, СО₂ и др). Следует отметить избирательность ионных каналов для незаряженных катионов и анионов.

Ионные каналы клеточной мембраны представлены интегральными белками, которые образуют поры в липидном бислое клеточной мембран.

 

 

 

 

 

 

 

 

Селективность (избирательность) канала определяется  диаметром поры и энергией дегидратации иона. Диаметр поры несколько больше диаметра иона в кристаллическом состоянии. Малые размеры поры делают необходимым снятие с проходящего через мембрану иона его «водной шубы», т.е. осуществлять его временную дегидратацию.

Проницаемость канала регулируется  а) изменением мембранного потенциала (потенциалуправляемые  каналы); б) влиянием биологически активного вещества (гормоны, медиаторы,  Са²⁺ ) на  канальный белок (рецепторуправляемые каналы).

Для ионного  канала характерны три физиологических  состояния: покой (потенциальной активен), открыт ( активирован) и закрыт (инактивирован).

 

Облегчённая диффузия (рис. 3.18.) характерна для большинства полярных молекул (сахара, аминокислоты, нуклеотиды и т.д.), для которых липидный бислой мембраны плохо проницаем. Поэтому в процессе эволюции сформировался особый транспорт таких веществ через клеточную мембрану, осуществляемый с участием специфических мембранных белков переносчиков, которые и помогают (облегчают проникновение) этим веществам прохождение через мембрану клетки. Облегчённую диффузию отличает от простой  следующие особенности:

 

 

 

 

 

 

 

                      Рис. 3.18.

 

3. Наличие специфических стимуляторов и ингибиторов облегчённой диффузии. Например, инсулин активирует облегчённую диффузию глюкозы в жировые и мышечные клетки.

 

Активный  транспорт 

Данный вид переноса вещества через клеточную мембрану сопряжён с затратой энергии, благодаря чему он даёт возможность переносить вещества против градиента их концентрации, т.е. из зоны меньшей в зону большей концентрации. В качестве источника энергии в клетки используются : энергия связей аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и энергия трансмембранных ионных градиентов. В зависимости от вида используемой энергии различают два вида активного транспорта: первично активный транспорт (используется энергия АТФ) и вторично активный транспорт (используется энергия электрохимического градиента  Na⁺).

Первично активный транспорт осуществляется в результате деятельности ионных насосов, белковый комплекс которых обладает свойствами переносчика (для транспортируемого вещества) и фермента, расщепляющего АТФ, энергия которого используется насосом для транспорта (рис.3.19.).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3.19. Схема первично активного транспорта через клеточную мембрану

 

В настоящее  время в клетке  обнаружены следующие  насосы, использующие энергию АТФ:  Na⁺,К⁺-насос (Na⁺,К⁺ -АТФаза) имеется в плазматической мембране всех клеток организма человека. Энергия АТФ затрачивается на удаление из клетки Na⁺ и возвращения туда К⁺, проникших путём простой диффузии. Са²⁺-насос (Са²⁺-АТФаза) как в плазматической мембране, так и  мембранах клеточных органелл (например, цистерны в миоцитах). Насос откачивает кальций из цитозоля клетки либо во внеклеточную среду, либо в его внутриклеточные депо. Наличие данного насоса обусловлено той важной ролью, которую играет кальций в жизнедеятельности клеток. Протонный насос (Н⁺-АТФаза) имеется как в плазматической мембране, так и мембранах некоторых клеточных органелл.

Вторично активный транспорт (рис.3.20.) использует энергию градиента концентрации  Na⁺ созданного К⁺,Na⁺-насосом. Ионы натрия и транспортируемые вещества связываются с молекулой белка переносчика мембраны. Натрий, перемещением внутрь клетки по электрохимическому градиенту «тащит» за собой вещества (например моносахара и аминокислоты), которые могут переносится против градиента концентрации. Внутриклеточный натрий откачивается  Na⁺,К⁺- насосом, благодаря чему  восстанавливается электрохимический градиент натрия и цикл повторяется снова.

    

 

 

 Рис. 3.20. Схема вторично активного транспорта через клеточную мембрану

 

Эндоцитоз и экзоцитоз

Данные виды трансмембранного переноса веществ  в клетку и из неё сформировались в процессе эволюции  и предназначены для крупномолекулярных веществ не способных перемещаться через клеточную мембрану разобранными выше способами. 

Эндоцитоз заключается в поступлении вещества из внеклеточной среды в клетку в составе мелких или крупных пузырьков, образовавшихся из участков плазматической мембраны, в которых и заключено транспортируемое вещество. Эти пузырьки либо сливаются в клетках с органеллами (лизосомами), где происходит переваривание поступивших путём эндоцитоза веществ, либо они транспортируются на противоположный полюс клетки и выделяют воё содержимое во внеклеточную среду путём экзоцитоза.

Различают три  вида эндоцитоза: 

1. пиноцитоз  (неспецифических захват внеклеточной жидкости и растворённых в ней веществ)
2. опосредованный рецепторами эндоцитоз  (связывание веществ со специфическими рецепторами на клеточной мембране с образованием окаймлённых пузырьков ( эндосом).
3. фагоцитоз (захват крупных частиц «профессиональными клетками» фагоцитами- нейтрофилы, моноциты, макрофаги)