Проницаемость биомембран

Кле́точная мембра́на (или цитолемма, или плазмалемма, или плазматическая мембрана) отделяет содержимое любой клетки от внешней среды, обеспечивая её целостность; регулируют обмен между клеткой и средой; внутриклеточные мембраны разделяют клетку на специализированные замкнутые отсеки — компартменты или органеллы, в которых поддерживаются определённые условия среды.

Проницаемость биологических  мембран

        важнейшее  свойство биологических мембран  (БМ), заключающееся в их способности  пропускать в клетку и из  неё различные метаболиты (аминокислоты, сахара, ионы и т.п.). Проницаемость биологических мембран

 имеет большое значение  для осморегуляции и поддержания постоянства состава клетки, её физико-химический Гомеостаз; играет важную роль в генерации и проведении нервного импульса, в энергообеспечении клетки, сенсорных механизмах и др. процессах жизнедеятельности. Проницаемость биологических мембран

 обусловлена особенностями строения БМ, являющихся осмотическим барьером между клеткой и средой, и служит характерным примером единства и взаимосвязи между структурой и функцией на молекулярном уровне.

         БМ проницаемы лишь для небольшого  числа низкомолекулярных жирорастворимых  веществ (глицерин, спирты, мочевина  и др.). Такая проницаемость (простая  диффузия) играет сравнительно малую  роль в процессах переноса  веществ через мембраны. Более  важные процессы переноса (транслокации) веществ через БМ происходят с участием специфических систем транспорта. Предполагают, что эти системы содержат мембранные переносчики (белки или липопротеиды) и, возможно, ряд др. компонентов, осуществляющих связанные с транспортом функции (например, рецепторные). Переносчик (или их система) связывает переносимое вещество (субстрат) и может перемещаться в мембране. Если переносчики неподвижно фиксированы в БМ, то считают, что в БМ существуют специфические для переносимого вещества поры или каналы (рис. 1). Если переносчик связывается с субстратом путём невалентных взаимодействий (ионными, гидрофобными и др. силами), то такой процесс называется вторичной транслокацией; различают 3 её типа (рис. 2): облегчённая диффузия (унипорт), котранспорт (симпорт) и противотранспорт (антипорт). Механизм облегчённой диффузии не зависит от переноса др. веществ в клетку или из клетки. Этим способом переносится, например, глюкоза в эритроциты. Котранспорт — совместный транспорт двух (или более) веществ в одном направлении. Так, транспорт глюкозы и аминокислот через слизистые оболочки тонкого кишечника сопряжён с транспортом ионов Na+. Механизм противотранспорта подразумевает сопряжение переноса вещества в одном направлении с потоком др. вещества в противоположном направлении. Этим способом осуществляется противоположно направленный перенос ионов Na+ и К+ в нервных клетках (см. Мембранная теория возбуждения). Процессы сопряжённого транспорта (симпорт и антипорт) имеют большое значение в тех случаях, когда переносимое вещество движется против градиента концентрации (из области меньшей в область большей концентрации). Такой активный транспорт, в отличие от пассивного транспорта (по концентрационному градиенту), требует затрат энергии. Энергообеспечение активного транспорта достигается за счёт сопряжения вторичной транслокации с ферментативными реакциями разрыва или образования химических связей. При этом энергия химического превращения расходуется на поддержание осмотического потенциала или асимметрии по обе стороны мембраны.

         Транспорт веществ через БМ, связанный  с разрывом или образованием  валентных связей, называется первичной  транслокацией. Типичный пример такого процесса — работа «натриевого насоса» (См. Натриевый насос), сопряжённая с химической реакцией гидролиза богатого энергией аденозинтрифосфата (АТФ), катализируемого ферментом аденозинтрифосфатазой. Гидролиз АТФ сопровождается переносом ионов Na+ из клетки и поступлением в клетку ионов К+; предполагают, что переносчиком ионов К+ является свободный фермент, а ионов Na+ — фосфорилированный фермент, образующийся в ходе гидролиза АТФ. До сих пор не удалось выделить переносчиков из БМ клеток животных. У бактерий четко доказано (главным образом генетическими методами) существование переносчиков — т. н. пермеаз (См. Пермеазы), некоторые из них (например, М-белок — переносчик лактозы у кишечной палочки) выделены в чистом виде. Имеются данные, показывающие, что активный транспорт сахаров и аминокислот у бактерий сопряжён с окислением D-молочной комитеты. У некоторых бактерий обнаружено большое число «связывающих белков», которые, возможно, являются рецепторными компонентами соответствующих транспортных систем.

         П. б. м. регулируется гормонами  и др., биологически активными  веществами. Так, некоторые стероидные гормоны, инсулин и др. увеличивают проницаемость мембран эритроцитов, мышечных и жировых клеток. П. б. м. возбудимых клеток (например, нервных) зависит от особых веществ — медиаторов (См. Медиаторы) (ацетилхолин и др.). На П. б. м. для ионов сильно влияют антибиотики (валиномицин, грамицидин, нонактин), а также некоторые синтетические полиэфиры. В исследованиях П. б. м. — одной из важнейших проблем молекулярной биологии (См. Молекулярная биология) — большое значение имеют модельные мембраны: липидные монослои, искусственные двухслойные мембраны, многослойные замкнутые мембраны (липосомы) и т.п. Для изучения П. б. м. широко применяются электро-химические, физические и химические методы.

Ио́нные кана́лы — порообразующие белки (одиночные либо целые комплексы), поддерживающие разность потенциалов, которая существует между внешней и внутренней сторонами клеточной мембраны всех живых клеток. Относятся к транспортным белкам. С их помощью ионы перемещаются согласно их электрохимическим градиентам сквозь мембрану. Такие комплексы представляют собой набор идентичных или гомологичных белков, плотно упакованных в липидном бислое мембраны вокруг водной поры. Каналы расположены в плазмалемме и некоторых внутренних мембранах клетки.

 

Через ионные каналы проходят ионы Na+ (натрия), K+ (калия), Cl− (хлора) и Ca++ (кальция). Из-за открывания и закрывания ионных каналов меняется концентрация ионов по разные стороны мембраны и происходит сдвиг мембранного потенциала.

 

Канальные белки состоят  из субъединиц, образующих структуру  со сложной пространственной конфигурацией, в которой кроме поры обычно имеются  молекулярные системы открытия, закрытия, избирательности, инактивации, рецепции и регуляции. Ионные каналы могут иметь несколько участков (сайтов) для связывания с управляющими веществами.

Типы ионных каналов

 

Классификация ионных каналов  проводится по различным параметрам и поэтому единой унифицированной  классификации для них пока не существует.

 

Так, возможна классификация  по структуре (строению) и происхождению  от однотипных генов.

 

По этому принципу, например, выделяют три семейства лиганд-активируемых ионных каналов[1]:

с пуриновыми рецепторами (АТФ-активируемые);

с никотиновыми АХ-рецепторами, ГАМК-, глицин- и серотонин-рецепторами;

с глутаматными рецепторами.

 

При этом в одно и то же семейство попадают ионные каналы с  разной ионной селективностью, а также  с рецепторами к разным лигандам. Но зато образующие эти каналы белки имеют большое сходство в строении и происхождении.

 

Ионные каналы также можно  классифицировать по селективности  в зависимости от проходящих через  них ионов: натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные, протонные (водородные).

 

Согласно функциональной классификации[2], ионные каналы группируются по способам управления их состоянием на следующие виды:

Неуправляемые (независимые).

Потенциал-управляемые (потенциал-чувствительные, потенциал-зависимые, voltage-gated).

Лиганд-управляемые (хемо-управляемые, хемочувствительные, хемозависимые, лиганд-зависимые, рецептор-активируемые).

Опосредованно-управляемые (вторично-управляемые, ион-активируемые, ион-зависимые, мессенджер-управляемые, управляемые метаботропными рецепторами).

Совместно-управляемые (NMDA-рецепторно-канальный комплекс). Они открываются одновременно как лигандами, так и определённым электрическим потенциалом мембраны. Можно сказать, что у них двойное управление. Пример: NMDA-рецепторно-канальный комплекс, имеющий сложную систему управления, включающую в себя 8 рецепторных участков-сайтов, с которыми могут связываться различные лиганды.

Стимул-управляемые (механочувствительные, механосенситивные, стретч-активируемые, stretch-activated, протон-активируемые, температурно-чувствительные).

Актин-управляемые (актин-регулируемые, actin-regulated, actin-gated channels).

Коннексоны (двойные поры).

 

Наиболее часто встречаются  два типа каналов: ионные каналы с  лиганд-зависимыми воротами (находятся, в частности, в постсинаптической мембране нервно-мышечных соединений) и ионные каналы с потенциал-зависимыми воротами. Лиганд-зависимые каналы превращают химические сигналы, приходящие к клетке, в электрические; они необходимы, в частности, для работы химических синапсов. Потенциал-зависимые каналы нужны для распространения потенциала действия.

Работа ионных каналов

Лиганд-зависимые ионные каналы

Эти каналы открываются, когда  медиатор, связываясь с их наружными  рецепторными участками, меняет их конформацию. Открываясь, они впускают ионы, изменяя этим мембранный потенциал. Лиганд-зависимые каналы почти нечувствительны к изменению мембранного потенциала. Они генерируют электрический потенциал, сила которого зависит от количества медиатора, поступающего в синаптическую щель и времени, которое он там находится.

Потенциал-зависимые ионные каналы

 

Эти каналы отвечают за распространение  потенциала действия, они открываются  и закрываются в ответ на изменение  мембранного потенциала. Например, натриевые каналы. Если мембранный потенциал поддерживается на уровне потенциала покоя, натриевые каналы закрыты и натриевый ток отсутствует. Если мембранный потенциал сдвигается в положительную сторону, то натриевые  каналы откроются, и в клетку начнут входить ионы натрия по градиенту  концентрации. Через 0,5 мс после установления нового значения мембранного потенциала, этот натриевый ток достигнет  максимума. А еще через несколько  миллисекунд падает почти до нуля. Это значит, что каналы через некоторое  время закрываются вследствие инактивации, даже если клеточная мембрана остается деполяризованной. Но закрывшись, они отличаются от состояния, в котором находились до открытия, теперь они не могут открываться в ответ на деполяризацию мембраны, то есть они инактивированны. В таком состоянии они останутся до тех пор, пока мембранный потенциал не вернется к исходному значению и не пройдет восстановительный период, занимающий несколько миллисекунд.Свойства ионных каналов

 

Для каналов характерна ионная специфичность. Каналы одного типа пропускают только ионы калия, другого — только ионы натрия и т. д.

 

Селективность — это избирательно повышенная проницаемость ионного  канала для определённых ионов и  пониженная для других. Такая избирательность  определяется селективным фильтром — самым узким местом канальной  поры. Фильтр, кроме узких размеров, может иметь также локальный  электрический заряд.

 

Управляемая проницаемость  — это способность открываться  или закрываться при определённых управляющих воздействиях на канал.

 

Инактивация — это способность ионного канала через некоторое время после своего открытия автоматически понижать свою проницаемость даже в том случае, когда открывший их активирующий фактор продолжает действовать.

 

Блокировка — это способность  ионного канала под действием  веществ-блокаторов фиксировать какое-то одно своё состояние и не реагировать на обычные управляющие воздействия. Блокировку вызывают вещества-блокаторы, которые могут называться антагонистами, блокаторами или литиками.

 

Пластичность — это  способность ионного канала изменять свои свойства, свои характеристики. Наиболее распространённый механизм, обеспечивающий пластичность — это фосфорилирование аминокислот канальных белков с внутренней стороны мембраны ферментами-протеинкиназами.

Первый шаг в изучении причин возбудимости клеток сделал в  своей работе "Теория мембранного  равновесия" в 1924 г. английский физиолог Донанн. Он теоретически установил, что разность потенциалов внутри клетки и вне ее, т.е. потенциала покоя или МП, близка к калиевому равновесному потенциалу. Это потенциал, образующийся на полупроницаемой мембране разделяющий растворы с разной концентрацией ионов калия, один из которых содержит крупные непроникающие анионы. Его расчеты уточнил Нернст. Он вывел уравнение диффузионного потенциала. Для калия он будет равен:

 

 

[K+]out          40mM

 

Ек=58 lg ——– = 58 lg —– = – 75 мВ,

 

[K+]in            400mM

 

такова теоретически рассчитанная величина мП.

 

Экспериментально механизмы  возникновения разности потенциалов  между внеклеточной жидкостью и  цитоплазмой, а также возбуждения  клеток установили в 1939 году в Кембридже  Ходжкин и Хаксли. Они исследовали гигантское нервное волокно (аксон) кальмара и обнаружили, что внутриклеточная жидкость нейрона содержит 400 мМ калия, 50 мМ натрия, 100 мМ хлора и очень мало кальция. Во внеклеточной жидкости содержалось всего 10 мМ калия, 440 мМ натрия, 560 мМ хлора и 10 мМ кальция. Таким образом, внутри клеток имеется избыток калия, а вне их натрия и кальция. Это обусловлено тем, что в клеточную мембрану встроены ионные каналы, регулирующие проницаемость мембраны для ионов натрия, калия, кальция и хлора.

 

Все ионные каналы подразделяются на следующие группы:

 

1.По избирательности:

 

а) Селективные, т.е. специфические. Эти каналы проницаемы для строго определенных ионов.

 

б) Малоселективные, неспецифические, не имеющие определенной ионной избирательности. Их в мембране небольшое количество.

 

2.По характеру пропускаемых  ионов:

 

а) калиевые

 

б) натриевые

 

в) кальциевые

 

г) хлорные

 

3.По скорости инактивации, т.е. закрывания:

 

а) быстроинактивирующиеся, т.е. быстро переходящие в закрытое состояние. Они обеспечивают быстро нарастающее снижение МП и такое же быстрое восстановление.

 

б) медленноинактирующиеся. Их открывание вызывает медленное снижение МП и медленное его восстановление.

 

4. По механизмам открывания:

 

а) потенциалзависимые, т.е. те, которые открываются при определенном уровне потенциала мембраны.

 

б) хемозависимые, открывающиеся при воздействии на хеморецепторы мембраны клетки физиологически активных веществ (нейромедиаторов, гормонов и т. д).