☰

Ионы обеспечивающие проницаемость клеточных мембран. Проницаемость и свойства клеточных мембран

Одна из главных функций мембран - регуляция переноса веществ. Существуют два способа переноса веществ через мембрану: пассивный и активный транспорт

Транспорт веществ через мембраны

Пассивный транспорт . Если вещество движется через мембрану из области с высокой концентрацией в сторону низкой концентрации (т.е. по градиенту концентрации этого вещества) без затраты клеткой энергии, то такой транспорт называется пассивным, или диффузией . Различают два типа диффузии: простую и облегченную .

Простая диффузия характерна для небольших нейтральных молекул (H2O, CO2, O2), а также гидрофобных низкомолекулярных органических веществ. Эти молекулы могут проходить без какого-либо взаимодействия с мембранными белками через поры или каналы мембраны до тех пор, пока будет сохраняться градиент концентрации.

На первый взгляд представляется труднообъяснимым сравнительно большое значение Р для воды, полярного вещества, нерастворимого в липидах. Очевидно, что в этом случае речь может идти о переносе воды через наполненные водой белковые и липидные поры. Однако в последнее время помимо гидрофильных пор проникновение через мембрану мелких полярных молекул связывают с образованием между жирнокислотными хвостами фосфолипидных молекул при их тепловом движении небольших свободных полостей - кинков (от англ. kink - петля). Вследствие теплового движения хвостов молекул фосфолипидов кинки могут перемещаться поперек мембраны и переносить попавшие в них мелкие молекулы, в первую очередь молекулы воды.

Предполагается, что в растворе вне поры каждый ион имеет гидратную оболочку, состоящую из трех сферических слоев молекул воды. При вхождении в пору гидратированный ион "раздевается", теряя воду послойно. Пора будет проницаема для иона, если ее диаметр точно соответствует диаметру любой из этих сферических оболочек. Как правило, в поре ион остается с одной гидратной оболочкой. Отмечено своеобразное "квантование" гидратированных ионов по их размерам при прохождении через поры.

Облегченная диффузия . Характерна для гидрофильных молекул, которые переносятся через мембрану также по градиенту концентрации, но с помощью специальных мембранных белков - переносчиков. Для облегченной диффузии, в отличие от простой, характерна высокая избирательность, так как белок переносчик имеет центр связывания комплементарный транспортируемому веществу, и перенос сопровождается конформационными изменениями белка.

Другие отличия облегченной диффузии от простой :

1) перенос ионов с участием переносчика происходит значительно быстрее по сравнению со свободной диффузией;

2) облегченная диффузия обладает свойством насыщения - при увеличении концентрации с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;

3) при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда одним переносчиком переносятся разные вещества; при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других;

4) есть вещества, блокирующие облегченную диффузию, они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика, препятствуя дальнейшему переносу.

Разновидностью облегченной диффузии является транспорт с помощью неподвижных молекул переносчиков, фиксированных определенным образом поперек мембраны. При этом молекула переносимого вещества передается от одной молекулы переносчика к другой по типу эстафеты.

Один из возможных механизмов облегченной диффузии может быть следующим: транспортный белок (транслоказа ) связывает вещество, затем сближается с противоположной стороной мембраны, освобождает это вещество, принимает исходную конформацию и вновь готов выполнять транспортную функцию. Мало известно о том, как осуществляется передвижение самого белка. Другой возможный механизм переноса предполагает участие нескольких белков-переносчиков. В этом случае первоначально связанное соединение само переходит от одного белка к другому, последовательно связываясь то с одним, то с другим белком, пока не окажется на противоположной стороне мембраны.

Активный транспорт (Рис. 12) имеет место в том случае, когда перенос осуществляется против градиента концентрации. Такой перенос требует затраты энергии клеткой. Активный транспорт служит для накопления веществ внутри клетки. Источником энергии часто является АТР. Для активного транспорта кроме источника энергии необходимо участие мембранных белков.

Одна из активных транспортных систем в клетке животных отвечает за перенос ионов Na+ и K+ через клеточную мембрану. Эта система называется Na+ - K+ - насос. Она отвечает за поддержание состава внутриклеточной среды, в которой концентрация К+ выше, чем Na+ :

Градиент концентрации калия и натрия поддерживается путем переноса К+ внутрь клетки, а Na+ наружу. Оба транспорта происходят против градиента концентрации. Такое распределение ионов определяет содержание воды в клетках, возбудимость нервных клеток и клеток мышц и другие свойства нормальных клеток. Na+ ,K+ -насос представляет собой белок – транспортную АТР-азу . Молекула этого фермента является олигомером и пронизывает мембрану. За полный цикл работы насоса из клетки в межклеточное вещество переносится три иона Na+, а в обратном направлении – два иона К+. При этом используется энергия молекулы АТР.

Существуют транспортные системы для переноса ионов кальция (Са2+ - АТР-азы), протонные насосы (Н+ - АТР-азы) и др.

Симпорт это активный перенос вещества через мембрану, осуществляемый за счет энергии градиента концентрации другого вещества. Транспортная АТР-аза в этом случае имеет центры связывания для обоих веществ. Антипорт - это перемещение вещества против градиента своей концентрации. При этом другое вещество движется в противоположном направлении по градиенту своей концентрации. Симпорт и антипорт могут происходить при всасывании аминокислот из кишечника и реабсорбции глюкозы из первичной мочи. При этом используется энергия градиента концентрации ионов Na+, создаваемого Na+, K+-АТР-азой.

Механизм действия Na+, K+-АТР-азы

Везикулярный транспорт

Через плазматическую мембрану транспортируются и макромолекулы. Процесс, с помощью которого клетки захватывают крупные молекулы, называется эндоцитозом. Процесс выхода крупных молекул из клетки называется экзоцитозом. Общим для этих видов транспорта является то, транспортируемое вещество окружено плазматической мембраной и находится в виде пузырька или везикулы . Механизм образования везикулы и её судьба в клетке зависит от типа эндоцитоза.

Эндоцитоз. Эндоцитоз можно разделить на 2 основных типа: фагоцитоз и пиноцитоз. Пиноцитоз присущ всем клеткам. С его помощью клетка поглощает жидкости и мелкие гранулы. При фагоцитозе происходит поглощение крупных частиц: вирусов, бактерий, клеток или их обломков. Фагоцитоз осуществляется с участием специализированных клеток: макрофагов и гранулоцитов.

Механизм эндоцитоза: при захвате вещества из межклеточного пространства происходит впячивание или инвагинация плазматической мембраны, образуется эндоцитозная везикула, похожая на колбу. Шейка везикулы сливается, отшнуровывается от мембраны и везикула – внутри клетки. Судьба везикул различна: они могут направляться к комплексу Гольджи или транспортируются к лизосомам, сливаются с ними, образуя вторичные лизосомы или фаголизосомы.

Эндоцитоз подразделяется 2 типа: жидкофазный неспецифичный и адсорбционный рецепторный (с очень быстрым избирательным захватом макромолекул). Название и судьба везикул, образующихся при адсорбционном эндоцитозе, зависят от типа поглощаемого вещества.

Экзоцитоз имеет большое значение для клетки. С его помощью клетка, например, обновляет свои мембраны, осуществляет секреторную деятельность. Механизм экзоцитоза: вещества в везикулах отпочковываются от комплекса Гольджи или от эндоплазматического ретикулума, транспортируются к мембране, сливаются с ней, после чего содержимое везикулы выполняет свое предназначение. Следует отметить, что экзоцитоз может быть непрерывным (конститутивным), так и регулируемым

Вещества, высвобождаемые в процессе экзоцитоза, можно разделить на 3 группы: 1.вещества, связывающиеся с клеточной поверхностью, например, антигены. 2.вещества внеклеточного матрикса, 3.сигнальные молекулы (гормоны, медиаторы).

Нарушение транспорта веществ через биомембраны приводит к различным патологиям. Лечение часто связано с проникновением лекарств через клеточные мембраны.

Механизм передачи сигнала. Существуют механизмы передачи сигнала а)связанные с поверхностными рецепторами клетки; б)не связанные с поверхностными рецепторами клетки.

Биохимический рецептор - структура живой клетки, как правило молекула белка, имеющая высокую степень сродства к определенным веществам – лигандам. Связывание лиганда с рецептором основано на том, что конформация какого-то участка молекулы гормона комплементарна участку молекулы рецептора. Связывание определяется гидрофобными и электростатическими взаимодействиями. В результате образуется комплекс вещество-рецептор

В числе переносчиков информации могут быть нейромедиаторы, гормоны, иммуноглобулины и другие вещества.

Первый этап в передаче информации - образование комплекс «лиганд-рецептор».

Второй этап в передаче информации - преобразование и проведение лигандного сигнала внутрь клетки. Этот процесс называется трансдукцией.

Механизмы передачи сигнала, связанные с поверхностными рецепторами клетки. Рецепторы этого семейства относятся к интегральным мембранным белкам.

Поверхностные рецепторы имеют три домена.

1. Ввнеклеточный домен или экто-домен

2. Трансмембранный домен, который может быть монотопным или политопным

3. Цитоплазматический домен.

Внеклеточный домен (экто -домен) содержит участок связывания сигнальной молекулы. Обычно это самая большая часть белкового рецептора.

Трансмембранные домены рецепторов можно разделить на две группы (рис.). Первое, очень большое семейство рецепторов, пронизывает мембрану семь раз. Это свойство настолько характерно для членов семейства, что их называют «семь раз пересекающими рецепторами», или «серпантинными» рецепторами. По общей структуре все члены семейства серпантинных рецепторов похожи, однако все они отличаются друг от друга но способности связывать различные классы лигандов. Другое, также большое семейство поверхностных рецепторов, имеет единственный трансмембранный участок.

Цитоплазматический домен

После связывания лиганда активируется именно цитоплазматический домен рецептора. У некоторых рецепторов этот домен обладает ферментативной активностью (например, киназной). У других - внутриклеточный домен сам служит субстратом для других ферментов (например, киназ), которые расположены вблизи него. После связывания с лигандом рецептор фосфорилируется и активируется. У ряда рецепторов цитоплазматический домен может быть связан (ассоциирован) с другими белками, например G-белками.

Рецепторы, сопряженные с G-белками. Связывание лиганда с рецептором приводит к активации специфических G-белков. Активированный G-белок изменяет активность молекулярных мишеней, в частности, аденилатциклазы, фосфорилазы, ионных каналов и cGMP-фосфодиэстеразы. "гримерныхгуанозинтрифосфатаз (ГТФазы)

Высокоспецифичные рецепторы этого семейства реагируют на:

  • гормоны (адреналин, глюкагон, лютеинизирующий гормон, антидиуретический гормон и т.д.)
  • нейромедиаторы (ацетилхолини т.д.)

Световые импульсы;

Летучие пахучие вещества и т.д. (таблица 1).

Таблица 1. Примеры G-белков и их физиологических эффектов

Тип клетки

Эффектор

Адреналин, глюкагон

Клетки печени

Аденилатциклаза

Расщепление гликогена

Адреналин, глюкагон

Адипоциты

Аденилатциклаза

Расщепление жиров

Лютеинизирующий

Фолликулы яичников

Аденилатциклаза

Усиление синтеза эстро-

гена и прогестерона

Антидиуретический

Клетки почек

Аденилатциклаза

Задержка воды почками

Ацетилхолин

Клетки сердечной

Калиевый канал

Брадикардия и снижение

насосной силы

Энкефалины, эндор-

Нейроны головного

Кальциевые и калиевые

Изменение электрической

фины,опиоиды

каналы, аденилатциклаза

активности нейронов

Ангиотензин

Гладкомышечные клет

Фосфолипаза С

Мышечное сокращение;

ки кровеносных сосудов

повышение артериально

го давления

Пахучие вещества

Нейроэпителиальные

Аденилатциклаза

Распознавание запаха"^ э

клетки носа

Палочки и колбочки

cGMP-фосфодиэстераза

Распознавание зритель*

сетчатки

ных сигналов

Особенности строения рецепторов, сопряженных с G-белками:

N-концевой участок находится на наружной стороне клеточной мембраны, белок семь раз прошивает мембрану, цитоплазматический домен содержит участки связывания G-белка.

G-белки – это тримеры, состоящие из 3-субъединиц, которые могут варьировать. Эти белки не входят в состав мембран, а соединяются с одной стороны с липидами цитоплазматической стороны мембраны, с другой – с цитоплазматическим доменом. В неактивном состоянии G-белки образуют комплекс с ГДФ.

Известны 6 различных моделей распознавания лигандов рецепторами, сопряженными с G-бслками. На первом рисунке слева (рис.) схематически изображена молекула родопсина, рецептора, реагирующего на свет. Остальные пять моделей показывают связывание лигапда с различными участками рецептора, с внутримембранными доменами (А, Г); с наружной поверхностью рецептора (Б); с большим внешним N-концсвым доменом (В), с небольшим участком внешнего N-концсвого домена (Г), и с новым N-копцевым доменом, сформированным при расщеплении исходной последовательности (Д)

На рисунке представлен рецептор (receptor),

G- белок в комплексе с ГДФ, молекулярная мишень (amplifier), в качестве которой могут выступать ферменты, (аденилатциклаза, фосфорилаза), ионные каналы и т.д.

Связывание гормона с рецептором приводит к изменению конформации рецептора и увеличению его сродства к G-белку.

Образование комплекса гормон-рецептор- G-белок - ГДФ снижает сродство a-протомера G-белка к ГДФ и увеличивает сродство к ГТФ. ГДФ заменяется на ГТФ. Это вызывает диссоциацию комплекса на a - субъединица и ГТФ и bg - димер.

a - субъединица - ГТФ связывается с молекулой –мишенью.

Связывание a - субъединица - ГТФ с мишенью стимулирует повышение ГТФазной активности a-протомера.

Дефосфорилирование ГТФ в активном центре a-протомера снижает его сродство к молекуле – мишени и увеличивает сродство к bg - протомерам. В результате происходит объединение трех протомеров G-белка.

Более подробно рассмотрим ответ 2 –х форм G-белковых рецепторов на связывание с лигандами на примере гормонов.

В первом случае молекулярной мишенью, функция которой меняется в ответ на присоединение гормона к рецептору, является аденилатциклаза (аденилатциклазная система).

Последовательность событий, приводящих к активации аденилатциклазы (рис.)

Связывание гормона с рецептором приводит к изменению конформации рецептора и увеличению его сродства к G-белку. G-белок состоит из 3 протомеров a,bg G-белка и образует комплекс ГДФ. В результате образуется тройной комплекс гормон – рецептор – G- белок + GDP.

2. Образование этого комплекса снижает сродство a-протомера G-белка к ГДФ и увеличивает сродство к ГТФ. ГДФ заменяется на ГТФ. Это вызывает диссоциацию комплекса на a - субъединица и ГТФ и bg - димер.

3. a - субъединица - ГТФ связывается с аденилатциклазой. Это вызывает изменение ее конформации и активацию фермента. В результате увеличивается скорость образования цАМФ из АТФ.

4. Молекулы сАМР могут обратимо соединяться с регуляторными субъединицами протеинкиназы А. Неактивная протеинкиназа А - это тетрамер, состоящий из 2 каталитических и 2 регуляторных субъединиц - C2R2.

5. Присоединение сАМР к субъединицам R приводит к диссоциации комплекса регуляторных и каталитических субъединиц. Активная форма ПКА – свободные каталитические субъединицы, которые фосфорилирует специфические белки, что вызывает изменение активности белков и регулируемых ими процессов.

5. Связывание a - субъединица - ГТФ с аденилатциклазой стимулирует повышение ГТФазной активности a-протомера.

6. Дефосфорилирование ГТФ в активном центре a-протомера снижает его сродство к АЦ и увеличивает сродство к bg - протомерам. В результате происходит объединение трех протомеров G-белка.

В втором случае молекулярной мишенью, функция которой меняется в ответ на присоединение гормона к рецептору, является фосфолипаза С (и нозитолфосфатная система).

Последовательность событий, приводящих к актвации фосфолипазы С (и нозитолфосфатная система):

1. Связывание гормона с рецептором приводит к изменению его конформации и увеличению сродства к Gplc (олигомер abg-субъединицы). ,

2. Образование комплекса, a - протомер + ГТФ и bg - димер

4. a - протомер + ГТФ взаимодействует с фосфолипазой С и активирует ее. Субстратом этого фермента являет фосфатидилинозитолбисфосфат (ФИФ).

5. В результате гидролиза образуется и выходи в цитозоль гидрофильное вещество инозитол – 3 фосфат. Другой продукт этой реакции диацилглицерин (ДАГ), остается в мембране и участвует в активации фермента протеин киназы С (ПКС).

6. Инозитол-3-фосфат связывается специфическими центрами Са-канала мембраны ЭР. В результате чего изменяется конформация и он открывается. Са 2+ поступает в цитозоль. В отсутствие в цитозоле инозитол-3-фосфата канал закрыт.

7. Повышение концентрации Са2+ в цитозоле клетки приводит к его взаимодействию с 1. с неактивным цитозольным ферментом прот еинкиназой С. 2. с белком кальмодулином.

Иными словами, сигнал принятый рецептором клетки, раздваивается.

8 Взаимодействие с ПНС Са2+ приводит к изменению конформации фермента: к увеличению сродства центров связывания фермента к липидам клеточной мембраны - ДАГ и фосфатидилсерину (ФС). На внутренней стороне мембраны образуется форменный комплекс - - активная протеинкиназа С, которая меняет активность специфических ферментов, фосфорилируя их по серину и треонину.

9. В клетках тканей присутствует белок кальмодулин, который функционирует как внутриклеточный рецептор Са2+, он имеет 4 центра для связывания Са2+. Комплекс не обладает ферментативной активностью, но взаимодействие комплекса с различными белками и ферментами приводит к их активации.

10. Для снижения концентрации Са2+ в клетке до исходного уровня работают системы Са2+-АТРаз и транслоказ (антипорт).

11. Присутствующий в цитозоле ИФ-3 и ДАГ в мембране могут в результате серии реакций опять превращаться в ФИФ. Активная ПКС стимулирует образование ФИФ.

цАМФ может проникать в ядро и активировать белки, называемые CREB (c AMP r esponse e lement b inding protein). Эти белки могут связываться со специфическими регуляторными элементами ряда генов и запускать процесс транскрипции.

2. Рецепторы как ионные каналы. Связывание лиганда с рецепторным белком канала вызывает открытие капала, приводящее к входу или выходу необходимых ионов. Все известные ионные каналы могут находиться в двух конформационных состояниях:

1. канал открыт и ионы перемещаются по градиенту концентрации;

2. канал закрыт и не пропускает ионы.

Особенности строения ионных каналов

Мембранные белки ионных каналов состоят из четырех субъединиц (I-IV), каждая из которых включает шесть альфа - спиральных доменов, пронизывающих клеточную мембрану. Кроме того, N- и С-концы обоих каналов находятся в цитоплазме.

Выделяют четыре типа ионных каналов в зависимости от стимула, регулирующего их открытие и закрытие. Кальциевые каналы относятся к каналам, управляемым лигандом. Ионный канал открывается благодаря энергии связывания с лигандом (А). В каналах, управляемых фосфорилированием (Б), открытие происходит благодаря присоединению к ним высокоэнергетического фосфата. Каналы, управляемые электрически (В), открываются при изменении мембранного электрического потенциала. Механически управляемые каналы открываются в ответ на растяжение или давление на мембрану клетки и цитоскелет (Г).

Активность разных каналов может изменяться также под воздействием не только метаболических факторов, но токсинов и лекарственных веществ. Некоторые иммунные заболевания, такие как злокачественная миастения, возникают в результате выработки специфических антител против канальных белков.

А. Управляемый лигандом

Б. Управляемый фосфорилированием

В. Управляемый электрически

Г. Управляемый механически

3. Каталитические рецепторы.

Их достаточно много. Эти рецепторы обладают ферментативной активностью. Пример (рис). Трансмембранный каталитический рецептор инсулина, обладающий ферментативной активностью. Рецептор инсулина представляет собой тирозиновую протеинкиназу (ТП), т.е. протеинкиназу, фосфорилирующую белки по OH-группам тирозина.

Рецептор состоит из 2a и 2 b-субъединиц, связанных дисульфидными связями и нековалентными взаимодействиями. Вне мембраны находятся a-субъединицы. Центр связывания инсулина образуют N-концевые домены a-субъединиц, а b-субъединицы пронизывающие мембранный бислой, не участвуют в связывании инсулина.

Каталитический центр тирозиновой протеинкиназы находится на внутриклеточных доменах b-субъединиц. Присоединение инсулина к центру связывания на a-субъединицах единицах активирует фермент, причем субстратам служит сама ТП, т.е. происходит аутофосфорилирование: Фосфорилируются b-субъединицы по нескольким тирозиновым остаткам. Это, в свою очередь, приводит к изменению субстратной специфичности ТП; теперь она способна фосфорилировать другие внутриклеточные белки. Активация и изменение специфичности обусловлена информационными изменениями рецептора инсулина после связывания инсулина и аутофосфорилирования. Фосфорилирование внутриклеточных белков, участвующих в регуляции клеточных процессов, меняет их активность.

Механизм передачи сигнала, не связанный с поверхностными рецепторами клетки.

К рецепторам, не связанным с поверхностью клетки, относится семейство липофильных рецепторов.

Лигандами этого семейства являются:

Стероиды, например, глюкокортикоиды, минералокортикоиды и половые стероиды;

Тиреоидный гормон, тироксин;

Витамин D и ретиноиды, большая группа молекул, структурно родственных витамину А

Эти лиганды достаточно липофильны для того, чтобы пройти через липидный бислой и войти в цитозоль. Пустые рецепторы этого семейства часто находятся в цитозоле, где образуют комплексы с другими белками, или на ядерной мембране.

Строение цитоплазматического рецептора.

Цитозольные рецепторы находятся в составе крупных белковых комплексов - шаперонов. Эти рецепторы тоже обладают тремя функциональными доменами: С-концевой домен связывает гормон, центральный домен связывается с короткой специфической областью ДНК в области промотора, N- концевой домен связывается с другими факторами транскрипции.

На рисунке показана модель взаимодействия цитоплазматического рецептора со специфическими последовательностями, расположенными на обеих цепях ДНК. В данном представлении гормон, связанный с рецептором, не виден.

Этапы передачи сигнала с помощью внутриклеточных рецепторов (на примере стероидных гормонов).

Связывание гормона с рецептором приводит к высвобождению шаперонов, затем гормон -рецепторный комплекс транспортируется в ядро и связывается со специфическими последовательностями ДНК - энхансером или сайленсером.

Увеличивается (при взаимодействии с энхансером) или уменьшается (при взаимодействии с сайленсером) сродство промотора к РНК-полимеразе. Соответственно увеличивается или уменьшается скорость транскрипции структурных генов. Увеличивается или уменьшается скорость трансляции.

Изменяется количество белков, которые могут влиять на метаболизм и функциональное состояние клетки. Эффекты гормонов, которые передают сигнал на внутриклеточные рецепторы, нельзя наблюдать сразу, так как на матричные процессы - транскрипцию и трансляцию - требуется несколько часов..

ПРОНИЦАЕМОСТЬ И ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ В БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАНАХ

Проницаемость биологических мембран

Одна из важнейших функций биологической мембраны заключается в обеспечении обмена ионов и молекул между клеткой и окружающей средой. Способность биологических мембран пропускать через себя различные вещества называется проницаемостью . Изучение проницаемости клеток имеет большое значение, поскольку с данной функцией связаны практически все процессы жизнедеятельности клетки: метаболизм, генерация и проведение биопотенциалов, секреция, рецепция и т. д.

Транспорт веществ

Любая клетка очень точно поддерживает свой химический, в том числе и ионный состав. Постоянство ионного состава называется ионным гомеостазом и поддерживается за счёт транспорта веществ.

Транспорт веществ в организме можно разделить на три категории:

Дальний транспорт – перенос веществ между органами, его протяжённость в растениях может достигать нескольких десятков метров;

Ближний транспорт – перенос между соседними клетками;

Мембранный транспорт – перенос веществ через мембрану.

По энергетическим затратам мембранный транспорт можно разделить на 2 важнейших класса: активный и пассивный.

Пассивный транспорт не связан прямо с затратой химической энергии; он осуществляется в результате диффузии веществ в сторону меньшего электрохимического потенциала (где концентрация веществ и заряд меньше). Активный транспорт происходит при затрате химической энергии АТФ или переносе электрона по дыхательной цепи.


Виды пассивного транспорта веществ в клетках и тканях: диффузия, осмос.

Диффузия - основной механизм пассивного транспорта веществ, обусловленный наличием концентрационного градиента. Различают несколько видов диффузии:

1) простая диффузия, диффундирующее вещество движется по градиенту через мембрану, не образуя комплекса или проникая через канал;

2) облегченная диффузия , осуществляемая с помощью переносчиков - белков или молекулярных комплексов.

Простая диффузия- это самопроизвольный физический процесс проникновения вещества из области высокой в область меньшей его концентрации в результате теплового хаотического (броуновского) движения молекул.

С помощью простой диффузии через мембрану переносятся растворимые в липидах вещества, в частности такие хорошо растворимые в липидах и важнейшие для метаболического обмена вещества как кислород и углекислый газ. Через липидную фазу мембран в клетку могут проникать также яды и лекарства.

Математическое обоснование процесса диффузии впервые дал А. Фик. Согласно первому закону Фика поток вещества (J) прямо пропорционален градиенту концентрации dC/dx:

https://pandia.ru/text/78/170/images/image002_95.gif" width="433" height="56">

Учитывая это, формулу для потока вещества через мембрану можно записать в следующем виде:

https://pandia.ru/text/78/170/images/image004_68.gif" width="128" height="56">

Коэффициент проницаемости Р имеет размерность см/с и является количественной характеристикой способности конкретного вещества проникать через мембрану. Он аналогичен

коэффициенту диффузии (D), но зависит не только от природы вещества и температуры, но и от свойств мембраны.

DIV_ADBLOCK54">


Проникновение в клетку глюкозы, глицерина, аминокислот и некоторых других веществ не имеет линейной зависимости от их концентрации. Причем при определенных концентрациях скорость их проникновения значительно выше, чем при простой диффузии. Эта особенность объясняется тем, что в данном случае наблюдается не простая, а облегченная диффузия. Вещество самостоятельно диффундирует через мембрану, но скорость диффузии намного возрастает, если молекулы этого вещества образуют комплекс с молекулами переносчика, который хорошо растворяется в липидах. Молекулы-переносчики могут быть как подвижными, так и фиксированными в мембране - каналы .

Диффузия с участием переносчика, как и простая, происходит до тех пор, пока концентрация по обе стороны мембраны не станет одинаковой.

Разновидностью облегченной диффузии является так называемая обменная диффузия , при которой переносчик образует соединении с диффундирующим веществом и перемещается с ним от одной поверхности мембраны к другой, где молекула переносчика освобождается, ее место занимает другая молекула того же вещества и комплекс переносится обратно. При работе переносчиков в случае обменной диффузии концентрация веществ по обе стороны мембраны не изменяется. Существование обменной диффузии было доказано методом меченых атомов на эритроцитах, митохондриях и др.

Проникновение растворенных частиц, обладающих электрическим зарядом, через клеточную мембрану осуществляется по электрохимическому градиенту , а не по концентрационному.

Электрохимический потенциал – энергия, которую надо затратить для перемещения одного моля вещества из бесконечно удалённой точки пространства в данную точку с конкретными условиями.

Величина электрохимического потенциала описывается формулой:

где: - стандартный член;

Активность j-го иона

Химическая работа;

Парциальный моляльный обьем;

Механическая работа (работа по расширению объёиа)

Заряд иона;

Электрический потенциал;

Число Фарадея;

Электрическая работа.

Молекулы вещества всегда двигаются в сторону своего более низкого электрохимического потенциала.

Потенциал Нернста

Рассмотрим простую систему, представляющую собой два отсека, содержащие раствор соли (например, KCl) и разделённые мембраной, которая пропускает только катион, в нашем случае К+.

Растворы находятся в равновесии, это означает, что электрохимические потенциалы ионов в обоих отсеках одинаковы. Математически это будет выражаться уравнением:

Это уравнение, учитывая, что давления и моляльные объёмы вещества в обоих отсеках одинаковы, позволяет нам рассчитать разность электрических потенциалов между отсеками:

Это уравнение называется уравнением Нернста. Если учесть значения констант перед знаком логарифма, и вместо натуральных логарифмов использовать десятичные, то эту формулу можно записать в виде:

https://pandia.ru/text/78/170/images/image020_2.jpg" width="459" height="268">

Осмотическое давление раствора зависит от количества растворенных ионов и температуры. В соответствии с уравнением Вант-Гоффа осмотическое давление (π) раствора прямо пропорционально концентрации (С) растворенного вещества и абсолютной температуре раствора (T):

π = iRTC,

где i - изотонический коэффициент, зависящий от степени диссоциации электролита и показывающий, во сколько раз увеличивается количество растворенных частиц при диссоциации молекул; для неэлектролитов i = l, для электролитов i > 1; R - газовая постоянная.

Активный транспорт - движение против градиента электрохимического потенциала, осуществляемое с затратой химической энергии за счёт гидролиза АТФ или переноса электрона по дыхательной цепи.

Выделяют первично-активный и вторично-активный транспорт.

Рис. - Активный перенос ионов при работе транспортных АТФ-аз.

Транспорт называется первично-активным , если он осуществляется белками-переносчиками (они ещё называются ионными насосами), источником энергии для которых служат АТР, пирофосфат или субстраты, окисляемые в элек­трон-транспортных цепях митохондрий, хлоропластов.

Типичный пример первично-активного транспорта - активный транспорт ионов с помощью АТФ-аз.

Вторично-активным (сопряженным) транспортом называют процесс переноса ионов через мембрану против градиента его концентрации за счет энергии электро­химического градиента других ионов. Сопряженный транспорт может осуществлять­ся в режиме симпорта (оба иона переносятся через мембрану в одном направлении) или антипорта (ионы транспортируются в противоположных направлениях). Вторич­но-активный транспорт обеспечивает мембранный перенос моносахаридов, сахарозы, аминокислот, пептидов, анионов и ряда катионов. Для этой цели мембранные белки-переносчики чаще всего используют электрохимический градиент ионов водорода , со­здаваемый различными Н+-насосами.

Рис. - Сопряженный транспорт ионов и веществ через мембраны (Δφ - разность потенциалов, ΔрН - разность концентрации протонов)

Между пассивными и активными потоками в клетке существует взаимодействие, направленное на поддержание постоянства ионного состава клетки.

При блокировании энергетики клетки (пониженной температурой, ингибиторами, темнотой) интенсивность активного транспорта снижается, приток ионов из внешней среды уменьшается. Одновременно наблюдается возрастание электрического сопротивления мембраны в десятки раз. Это свидетельствует об уменьшении транспорта ионов по пассивным каналам, что предотвращает потерю ионов, находящихся в клетке.

Бимолекулярный слой фосфолипидов составляет основу любой клеточной мембраны. Непрерывность его определяет барьерные и механические свойства клетки. В процессе жизнедеятельности непрерывность бислоя может нарушаться с образованием структурных дефектов типа сквозных гидрофильных пор. Вполне естественно ожидать при этом. Изменяются при этом все функции клеточной мембраны, включая проницаемость и стабильность.

Фосфолипиды, составляющие основу клеточных мембран, относятся к жидким кристаллам. Как в любом реальном кристалле, в пленке из фосфолипидов могут быть дефекты, в месте которых и развиваются основные события структурных перестроек. Виды дефектов многообразны, но и наиболее естественным для бислоя является дефект типа сквозной гидрофильной поры.

В липидной бимолекулярной пленке клеточной мембраны поры появляются, если исключить чисто механические повреждения, в результате тепловых флуктуации поверхности бислоя, электрического пробоя, замораживания пленки, действия поверхностно-активных веществ, осмотического давления, перекисного окисления липидов и др. Один из наиболее типичных и хорошо изученных примеров дестабилизации биологических мембран - гемолиз эритроцитов. Это явление включает на начальном этапе набухание клеток в гипотонической среде в результате действия сил осмотического давления. Во время набухания клетки мембрана растягивается, что обусловливает рост мембранного натяжения. При определенном пороговом уровне натяжения появляются гидрофильные липидные поры. Размеры пор достаточны для выхода молекул гемоглобина и низкомолекулярных веществ. Выход веществ сопровождается в свою очередь снижением разности осмотического давления, при этом натяжение мембраны уменьшается и поры залечиваются. Белки цитоскелета позволяют эритроциту сохранить форму, при этом образуется так называемая тень эритроцита. Тень сохраняет осмотическую активность и таким образом процесс дестабилизации приобретает циклический характер. Полного механического разрушения клетки подобного мыльному пузырю в этом случае не происходит. В отсутствие цитоскелета или его недостаточного развития механическая прочность клетки целиком определяется судьбой липидных пор. Если пора имеет размер меньше критического, то она залечивается. В противном случае неограниченный рост поры приводит к разрушению мембраны.

Модель критической поры. Рассмотрим модель липидной поры (рис. 15). Будем считать, что боковая поверхность поры имеет форму кругового цилиндра. Более того, предположим, что боковая поверхность цилиндра изогнута и имеет радиус кривизны h/2. Радиус поры равен r. Как видно, липидный бислой в целом является плоским, а пора имеет два радиуса кривизны h/2 и r. Искривление поверхности на границе раздела липид-вода сопровождается появлением добавочного давления, называемого лапласовым и равного



P = 2s 1 /r

где s 1 - межфазное натяжение внутри поры, r- радиус кривизны.

Рис.15. Строение гидрофильной липидной поры: h -толщина липидного бислоя; h/2 - радиус кривизны стенки; r - радиус поры.

В рассматриваемой модели таких радиусов два (h/2 и r) и, следовательно, два давления. Одно из них Р (h/2) способствует расширению, а другое Р (r) - сжатию поры. Дальнейшая судьба поры зависит от соотношения этих двух давлений. Если Р (h/2) > Р (r), пора будет расширяться, а если Р (h/2) меньше Р (r), то пора будет затекать.

Рассмотрим энергетику поры. Как установлено выше, на границе поры действуют две противоположные силы, одна из которых - краевое линейное натяжение периметра поры - способствует росту поры, а вторая сила - поверхностное натяжение бислоя - вызывает сжатие поры. Краевая энергия поры пропорциональна первой степени радиуса и увеличивает суммарную энергию, энергия поверхностного натяжения пропорциональна квадрату радиуса и снижает суммарную энергию. В результате суммарная энергия Е (r) равна

E(r) = 2pr 2 s

где первый член определяется энергией кромки поры с линейным натяжением g, а второй - энергией поверхностного натяжения s.

С учетом неустойчивости равновесия можно утверждать, что появление пор с r>r* (r*=g/s) пора будет затекать и стабильность мембраны сохранится. Таков критерий стабильности липидной бислойной мембраны.

Электрический пробой мембраны. Биологические мембраны находятся под действием электрического поля большой напряженности, создаваемого диффузией ионов через мембрану и электрогенными ионными насосами. Разность потенциалов между цитоплазмой и внеклеточной средой достигает порядка 0,1 В, толщина мембраны не превышает 10 нм, значит напряженность поля равна 10 7 В/м. Мембрана является более совершенным электрическим изолятором, чем многие жидкие изоляторы, применяемые в технике. Мембранный потенциал в живой клетке может достигать 0,2 В (пресноводные водоросли, бактерии, энергизированные митохондрии). В возбудимых нервных и мышечных клетках происходит кратковременная реполяризация мембраны с ростом амплитуды потенциала. Однако пробой клеточной мембраны собственным мембранным потенциалом маловероятен. В то же время рост мембранного потенциала в результате воздействия внешним электрическим полем может достигать величины, превышающей пороговую для электрического пробоя. При этом появляются структурные дефекты типа сквозных липидных пор. Разработанная методика электрического пробоя клеточных мембран получила название электропорации и широко применяется в биотехнологии.

В физике под электрическим пробоем понимают резкое увеличение силы электрического тока в первоначально слабопроводящей среде. В живой клетке такой средой служит бимолекулярный слой липида. Для липидного бислоя в жидкокристаллическом состоянии величина мембранного потенциала не может быть меньше 0,23 В. Стабильность бислойных мембран определяется вероятностью появления пор критического радиуса. Очевидно, что любой фактор, снижающий высоту энергетического барьера, будет увеличивать эту вероятность. К таким факторам следует отнести сни­ение краевой энергии поры у, рост поверхностного натяжения и рост мембранного потенциала. Электрический пробой сопровождается появлением широкого спектра липидных пор различного радиуса, включая радиусы ионоселективных белковых каналов. В настоящее время метод воздействия внешним электрическим полем является одним из основных в современной биотехнологии. Известно его применение с целью увеличения пористости мембран (электропорация), введения ДНК (электротрансфекция), освобождение клеток от крупных молекул (электропермеабилизация), слияния клеток (электрослияние).

Температурный фазовый переход мембранных липидов. Замораживание липидного бислоя в результате фазового перехода из жидкокристаллического состояния в гель сопровождается появлением липидных пор. Очевидно, что, как и в случае с электрическим пробоем, судьбу мембраны будет определять соотношение радиусов образовавшихся пор и критических пор для данного состояния бислоя.

Критический радиус поры в гель-состоянии значительно меньше по сравнению с жидкокристаллическим состоянием и по абсолютной величине не превышает 2 нм. Сохранение длительной устойчивости липидного бислоя в гель-состоянии свидетельствует о том, что существующие поры и поры, возникающие при фазовом переходе, имеют размеры меньше 2 нм. Замораживание мембранных липидов в ходе фазового перехода, эквивалентно электрическому пробою мембраны внешним электрическим полем напряжением 0,5 В. Любое воздействие механической, физической или химической природы, затрагивающее поверхностное натяжение липидного бислоя, является фактором риска в стабилизации порсодержащих мембран. Развитие такого подхода позволяет получить количественный ответ на важный для биологии о вероятности разрушения или залечивания мембран при типичных стрессовых состояниях живой клетки.

Критический радиус пор в мембранах, находящихся в жидкокристаллическом состоянии при отсутствии внешних воздействий, достигает 9 нм. Эта величина настолько значительна, что вероятность механического разрыва клеточных мембран в физиологических условиях очень мала. Разрыв мембраны, находящейся в таком состоянии, возможен лишь тогда, когда пора приобретает размеры, соизмеримые с толщиной мембраны. Опыт показывает, что полное разрушение липидного бислоя возможно лишь при грубых механических манипуляциях или необратимом электрическом пробое липидов (жкс), гель-состоянии (гель), при электрическом пробое (эп), при сочетании гель-состояния с электрическим пробоем (гель+эп).

Размеры критических пор для липидного бислоя в жидкокристаллическом состоянии (9нм) значительно превышают размеры реальных пор. Мембраны в различных стрессовых состояниях обладают значительным запасом прочности, действие электрического пробоя и замораживания бислоя, аддитивно. Такой результат можно ожидать, следовательно, и при других сочетаниях физических и химических воздействий. Стрессовое воздействие таким образом, независимо от его физико-химической природы, может быть количественно оценено и его результат предсказан в рамках рассматриваемой модели. Модель формирования пор при фазовом переходе. Независимая оценка размера пор может быть получена путем исследования предложенной В.Ф. Антоновым и сотрудниками модели формирования пор. При фазовом переходе из жидкокристаллиеского состояния в гель по данным рентгеноструктурного анализа, происходит изменение толщины бислоя и площади на молекулу липида. Учитывая кооперативность фазового перехода, можно предположить, что молекулы в доменах, перешедших в гель-фазу, и остающихся в жидкокристаллическом состоянии, будут находиться в разных условиях. Относительно равновесного состояния молекулы в домене гель-фазы будут растянуты, а в жидкокристаллическом состоянии - сжаты. Появится упругое напряжение, которое приведет к нарушению структуры бислоя.

Липидные поры и проницаемость мембран. С точки зрения проницаемости липидные поры принципиально отличаются от белковых каналов своим происхождением и исключительной динамичностью. В то время как белковые каналы имеют строго определенные размеры, сохраняющиеся в течение всей жизни клетки, размеры лилидных пор в процессе затекания варьируют в широких пределах. Однако эта изменчивость; имеет предел. Если радиус поры меньше критического, то пора в процессе затекания должна пройти все промежуточные радиусы и достигнуть минимального размера. Вопрос о возможности полного затекания липидных пор остается открытым. Предполагается, что полному затягиванию поры препятствуют мощные силы гидратации, проявляющиеся при сближении стенок гидрофильных пор. Лшшдные поры в отличие от белковых ионных каналов не обладают выраженной избирательностью, что коррелирует с их сравнительно большими исходными размерами. Ясно, однако, что в процессе затекания липидные поры могут достигать сколь угодно малых размеров, в том числе сравнимых с размерами белковых ионных каналов, что может приводить к перераспределению ионных токов в мембране, например, при возбуждении. Известно далее, что после выключения стрессового воздействия бислойная липидная мембрана может вернуться в состояние с низкой проводимостью, что подразуевает достижение порами размера, недостаточного для прохождения гидратированных ионов. Таким образом, гидрофильные липидные поры универсальны в том отношении, что могут быть использованы клеткой для транспорта высокомолекулярных веществ, ионов и молекул воды.

Исследования проницаемости липидных пор развиваются в настоящее время в двух направлениях: в первом исследуются максимально большие поры, во втором, наоборот, - липидные поры минимального радиуса. В первом случае речь идет об электро-трансфекции - способе введения в живые клетки или липосомы молекул ДНК с целью переноса и внутриклеточного введения чужеродного генетического материала. Оказалось, что внешнее электрическое поле высокой напряженности способствует проникновению гигантской молекулы ДНК внутрь мембранной частицы. Максимальный размер критической поры соответствует жидкокристаллическому состоянию бислоя липидов в отсутствие внешнего электрического поля и равен 9 нм. Наложение внешнего электрического поля напряженностью 100 кВ/м понижает критический радиус поры до 1 нм за время 0,2 с. Поскольку при этом мембраны сохраняются, то размер липидных пор в них не превышает этого нижнего предела. Парадокс состоит в том, что эффективный диаметр статистического клубка ДНК, которая должна лопасть внутрь частицы, достигает 2000 нм. Поэтому молекула ДНК должна проникать через мембрану в виде расплетенной одиночной нити. Известно, что конец нити имеет диаметр 2 нм и таким образом только-только может войти в пору. Однако свободная диффузия нити ДНК в поре при этом вряд ли возможна. К сожалению, механизм этого явления до конца не ясен. Предполагается, в частности, что молекула ДНК способна расширить пору и таким образом проскользнуть через мембрану. Проникновению ДНК могут способствовать дополнительные силы электрофореза и электроосмоса с учетом суммарного отрицательного заряда молекулы ДНК. Не исключено, что поры с фиксированными в них концами молекулы ДНК играют роль якоря, удерживающего молекулу в определенном месте у поверхности мембраны везикулы, а сам процесс переноса является разновидностью пиноцитоза. Исследование этого интересного с точки зрения проницаемости явления продолжается,

Второе направление исследования проницаемости мембран с участием липидных пор связано с трансмембранным переносом молекул и ионов воды. Известное в биологии явление высокой водной проницаемости клеточных мембран полностью воспроизводится на искусственных липидных бислоях, что подразумевает участие в этом процессе гидрофильных липидных пор.

Основной вывод состоит в том, что стабильность липидного бислоя и клеточной мембраны, лишенной белкового каркаса, определяется липидными порами. Эти поры образуются в местах дефектов жидкокристаллической структуры липидного бислоя. Липидные поры возникают в результате тепловых флуктуации поверхности бислоя, а также могут рождаться при мембранном стрессе, сопровождающем фазовый переход мембранных липидов, при электрическом пробое и осмотическом лизисе. Судьба мембраны в этих случаях будет зависеть вероятностным образом от того, будет ли липидная пора превышать некоторый критический размер или нет. В первом случае мембрана порвется, во втором случае ее структура сохранится. При сохранении стабильности мембран поры залечиваются, пробегая при этом все промежуточные значения радиусов. Минимальные радиусы липидных пор могут стать сравнимыми с размерами избирательных белковых каналов, регулирующих в норме ионную проницаемость клеточных мембран. На последних этапах затекания липидные поры могут превращаться в водные поры, доступные только для молекул и ионов воды.

ПРОНИЦАЕМОСТЬ - способность клеток и тканей поглощать, выделять и транспортировать химические вещества, пропуская их через клеточные мембраны, стенки сосудов и клетки эпителия. Живые клетки и ткани находятся в состоянии непрерывного обмена хим. веществами с окружающей средой. Основным барьером (см. Барьерные функции) на пути движения веществ является клеточная мембрана. Поэтому исторически механизмы П. исследовались параллельно с изучением структуры и функции биологических мембран (см. Мембраны биологические).

Различают пассивную П., активный транспорт веществ и особые случаи П., связанные с фагоцитозом (см.) и пиноцитозом (см.).

В соответствии с мембранной теорией П. в основе пассивной П. лежат различные виды диффузии вещества через клеточные мембраны (см. Диффузия

где dm - количество вещества, диффундирующего за время dt через площадь S; dc/dx - градиент концентрации вещества; D - коэффициент диффузии.

Рис. 1. Молекулярная организация ионофорного антибиотика (валиномицина): а - структурная формула молекулы валиномицина, содержащей шесть правовращающих (D) и шесть левовращающих (L) аминокислот, все боковые группы [-СН 3 -СН (СН 3) 2 ] гидрофобны; б - схематическое изображение пространственной конфигурации комплекса валиномицина с ионом калия (в центре). Часть карбонильных групп комплекса образует водородные связи с атомами азота, а другие - координационные связи с катионом (ионом калия). Гидрофобные группы формируют внешнюю гидрофобную сферу комплекса и обеспечивают его растворимость в углеводородной фазе мембраны; 1 - атомы углерода, 2 - атомы кислорода, 3 - катион (ион калия), 4- атомы азота, 5 - водородные связи, 6 - координационные связи. Ион калия, «захваченный» молекулой валиномицина, переносится этой молекулой через мембрану клетки и высвобождается. Таким путем обеспечивается избирательная проницаемость клеточной мембраны для ионов калия.

При исследовании П. клетки для растворенного вещества вместо градиента концентрации употребляют понятие разности концентраций диффундирующего вещества по обе стороны мембраны, а вместо коэффициента диффузии - коэффициент проницаемости (Р), зависящий также от толщины мембраны. Одним из возможных путей проникновения веществ в клетку является растворение их в липидах клеточных мембран, что подтверждается существованием прямой пропорциональной зависимости между коэффициентом проницаемости большого класса хим. соединений и коэффициентом распределения вещества в системе масло - вода. В то же время вода не подчиняется этой зависимости, скорость ее проникновения значительно выше и не пропорциональна коэффициенту распределения в системе масло - вода. Для воды и растворенных в ней низкомолекулярных веществ наиболее вероятным способом П. является прохождение через мембранные поры. Т. о., диффузия веществ через мембрану может происходить путем растворения этих веществ в липидах мембраны; путем прохождения молекул через полярные поры, образуемые полярными, заряженными группами липидов и белков, а также путем прохождения через незаряженные поры. Особыми видами являются облегченная и обменная диффузии, обеспечиваемые белками и жирорастворимыми веществами-переносчиками, которые способны связывать переносимое вещество по одну сторону мембраны, диффундировать с ним через мембрану и освобождать его по другую сторону мембраны. Скорость переноса вещества через мембрану в случае облегченной диффузии значительно выше, чем при простой диффузии. Роль специфических переносчиков ионов могут выполнять некоторые антибиотики (валиномицин, нигерицин, моненсин и ряд других), получившие название ионофорных (см. Ионофоры). Расшифрована молекулярная организация комплексов ионофорных антибиотиков с катионами. В случае валиномицина (рис. 1) показано, что после связывания с катионом калия молекула пептида изменяет конформацию, приобретая вид браслета с внутренним диаметром ок. 0,8 нм, в к-ром ион калия удерживается в результате ион-дипольных взаимодействий.

Распространенным видом пассивной П. клеточных мембран для полярных веществ является П. через поры. Хотя непосредственное наблюдение пор в липидном слое мембраны представляет трудную задачу, экспериментальные данные свидетельствуют об их реальном существовании. В пользу реального существования пор свидетельствуют также данные об осмотических свойствах клеток. Величина осмотического давления в растворах, окружающих клетку, может быть рассчитана по формуле:

π=σ CRT,

где π - осмотическое давление; С - концентрация растворенного вещества; R - газовая константа; Т - абсолютная температура; σ - коэффициент отражения. Если скорость прохождения через мембрану молекулы растворенного вещества соизмерима со скоростью прохождения молекул воды, то величины сил будут близки к нулю (осмотическое изменение объема клетки отсутствует); если клеточная мембрана непроницаема для данного вещества, то величина σ стремится к 1 (осмотическое изменение объема клетки максимально). Скорость проникновения молекул через клеточную мембрану зависит от размеров молекулы и, таким образом, путем подбора молекул определенного размера и наблюдения за изменением объема клеток в растворе данного вещества можно определить размеры клеточных пор. Напр., мембрана аксона кальмара слабопроницаема для молекул глицерина, имеющих в радиусе ок. 0,3 нм, но проницаема для веществ с меньшими размерами молекул (табл.). Аналогичные эксперименты с другими клетками показали, что размеры пор в клеточных мембранах, в частности в мембранах эритроцитов, кишечной палочки, клеток эпителия кишечника и др., достаточно точно укладываются в пределах 0,6-0,8 нм.

Для живых клеток и тканей характерен и другой способ проникновения веществ в клетку и выхода из нее - активный транспорт веществ. Активный транспорт - это перенос вещества через клеточную (или внутриклеточную) мембрану (трансмембранный активный транспорт) или через слой клеток (трансцеллюлярный активный транспорт), протекающий против электрохимического градиента (см. Градиент). т. е. с затратой свободной энергии организма (см. Обмен веществ и энергии). Молекулярные системы, отвечающие за активный транспорт веществ, находятся в клеточной (или внутриклеточной) мембране. В цитоплазматических мембранах клеток, участвующих в активном транспорте ионов,- мышечных клетках, нейронах, эритроцитах, клетках почек - в значительных количествах находится фермент Na+, Независимая АТФ-аза, активно участвующий в механизмах переноса ионов (см. Транспорт ионов). Механизм функционирования этого фермента наиболее изучен на эритроцитах и аксонах, обладающих ярковыраженной способностью накапливать ионы калия и удалять (откачивать) ионы натрия. Предполагается, что эритроциты содержат молекулярное устройство - калиево-натриевый насос (калий-натриевая помпа), обеспечивающее избирательное поглощение ионов калия и избирательное удаление из клетки ионов натрия, а основным элементом этого насоса является Na + , К + -АТФ-аза. Изучение свойств фермента показало, что фермент активен только в присутствии ионов калия и натрия, причем ионы натрия активируют фермент со стороны цитоплазмы, а ионы калия - со стороны окружающего раствора. Специфическим ингибитором фермента является сердечный гликозид уабаин. Обнаружены и другие транспортные АТФ-азы, в частности, транспортирующие ионы Са +2 .

В мембранах митохондрий известна молекулярная система, обеспечивающая откачку ионов водорода,- фермент Н + -АТФ-аза, а в мембранах саркоплазматического ретикулума - фермент Са ++ -АТФ-аза. Митчелл (P. Mitchell) - автор хемиосмотической теории окислительного фосфорилирования в митохондриях (см. Фосфорилирование) - ввел понятие «вторичный транспорт веществ», который осуществляется за счет энергии мембранного потенциала и (или) градиента pH. Если для ионных АТФ-аз противоградиентное перемещение ионов и утилизация АТФ обеспечиваются одной и той же ферментной системой, то в случае вторичного активного транспорта эти два события обеспечиваются разными системами и могут быть разделены во времени и пространстве.

Проникновение в клетки крупных макромолекул белка, нуклеиновых к-т. клеточных ферментов и целых клеток осуществляется по механизму фагоцитоза (захвата и поглощения клеткой крупных твердых частиц) и пиноцитоза (захвата и поглощения частью клеточной поверхности окружающей жидкости с растворенными в ней веществами).

П. клеточных мембран имеет больше значение для функционирования клеток и тканей.

Активный транспорт ионов и сопутствующее ему поглощение воды в клетках почечного эпителия происходит в проксимальных канальцах почки (см. Почки). Через почки взрослого человека ежедневно проходит до 1800 л крови. Белки при этом отфильтровываются и остаются в крови, 80% солей и воды, а также вся глюкоза поступают обратно в кровяное русло. Считается, что первопричиной этого процесса является трансцеллюлярный активный транспорт ионов натрия, обеспечиваемый Na+ K+-зависимой АТФ-азой, локализованной в клеточных мембранах базального эпителия. Если в русле почечного проксимального канальца концентрация ионов натрия составляет ок. 100 ммоль/л, то внутри клетки она не превышает 37 ммолъ/л; вследствие этого пассивный поток ионов натрия направлен внутрь клетки. Пассивному проникновению катионов в цитоплазму способствует также наличие мембранного потенциала (внутренняя поверхность мембраны заряжена отрицательно). Т. о. внутрь клетки ионы натрия проникают пассивно в соответствии с концентрационным и электрическим градиентами (см. Градиент). Выход же ионов из клетки в плазму крови осуществляется против концентрационного и электрического градиентов. Установлено, что именно в базальной мембране и локализован натрий-калиевый насос, обеспечивающий удаление ионов натрия. Предполагается, что анионы хлора движутся вслед за ионами натрия по межклеточному пространству. В результате этого осмотическое давление плазмы крови возрастает, и вода из русла канальца начинает поступать в плазму крови, обеспечивая реабсорбцию соли и воды в почечных канальцах.

Для изучения пассивной и активной П. используются различные методы. Значительное распространение получил метод меченых атомов (см. Изотопы , Радиоактивные препараты , Радиоизотопное исследование). Для изучения ионной П. клеток используются изотопы 42 K, 22 Na и 24 Na, 45 Ca, 86 Rb, 137 Cs, 32 P и др.; для изучения П. воды - дейтериевая или тритиевая вода, а также вода, меченная по кислороду (18O); для изучения П. сахаров и аминокислот - соединения, меченные по углероду 14 C или сере 35 S; для изучения П. белков - иодированные препараты, меченные по 1 31 I.

Широко применяются при исследовании П. витальные красители. Сущность метода заключается в наблюдении под микроскопом скорости проникновения молекул красителя внутрь клетки. Для большинства витальных красителей (нейтральный красный, метиленовый синий, родамин и др.) наблюдения проводятся в видимой части спектра. Используются также флюоресцирующие соединения, и среди них флюоресцеин натрия, хлортетрациклин, мурексид и др. При исследовании мышц было показано, что П. молекул красителей зависит не только от свойств клеточной мембраны, но и от сорбирующей способности внутриклеточных структур, чаще всего белков и нуклеиновых к-т, с к-рыми красители связываются.

Для изучения П. воды и растворенных в ней веществ применяют осмотический метод. При этом с помощью микроскопа или измерения светорассеяния суспензии частиц наблюдают за изменением объема клеток в зависимости от тоничности окружающего р-ра. Если клетка находится в гипертоническом р-ре, то вода из нее переходит в раствор и клетка сжимается. Противоположный эффект наблюдается в гипотоническом р-ре.

Все чаще для изучения П. клеточных мембран применяют потенциометрические методы (см. Микроэлектродный метод исследования , Электропроводность биологических систем); широкий набор ионоспецифичных электродов позволяет исследовать кинетику транспорта многих неорганических ионов (калия, натрия, кальция, водорода и др.), а также некоторых органических ионов (ацетатов, салицилатов и др.). Все виды П. клеточных мембран в той или иной степени характерны для многоклеточных тканевых мембранных систем - стенок кровеносных сосудов, эпителия почек, слизистой оболочки кишечника и желудка. Вместе с тем для П. сосудов характерны некоторые особенности, проявляющиеся в нарушении сосудистой П. (см. ниже).

Патологическая физиология сосудистой проницаемости

Термином «сосудистая проницаемость» пользовались для обозначения гистогематического и транскапиллярного обмена, распределения веществ между кровью и тканями, тканевой П., гемолимфатического перехода веществ и других процессов. Некоторые исследователи применяют этот термин для обозначения трофической функции капилляро-соединительнотканных структур. Неоднозначность использования термина было одной из причин противоречивости взглядов по ряду вопросов, особенно касающихся регуляции сосудистой П. В 70-х гг. 20 в. термин «сосудистая проницаемость» стали использовать гл. обр. для обозначения избирательной проницаемости, или барьернотранспортной функции, стенок кровеносных микрососудов. Имеется тенденция к отнесению к сосудистой П. также и П. стенок не только микрососудов (кровеносных и лимфатических), но и крупных сосудов (вплоть до аорты).

Изменения сосудистой П. наблюдаются гл. обр. в форме повышения избирательной П. для макромолекул и клеток крови. Типичным примером этого является экссудация (см.). Понижение сосудистой П. связывают в основном с белковым пропитыванием и последующим уплотнением сосудистых стенок, что наблюдается, напр., при гипертонической болезни (см.).

Существует мнение о возможности нарушения П. сосудистой стенки преимущественно в направлении интерстиция или из интерстиция в кровь. Однако преимущественное движение веществ в ту или другую сторону относительно сосудистой стенки еще не доказывает его связь с состоянием барьерно-транспортной функции сосудистой стенки.

Принципы изучения нарушений сосудистой проницаемости

Оценку состояния сосудистой П. необходимо проводить с учетом того, что сосудистая стенка обеспечивает разграничение и функциональную связь двух смежных сред (крови и внутритканевой среды), являющихся основными компонентами внутренней среды организма (см.). Обмен между этими смежными средами в целом осуществляется за счет микрогемоциркуляции (см. Микроциркуляция), а сосудистая стенка с ее барьерно-транспортной функцией выступает лишь в качестве основы органной специализации гистогематического обмена. Поэтому метод изучения состояния сосудистой П. можно считать адекватным только тогда, когда он позволяет оценивать качественные параметры гистогематического обмена с учетом их органоспецифичности и независимо от состояния органной микрогемоциркуляции и характера обменных процессов, формирующихся вне сосудистой стенки. С этой точки зрения наиболее адекватным из существующих методов является электронно-микроскопический метод изучения сосудистой П., позволяющий прямым способом наблюдать пути и механизмы проникновения веществ через сосудистую стенку. Особенно плодотворным оказалось сочетание электронной микроскопии с так наз. трассирующими индикаторами, или трейцерами, метящими пути своего движения через сосудистую стенку. В качестве таких индикаторов могут быть использованы любые нетоксические вещества, выявляемые с помощью электронной микроскопии или специальных приемов (гистохимически, радиоавтографически, иммуноцитохимически и др.). С этой целью применяют железосодержащий белок ферритин, различные ферменты с пероксидазной активностью, коллоидный уголь (очищенную черную тушь) и т. д.

Из непрямых методов изучения состояния барьерно-транспортной функции стенок кровеносных сосудов наиболее широкое распространение получила регистрация проникновения через сосудистую стенку естественных или искусственных индикаторов, слабо или вообще не проникающих через стенку в условиях нормы. При нарушении микрогемоциркуляции, что часто наблюдается при нарушении сосудистой П., эти методы могут быть малоинформативными, и тогда следует сочетать их с методами контроля состояния микрогемоциркуляции, напр. с помощью биомикроскопии или легкодиффундирующих индикаторов, гистогематический обмен которых не зависит от состояния сосудистой П. и тканевого метаболизма. Недостатком всех непрямых методов, основанных на регистрации накопления индикаторных веществ за пределами сосудистого русла, является необходимость учета массы факторов, способных существенно повлиять на уровень индикатора в изучаемом участке. Кроме того, эти методы довольно инерционны и не позволяют изучать кратковременные и обратимые изменения сосудистой П., особенно в сочетании с изменением микрогемоциркуляции. Эти трудности удается частично преодолеть с помощью метода меченых сосудов, основанного на определении проникновения в сосудистую стенку слабодиффундирующего индикатора, накапливающегося в стенке и окрашивающего ее. Окрашенные (меченые) участки выявляются с помощью светового микроскопа и являются доказательством нарушения П. эндотелия. В качестве индикатора может быть использован коллоидный уголь, образующий легко выявляемые темные скопления в местах грубого нарушения эндотелиального барьера. Изменения активности микровезикулярного транспорта этим методом не регистрируются и необходимо применять другие индикаторы, переносимые через эндотелий микровезикулами.

Возможности изучения нарушений сосудистой П. в условиях клиники более ограниченны, т. к. большинство методов, основанных на использовании микромолекулярных легко диффундирующих индикаторов (в т. ч. и радиоизотопов), не позволяют однозначно судить о состоянии барьерно-транспортной функции стенок кровеносных сосудов.

Сравнительно широко применяют метод, основанный на определении количественных различий в содержании белка в пробах артериальной и венозной крови, взятых одновременно (см. Лендиса проба). При вычислении процента потери белка кровью в процессе ее перехода из артериального русла в венозное необходимо знать процент потери воды, который определяется по разнице в гематокрите артериальной и венозной крови. В своих исследованиях на здоровых людях В. П. Казначеев и А. А. Дзизинский (1975) в качестве показателей нормальной П. сосудов верхней конечности вывели следующие величины: для воды в среднем 2,4-2,6%, для белка 4-4,5% , т. е. при прохождении по сосудистому руслу 100 мл крови в лимф. русло поступает ок. 2,5 мл воды и 0,15-0,16 г белка. Следовательно, за сутки в организме человека должно образовываться не менее 200 л лимфы, что в десятки раз превышает реальную величину суточной лимфопродукции в организме взрослого человека. Очевидно, что недостатком метода является допущение, согласно к-рому различия в гематокрите артериальной и венозной крови объясняются лишь изменением содержания в крови воды за счет ее выхода за пределы сосудистого русла.

В клин. практике о состоянии регионарной сосудистой П. нередко судят по наличию внутритканевых или полостных скоплений свободной жидкости, богатой белком. Однако при оценке состояния сосудистой П., напр. в брюшной полости, может быть сделано ошибочное заключение, поскольку обменные микрососуды этих органов и тканей в норме характеризуются высокой П. для макромолекул благодаря прерывистости или пористости их эндотелия. Увеличение фильтрационного давления в таких случаях ведет к образованию богатого белком выпота. Особенно проницаемы для белковых молекул венозные синусы и синусоиды.

Следует отметить, что повышенный выход плазменных белков в ткань и развитие тканевого отека (см.) не всегда сопутствуют повышению сосудистой П. Микрососуды (капилляры и венулы), эндотелий которых в норме слабопроницаем для макромолекул, приобретают эндотелиальные дефекты; через эти дефекты легко выходят в подэндотелиальное пространство введенные в кровоток индикаторы - макромолекулы и микрочастицы. Однако признаки тканевого отека при этом отсутствуют - так наз. безотековая форма нарушения сосудистой проницаемости. Подобное явление наблюдается, напр., в мышцах животных при развитии в них нейродистрофического процесса, связанного с перерезкой двигательного нерва. Сходные изменения в тканях человека описаны, напр., при старении и сахарном диабете, когда образуются так наз. ацеллюлярные капилляры, т. е. обменные микрососу ды с частично или полностью слущенными эндотелиальными клетками (признаки тканевого отека при этом также отсутствуют). Все эти факты говорят, с одной стороны, об относительности связи тканевых отеков с повышением сосудистой П., а с другой - о существовании внесосудистых механизмов, ответственных за распределение воды и веществ между кровью и тканями.

Факторы нарушения сосудистой проницаемости

Факторы нарушения сосудистой проницаемости условно делят на две группы: экзогенные и эндогенные. Экзогенные факторы нарушения сосудистой П. различной природы (физической, химической и др.) в свою очередь делятся на факторы, непосредственно влияющие на сосудистую стенку и ее барьерно-транспортную функцию напр., гистамин, введенный в сосудистое русло, различные токсины и т. п.), и факторы нарушения П. непрямого действия, эффект которых опосредуется через эндогенные факторы.

К уже известным эндогенным факторам нарушения сосудистой П. (гистамин, серотонин, кинины) стали относить большое число других, в частности простагландины (см.), причем последние не только повышают сосудистую П., но и усиливают действие других факторов; многие из эндогенных факторов продуцируются различными ферментными системами крови (системой фактора Хагемана, системой комплемента и др.).

Повышают сосудистую П. и иммунные комплексы. Из фактора, ответственного за «отсроченное» повышение сосудистой П. при развитии феномена Артюса, Йосинага (1966) выделил псевдоглобулин; Куроянаги (1974) открыл новый фактор П., обозначенный им как Ig-PF. По своим свойствам он существенно отличается от гистамина, кининов, анафилатоксина и калликреина, действует дольше, чем гистамин и брадикинин, угнетается витаминами K1 и K2.

Многие факторы нарушения сосудистой П. продуцируются лейкоцитами. Так, с поверхностью нейтрофилов связана протеаза, образующая из белков плазмы нейтральный пептидный медиатор, повышающий соудистую П. Белковый субстрат протеазы имеет мол. вес (массу) 90 000 и отличается от кининогена.

В лизосомах и специфических гранулах клеток крови содержатся катионные белки, способные нарушать сосудистую П. Их действие опосредуется гистамином тучных клеток.

Различные эндогенные факторы нарушения сосудистой П. действуют в тканях одновременно или последовательно, вызывая в. сосудистой П. фазовые сдвиги. В связи с этим выделяют ранние, отсроченные и позд ние изменения сосудистой П. Ранняя фаза - фаза действия гистамина (см.) и серотонина (см.). Вторая фаза развивается после периода мнимого благополучия, спустя 1-3 часа после первичного повреждения - замедленная, или отсроченная фаза; ее развитие обусловливается действием кининов (см.) или простагландинов. Развитие этих двух фаз зависит от уровня комплемента и угнетается антикомплементарной иммунной сывороткой. Через сутки после повреждения развивается третья фаза, связываемая с действием цито- и протеолитических ферментов, освобождающихся из лизосом лейкоцитов и лимфоцитов. В зависимости от природы первичного повреждающего агента количество фаз может быть разным. В раннюю фазу сосудистая П. нарушается гл. обр. на уровне венул, в последующие фазы процесс распространяется на капиллярное русло и артериолы.

Рецепция факторов проницаемости сосудистой стенкой. Эндогенные факторы нарушения П. представляют наиболее важную группу причин нарушения сосудистой П. Отдельные из них находятся в тканях в готовом виде (гистамин, серотонин) и под влиянием различных патогенных воздействий освобождаются из депо, в роли которых выступают тучные клетки и клетки крови (базофилы, тромбоциты). Другие факторы являются продуктом разных биохим. систем как в месте первичного повреждения, так и на расстоянии от него.

Вопросы происхождения факторов П. сами по себе важны для решения практических задач профилактики и лечения нарушений сосудистой П. Однако появление фактора П. еще не достаточно для нарушения сосудистой П. Для того чтобы фактор П. стал действительно фактором нарушения сосудистой П., он должен быть «замечен», т. е. рецептирован, сосудистой стенкой (если только он не обладает деструктурирующей способностью подобно цитолитическим агентам). Известно, напр., что гистамин, введенный в общий кровоток, нарушает сосудистую П. лишь в определенных органах и тканях, тогда как в других тканях (головной мозг, легочная ткань, эндоневрий и др.) он не эффективен. У лягушек введение в сосудистое русло серотонина и брадикинина вообще не вызывает нарушения сосудистой П. Однако причины неэффективности гистамина в обоих случаях различны.

По современным данным, эндотелий обменных микрососудов теплокровных животных и человека обладает чувствительностью к большому числу разнообразных агентов, т. е. характеризуется высокой рецепторной способностью. Что касается гистамина - одного из основных факторов П., вызывающего острое и значительное (хотя и кратковременное) нарушение сосудистой П., то экспериментальные данные говорят о наличии в эндотелии двух типов гистаминовых рецепторов H1 и H2, играющих разную роль в механизме действия гистамина. Именно стимуляция H1-рецепторов приводит к нарушению сосудистой П., характерному для действия гистамина.

При действии некоторых эндогенных факторов П., в частности гистамина, наблюдается тахифилаксия (см.) и повторное применение (через 30 мин.) агента уже не нарушает сосудистую П. Подобная временная нечувствительность эндотелия микро-сосудов не объясняется временной блокадой соответствующих рецепторов, хотя в некоторых случаях это и может быть. В случае с гистамином механизм тахифилаксии, по нек-рым сведениям, имеет внерецепторную локализацию. Это доказывается, в частности, фактом развития перекрестной тахифилаксии, когда применение гистамина ведет к развитию устойчивости эндотелия не только к самому гистамину, но и к солям лантана, действующим в обход рецепторов. Возникновение перекрестной тахифилаксии может быть одной из причин неэффективности отдельных факторов П., действующих одновременно или последовательно.

Ультраструктурные основы и эффекторные механизмы нарушения сосудистой проницаемости

Рис. 2. Пути и механизмы транскапиллярного обмена веществ в условиях нормы (а) и патологии (б): 1 - трансцеллюлярная диффузия; 2 - диффузия и ультрафильтрация в области плотных межклеточных соединений; 3 - диффузия и ультрафильтрация в области простых межклеточных соединений; 4 - микровезикулярный транспорт в обход плотных межклеточных соединений; 3а и 4а - патологические межклеточные каналы типа «гистаминовых щелей»; 5 - микровезикулярный транспорт; 6 - образование трансцеллюлярного канала путем слияния микровезикул; 7 - фагоцитарные вакуоли в перицитах; 8 - микрочастицы индикатора сосудистой проницаемости (БМ - базальная мембрана, ЭН1, ЭН2, ЭН3 - эндотелиоциты, ПЦ - перициты).

Электронно-микроскопическими исследованиями выявлено, что морфол. основой повышения сосудистой П. является образование широких каналов в области межклеточных соединений в эндотелии (рис. 2). Такие каналы, или «течи», часто называют гистаминовыми щелями, т. к. их образование типично для действия на сосудистую стенку гистамина и впервые подробно изучено именно при его действии. Гистаминовые щели образуются гл. обр. в стенках венул тех органов и тканей, где отсутствуют малопроницаемые гистогематические барьеры типа гематоэнцефалического и др. Локальные расхождения межклеточных контактов обнаружены при нейрорегуляторных расстройствах, механических, термических, химических и других видах повреждений тканей, при действии различных биорегуляторов (серотонина, брадикинина, простагландинов Е1 и Е2 и т. д.). Нарушение межклеточных контактов возникает, хотя и с большим трудом, в капиллярах и артериолах и даже в более крупных сосудах. Легкость образования гистаминовых щелей прямо пропорциональна исходной структурной слабости межклеточных соединений, к-рая возрастает при переходе от артериол к капиллярам и от капилляров к венулам, достигая максимума на уровне посткапиллярных (перицитарных) венул.

Неэффективность гистамина в нарушении сосудистой П. некоторых органов хорошо объясняется именно с точки зрения развития плотных соединений в эндотелии микрососудов этих органов, напр. мозга.

В теоретическом и практическом отношении важен вопрос об эффекторных механизмах, лежащих в основе образования структурных дефектов типа гистаминовых щелей. Эти ультраструктурные сдвиги типичны именно для начальной фазы острого воспаления (см.), когда, по данным И. И. Мечникова (1891), повышение сосудистой П. биологически целесообразно, т. к. благодаря этому обеспечивается повышенный выход фагоцитов к очагу повреждения. Можно добавить, что повышенный выход плазмы в таких случаях также целесообразен, т. к. при этом в очаг доставляются антитела и средства неспецифической защиты. Т. о., повышение сосудистой П. в очаге воспаления можно рассматривать как специфическое состояние барьерно-транспортной функции стенок микро-сосудов, адекватное новым условиям существования ткани, а изменение сосудистой П. при воспалении и сходных ситуациях - не как нарушение, а как новое функциональное состояние, способствующее восстановлению нарушенного тканевого гомеостаза. Следует учитывать, что в некоторых органах (печень, селезенка, костный мозг), где в соответствии с особенностями органных функций существует непрерывный обменный поток клеток и макромолекул, межклеточные «течи» являются нормальными и постоянными образованиями, представляющими собой утрированные гистаминовые щели, но в отличие от истинных гистаминовых щелей способны к длительному существованию. Истинные гистаминовые щели образуются в первые же секунды после воздействия на эндотелий медиаторов острого воспаления и в большинстве своем через 10-15 мин. закрываются. Механизм образования гистаминовых щелей имеет защитный, филогенетически обусловленный характер и связан со стереотипной реакцией на клеточном уровне, запускаемой стимуляцией разных типов рецепторов.

Природа этой стереотипной реакции долго оставалась неизученной. И. И. Мечников считал, что повышение сосудистой П. при воспалении связано с сокращением эндотелиальных клеток. Однако позже было установлено, что эндотелиоциты в сосудах теплокровных не относятся к категории клеток, активно меняющих свою форму подобно мышечным. Роули (D. A. Rowley, 1964) высказал предположение, что расхождение эндотелиоцитов является следствием повышения внутрисосудистого давления и связанного с этим перерастяжения эндотелия. Прямые измерения доказали неприемлемость этой гипотезы в отношении венул и капилляров, однако для артериальных сосудов она имеет определенную ценность, т. к. при нарушении тонической активности мышечной оболочки высокое внутрисосудистое давление действительно способно вызвать перерастяжение эндотелия и повреждение межклеточных контактов. Но и в этом случае появление гистаминовых щелей в интиме не всегда связано с действием трансмурального давления. Робертсон и Кайраллах (A. L. Robertson, P. A. Khairallah, 1972) в опытах на изолированном сегменте брюшной аорты кролика показали, что широкие щели в эндотелии образуются под влиянием ангиотензина II в местах округления и укорочения эндотелиоцитов. Сходные морфол. сдвиги обнаружены и в эндотелии обменных микрососудов кожи при местном применении ангиотензина II, простагландина Е1 и сывороточных триглицеридов.

О. В. Алексеев и А. М. Чернух (1977) обнаружили у эндотелиоцитов обменных микрососудов способность, к быстрому увеличению содержания в цитоплазме микрофибриллярных структур, сходных по своим морфол. признакам с актиновыми микронитями. Этот обратимый феномен (так наз. феномен оперативной структурализации микрофибриллярного аппарата) развивается под влиянием факторов, вызывающих образование широких межклеточных щелей. Обратимость феномена в случае применения гистамина затрудняет его выявление и хорошо объясняет кратковременность и обратимость существования гистаминовых щелей. С помощью цитохалазина-Б, блокирующего образование актиновых микро-фибрилл, выявляется патогенетическое значение данного феномена в механизме образования межклеточных гистаминовых щелей. Эти факты говорят о наличии у эндотелиоцитов скрытой способности к сокращению, реализующейся в условиях, когда прежний уровень сосудистой П. оказывается неадекватным и требуется сравнительно быстрое и обратимое его изменение. Изменение сосудистой П. выступает, т. о., как особый акт биол. регуляции, обеспечивающий адаптацию барьерно-транспортной функции сосудистого эндотелия в соответствии с новыми местными потребностями, остро возникшими в связи с изменением условий жизнедеятельности ткани.

Наличие в тканях механизма изменения сосудистой П. можно отнести к так наз. факторам риска, т. к. срабатывание этого механизма в неадекватных условиях может стать причиной нарушения тканевого гомеостаза и органной функции, а не проявлением действия адаптационно-защитных механизмов. Основные пути нарушения сосудистой П. представлены на схеме. В основе изменения сосудистой П. лежат механизмы, не только приводящие к образованию межклеточных каналов (гистаминовых щелей), но и влияющие на активность клеточной поверхности (т. е. на микровезикуляцию и микровезикулярный транспорт, вакуолизацию и микропузыреобразование). Результатом может быть перфорация эндотелиоцитов с образованием более или менее обширных и долговременных трансцеллюлярных каналов.

Большое значение в механизмах нарушения сосудистой П. придается локальным изменениям поверхностного электрического заряда, особенно на мембранах, закрывающих поры в фенестрированных капиллярах (напр., почечных клубочков). По нек-рым данным, одно только изменение заряда может быть основой повышения выхода белков из клубочковых капилляров. Т. о. доказывается ограниченность теории пор, в соответствии с к-рой П. зависит лишь от размера и соотношения гипотетических крупных и мелких пор в стенках сосудов. В условиях патологии эффект повышения пористости эндотелия может достигаться разными путями: образованием межклеточных каналов типа гистаминовых щелей; усилением микровезикулярного и интравакуолярного транспорта; перфорацией эндотелиоцитов на основе усиления микровезикуляции, вакуолизации или микропузыреоб разования в эндотелии; микроочаговой деструкцией эндотелиоцитов; слущиванием эндотелиоцитов; изменением физ.-хим. свойств поверхности эндотелиоцитов и др. (см. Микроциркуляция ]]). Этот же эффект может быть достигнут и за счет внестеночных механизмов, в частности за счет изменения связывательной способности макромолекул крови, с к-рыми взаимодействуют почти все известные индикаторы, используемые для оценки состояния сосудистой П. В условиях патологии чаще всего одновременно или последовательно действуют разные из перечисленных механизмов. Так, напр., гистамин повышает пористость сосудистой стенки за счет образования гистаминовых щелей в эндотелии венул, а также путем влияния на поверхность эндотелиоцитов и связанные с ее активностью транспортные процессы и ультраструктурные трансформации (образование трансцеллюлярных пор, фенестр, микроканальцев и др.). Необходимо учитывать, что при этом часто меняется толщина эндотелиоцитов и глубина межклеточных щелей, что может оказывать существенное влияние на проницаемость сосудистой стенки как диффузионного барьера. Совершенно не изучен вопрос о поведении в условиях патологии биохим. механизмов, препятствующих или, наоборот, способствующих проникновению через сосудистую стенку веществ, особенно биологически активных. Известно, напр., что эндотелиоциты мозговых капилляров в норме обладают ферментативной активностью, разрушающей серотонин и тем самым препятствующей его проникновению как из крови в мозг, так и в обратном направлении. Эндотелий легочных капилляров содержит кининазу II, локализуемую в микропиноцитозных везикулах и обеспечивающую разрушение брадикинина и одновременно превращение ангиотензина I в ангиотензин II (гипертензии). Т. о., эндотелий осуществляет своеобразный контроль баланса гуморальных биорегуляторов, активно влияет на гистогематический обмен этих агентов.

Направленное вмешательство осуществляется на трех уровнях (см. схему). Первый уровень - воздействие на процесс образования причинных (рецептируемых) факторов - практически не используется, хотя имеются отдельные медикаментозные средства, способные действовать именно на этом уровне. Напр., резерпин влияет на депонирование факторов нарушения П. в тучных клетках, представляющих собой основной источник медиаторов острого воспаления (гистамина и серотонина); антипростагландиновые средства угнетают синтез простагландинов - ацетилсалициловая кислота и др.

Второй уровень является основным в практике разработки средств профилактики и лечения нарушений сосудистой П. Он соответствует процессу рецепции причинного фактора. Используется значительное число антигистаминовых, антисеротониновых и антибрадикининовых препаратов, предупреждающих нарушения сосудистой П., вызываемые соответствующими медиаторами. Достоинством и в то же время недостатком данных препаратов, действующих путем блокады специфических рецепторов, является их высокая специфичность. Такая специфичность делает их неэффективными в условиях множественности этиол. факторов, действующих одновременно или последовательно, что обычно наблюдается в клин. практике. Важно и то, что исключение действия одного фактора или нескольких, определяющих развитие одной фазы нарушения сосудистой П., не исключает развитие последующих фаз. Эти недостатки могут быть преодолены путем вмешательства на третьем уровне.

Третий уровень - воздействие на внутриклеточные (субклеточные) эффекторные механизмы, через которые непосредственно реализуется действие факторов П., причем единые для действия различных патогенных агентов. Реальность и эффективность такого подхода удается продемонстрировать в эксперименте путем применения вещества (цитохалазина-Б), угнетающего феномен оперативной структурализации микрофибриллярного аппарата в эндотелиоцитах (образование актинового геля и актиновых микрофибрилл).

В клин. практике с целью нормализации повышенной сосудистой П. используют витамин Р (см. Биофлавоноиды) и соли кальция. Однако эти препараты не могут рассматриваться как специфические леч. средства при нарушении сосудистой П., хотя они и оказывают общеукрепляющее влияние на гистогематические барьеры, мембраны и стенку сосудов в частности.

Для повышения сосудистой П. могут быть использованы различные эндогенные факторы П., напр. гистамин, или вещества, освобождающие их из тканевых депо.

Библиография: Алексеев О. В. Микроциркуляторный гомеостаз, в кн.: Гомеостаз, под ред. П. Д. Горизонтова, с. 278, М., 1976; Антонов В. Ф. Липиды и ионная проницаемость мембран, М., 1982; Биологические мембраны, под ред. Д. С. Парсонса, пер. с англ., М., 1978; Д е Робер тис Э., Новинский В. и С а э с Ф. Биология клетки, пер. с англ., М., 1967; Живая клетка, пер. с англ., под ред. Г. М. Франка, с. 130, М., 1962; К а з-начеевВ.П. и Д з и з и н с к и й А. А. Клиническая патология транскапиллярного обмена, М., 1975; Лайт фут Э. Явления переноса в живых системах, пер. с англ., М., 1977; Л а к ш м ин а р а я н а й а х Н. Мембранные электроды, пер. с англ., Л., 1979; Лев А. А. Моделирование ионной избирательности клеточных мембран, Л., 1976; Овчинников Ю. А., Иванов В. Т. и III к р о б А. М. Мембранно-активные комплексоны, М., 1974; Структура и функция клетки, пер. с англ., под ред. Г. М. Франка, с. 173, М., 1964; Трошин А. С. Проблема клеточной проницаемости, М. - Л., 1956; Чернух А. М., Александров П. Н. и Алексеев О. В. Микроциркуляция, М., 1975; Di Rosa М., Giroud J. Р. а. W 1 1-loughby D. A. Studies of the media-tors of the acute inflammatory response induced ln rats in different sites by carra-geenan and turpentine, J. Path., v. 104, p. 15, 1971; M a j n о G. а. P а 1 a-de G. E. Studies on inflammation, I. The effect of histamine and serotonin on vascu-lar permeability, an electron microscopic study, J. biophys. biochem. Cytol., v. 11, p. 571, 1961; M a j n о G., S h e a S. M. a. Leventhal M. Endothelial cont-raction induced by histamine-type medi-ators, J. Cell Biol., v. 42, p. 647, 1969: Shimamoto T. Contraction of endothelial cells as a key mechanism in athero-genesis and treatment of atherosclerosis with endothelial cell relaxants, в кн.: Atherosclerosis III, ed. by G. Schettler a. A. Weizel, p. 64, В.-N. Y., 1974.

B. Ф. Антонов; О. В. Алексеев (пат. физ.).

А. Терминология. В настоящее время различные авторы по-разному трактуют термины «проницаемость» и «проводимость». Под проницаемостью клеточной мембраны мы понимаем ее спо­собность пропускать воду и частицы - заряженные (ионы) и неза­ряженные согласно законам диффузии и фильтрации. Проницае­мость клеточной мембраны определяется следующими факторами: 1) наличием в составе мембраны различных ионных каналов -управляемых (с воротным механизмом) и неуправляемых (каналы утечки); 2) размерами каналов и размерами частиц; 3) растворимо­стью частиц в мембране (клеточная мембрана проницаема для рас­творимых в ней липидов и непроницаема для пептидов).

Термин «проводимость» следует использовать только приме­нительно к заряженным частицам. Следовательно, под проводи­мостью мы понимаем способность заряженных частиц (ионов) проходить через клеточную мембрану согласно электрохимиче­скому градиенту (совокупность электрического и концентрацион­ного градиентов).

Как известно, ионы, подобно незаряженным частицам, перехо­дят через мембрану из области с высокой концентрацией в об­ласть с низкой концентрацией. При большом градиенте концен­трации и хорошей проницаемости мембраны, разделяющей соот­ветствующие растворы, проводимость ионов может быть высо­кая, при этом наблюдается односторонний ток ионов. Когда кон­центрация ионов по обе стороны мембраны уравняется, проводи­мость ионов уменьшится, односторонний ток ионов прекратится, хотя проницаемость сохранится прежней - высокой. Кроме того, проводимость иона при неизменной проницаемости мембраны зависит и от заряда иона; одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются, т.е. важную роль в проводимости иона играет его электрический заряд. Возможна ситуация, когда при хорошей проницаемости мембраны проводимость ионов че­рез мембрану оказывается низкой или нулевой, - в случае отсут­ствия движущей силы (концентрационного и /или электрического градиентов).

Таким образом, проводимость иона зависит от его электрохи­мического градиента и от проницаемости мембраны; чем они больше, тем лучше проводимость иона через мембрану. Перемеще­ния ионов в клетку и из клетки согласно концентрационному и электрическому градиентам в состоянии покоя клетки осуществля­ются преимущественно через неуправляемые (без воротного меха­низма) каналы (каналы утечки). Неуправляемые каналы всегда от­крыты, они практически не меняют своей пропускной способности при электрическом воздействии на клеточную мембрану и ее воз­буждении. Неуправляемые каналы подразделяются на ионоселективные каналы (например, калиевые медленные неуправляемые каналы) и иононеселективные каналы. Последние пропускают различные ионы; К+, Ка + , С1".



Б. Роль проницаемости клеточной мембраны и различных ионов в формировании ПП (рис. З.2.).

Сосуд разделен полупроницаемой мем­браной. Обе его половины заполнены раствором Кг5О4 различной концентрации (С| и Сг), причем С] < С2. Мембрана проницаема для иона К + и непроницаема для 8С>4 2 ~. Ионы К + перемещаются согласноконцентрационному градиенту из рас­твора Саврасгвор С|. Поскольку ионы 8О4 ~ не могут пройти в раствор С], где их концентрация тоже ниже, мембрана поляризуется и между двумя ее по­верхностями возникает разность элек­трических потенциалов, соответст­вующая равновесному калиевому по­тенциалу (Ек)- Ионы Йа* и К + в живой клетке, на­ходящейся в состоянии покоя, также перемещаются через мембрану соглас­но законам диффузии, при этом К + из клетки выходит в значительно боль­шем количестве, чем входит Ка + в клетку, поскольку проницаемость кле­точной мембраны для К* примерно в 25 раз больше проницаемости для Ка + . Органические анионыиз-за своих больших размеров не могут выхо­дить из клетки, поэтому внутри клет­ки в состоянии покоя отрицательных ионов оказывается больше, чем положительных. По этой причине клетка изнутри имеет отрица­тельный заряд. Интересно, что во всех точках клетки отрицатель­ный заряд практически одинаков. Об этом свидетельствует оди­наковая величина ПП при введении микроэлектрода на разную глубину внутрь клетки, как это имело место в опытах Ходжкина, Хаксли и Катца. Заряд

внутри клетки является отрицательным как абсолютно (в гиалоплазме клетки содержится больше анио­нов, чем катионов), так и относительно наружной поверхности клеточной мембраны.

Калий является главным ионом, обеспечивающим формирова­ние ПП. Об этом свидетельствуют результаты опыта с перфузией внутреннего содержимого гигантского аксона кальмара солевыми растворами. При уменьшении концентрации ионов К + в перфуза-те ПП снижается, при увеличении их концентрации ПП повыша­ется. В состоянии покоя клетки устанавливается динамическое равновесие между числом выходящих из клетки и входящих в клетку ионов К + . Электрический и концентрационный градиенты противодействуют друг другу: согласно концентрационному гра­диенту К + стремится выйти из клетки, отрицательный заряд внут­ри клетки и положительный заряд наружной поверхности клеточ­ной мембраны препятствуют этому. Когда концентрационный и электрический градиенты уравновесятся, число выходящих из клетки ионов К + сравнивается с числом входящих ионов К + в клетку. В этом случае на клеточной мембране устанавливается так называемый равновесный потенциал.

Равновесный потенциал для иона можно рассчитать по формуле Нернста. Концентрация положительно заряженного иона, находя­щегося снаружи, в формуле Нернста записывается в числителе, а иона, находящегося внутри клетки, - в знаменателе. Для отрица­тельно заряженных ионов расположение противоположное.

Вклад Na + и Cl - в создание ПП. Проницаемость клеточной мем­браны в покое для иона N3+ очень низкая, намного ниже, чем для иона К + , тем не менее она имеется, поэтому ионы Ка* согласно концентрационному и электрическому градиентам стремятся и в небольшом количестве проходят внутрь клетки. Это ведет к умень­шению ПП, так как на внешней поверхности клеточной мембраны суммарное число положительно заряженных ионов уменьшается, хотя и незначительно, а часть отрицательных ионов внутри клетки нейтрализуется входящими в клетку положительно заряженными ионами Nа + . Вход иона Na+ внутрь клетки снижает ПП. Влияние СГ на величину ПП противоположно и зависит от проницаемости кле­точной мембраны для ионов СГ. Дело в том, что ион СГ, согласно концентрационному градиенту, стремится и проходит в клетку. Препятствует входу иона СГ в клетку электрический градиент, по­скольку заряд внутри клетки отрицательный, как и заряд СГ. На­ступает равновесие сил концентрационного градиента, способст­вующего входу иона СГ в клетку, и электрического градиента, пре­пятствующего входу иона СГ в клетку. Поэтому внутриклеточная концентрация ионов СГ значительно меньше внеклеточной. При поступлении иона СГ внутрь клетки число отрицательных зарядов вне клетки несколько уменьшается, а внутри клетки увеличивается: ион СГ добавляется к крупным, белковой природы анионам, нахо­дящимся внутри клетки. Эти анионы из-за своих больших размеров не могут пройти через каналы клеточной мембраны наружу клетки - в интерстиций. Таким образом, ион СI - , проникая внутрьклетки, увеличивает ПП. Частично, как и вне клетки, ионы № + и С1" внутри клетки нейтрализуют друг друга. Вследствие этого со­вместное поступление ионов Ка + и С1~ внутрь клетки не сказывается существенно на величине ПП.

В. Определенную роль в формировании ПП играют поверх­ностные заряды самой клеточной мембраны и ионы Са 2+ . На­ружная и внутренняя поверхности клеточной мембраны несут собственные электрические заряды, преимущественно с отрица­тельным знаком. Это полярные молекулы клеточной мембра­ны: гликолипиды, фосфолипиды, гликопротеиды. Фиксиро­ванные наружные отрицательные заряды, нейтрализуя поло­жительные заряды внешней поверхности мембраны, снижают ПП. Фиксированные внутренние отрицательные заряды кле­точной мембраны, напротив, суммируясь с анионами внутри клетки, увеличивают ПП.

Роль ионов Са 2+ в формировании ПП заключается в том, что они взаимодействуют с наружными отрицательными фиксиро­ванными зарядами мембраны клетки и нейтрализуют их, что ве­дет к увеличению и стабилизации ПП.

Таким образом, ПП - это алгебраическая сумма не только всех зарядов ионов вне и внутри клетки, но также алгебраическая сумма отрицательных внешних и внутренних поверхностных за­рядов самой мембраны.

При проведении измерений потенциал окружающей клетку среды принимают равным нулю. Относительно нулевого потен­циала внешней среды потенциал внутренней среды нейрона, как отмечалось, составляет величину порядка -60-80 мВ. Поврежде­ние клетки приводит к повышению проницаемости клеточных мембран, в результате чего различие проницаемости для ионов К + и N3+ уменьшается. ПП при этом снижается. Подобные из­менения встречаются при ишемии ткани. У сильно поврежден­ных клеток ПП может снизиться до уровня донанновского рав­новесия, когда концентрация внутри и вне клетки будет опреде­ляться только избирательной проницаемостью клеточной мембраны в состоянии покоя клетки, что может привести к на­рушению электрической активности нейронов. Однако и в нор­ме происходит перемещение ионов согласно электрохимическо­му градиенту, однако ПП не нарушается.