Смирнов В.М. Физиология человека: Учебник

Подождите немного. Документ загружается.

имеется в мембранах всех клеток и создает

характерный признак живого — градиент

концентрации Na

и К

внутри и вне клетки,

что обеспечивает формирование мембранно-

го потенциала и вторичный транспорт ве-

ществ. Главными активаторами насоса явля-

ются гормоны (альдостерон, тироксин), не-

достаток энергии (кислородное голодание)

ингибирует насос. Его специфическими бло-

каторами являются строфантины, особенно

уабаин. Работа натриевого насоса после уда-

ления К

из среды сильно нарушается.

Кальциевый насос (Са

-АТФаза) локализу-

ется в саркоплазматическом ретикулуме мы-

шечной ткани, в эндоплазматическом рети-

кулуме других клеток, клеточной мембране.

Насос обеспечивает транспорт Са

и строго

контролирует содержание Са

в клетке, по-

скольку изменение содержания Са

в ней

нарушает функцию. Насос переносит Са

либо во внеклеточную среду, например, в

клетках сердечной и скелетных мышц, либо в

цистерны ретикулума и митохондрии (внут-

риклеточное депо Са

Протонный насос (Н

-АТФаза) имеется в

мембране обкладочных клеток в желудке,

где играет важную роль в выработке соляной

кислоты; в почке он участвует в регуля-

ции рН внутренней среды организма; этот

насос постоянно работает во всех митохонд-

риях.

Постоянная

работа насосов необходима

для поддержания концентрационных гради-

ентов ионов, связанного с ними электричес-

кого заряда клетки и движения воды и неза-

ряженных частиц в клетку и из клетки вто-

рично активно, в частности согласно законам

диффузии и осмоса. Совокупность этих про-

цессов обеспечивает жизнедеятельность

клетки. В результате разной проницаемости

клеточной мембраны для разных ионов и по-

стоянной работы ионных помп концентра-

ция различных ионов внутри и снаружи клет-

ки неодинакова. Поскольку ионы являются

заряженными частицами, то существует

электрический заряд клетки. Почти во всех

изученных клетках внутреннее содержимое

их заряжено отрицательно по отношению к

внешней среде, т.е. внутри клетки преоблада-

ют отрицательные ионы, а снаружи — поло-

жительные.

Преобладающими ионами в организме

человека являются Na

, K

, СГ, причем К

находится преимущественно в клетке, a Na

и СГ — во внеклеточной жидкости. Внутри

клетки находятся также крупномолекуляр-

ные (в основном белкового происхождения)

анионы. Роль первичного транспорта в под-

держании различной концентрации разных

ионов легко доказать, например, в опыте

с эритроцитами. Если с помощью цианида

подавить дыхание эритроцитов, то их ион-

ный состав начинает постепенно меняться:

и СГ диффундируют через клеточную

мембрану в эритроцит, К

— из эритроцита.

Но в норме за счет энергии, поставляемой

процессом дыхания, идет их первичный

транспорт в обратном направлении, благо-

даря чему и поддерживаются концентраци-

онные градиенты.

Более трети энергии АТФ, потребляемой

клеткой в состоянии покоя, расходуется на

перенос только Na

и К

, т.е. на работу

-Hacoca. Это обеспечивает сохранение

клеточного объема (осморегуляция), поддер-

жание электрической активности в нервных

и мышечных клетках, транспорт других ве-

ществ в различных клетках организма.

Механизм работы ионных насосов за-

ключается в следующем. Ыа

/К

-насос

—

мо-

лекула интегрального белка, пронизывающая

всю толщу клеточной мембраны. Молекула

имеет участок, который связывает либо Na

либо К

, — это активный участок. При кон-

формации Е, белковая молекула активной

своей частью обращена внутрь клетки и об-

ладает сродством к Na

, который присоеди-

няется к белку, в результате чего активирует-

ся АТФаза, обеспечивающая гидролиз АТФ и

освобождение энергии. Последняя обеспечи-

вает конформацию молекулы белка: она пре-

вращается в форму Е

, в результате чего ак-

тивный ее участок уже обращен наружу кле-

точной мембраны. Теперь белок теряет срод-

ство к Na

, последний отщепляется от него, а

белок-помпа приобретает сродство к иону К

и соединяется с ним. Это ведет снова к изме-

нению конформации переносчика: форма Е

переходит в форму Е,, когда активный учас-

ток белка снова обращен внутрь клетки. При

этом он теряет сродство к иону К

, и тот от-

щепляется, а белок приобретает снова срод-

ство к иону Na

— это один цикл работы

помпы. Затем цикл повторяется. Насос явля-

ется электрогенным, поскольку за один цикл

выводится из клетки 3 иона Na

, а возвраща-

ется в клетку 2 иона К

. На один цикл рабо-

ты Na/K-насоса расходуется одна молекула

АТФ,

причем энергия расходуется только на

перенос Na

Подобным образом работают и Са-АТФа-

зы сарко- и эндоплазматической сетей, а

также клеточной мембраны, с тем лишь раз-

личием, что переносятся только ионы Са и

в одном направлении — из гиалоплазмы в

сарко- или эндоплазматический ретикулум, а

также — наружу клетки. Кальциевый насос

(Са-АТФаза) — молекула интегрального

белка, также имеет активный участок, связы-

вающий два иона Са

, и может быть в двух

конформациях — Е, и Е

. В конформации Е,

активный участок молекулы белка обращен в

гиалоплазму, обладает сродством к Са

и со-

единяется с ним. В результате насос перехо-

дит в конформацию Е

, когда активный учас-

ток молекулы белка обращен внутрь сарко-

плазматического ретикулума или наружу

клетки. При этом уменьшается сродство

белка к Са

, последний отщепляется от него.

В присутствии иона магния освобождается

энергия АТФ, за счет которой молекула

белка Са-АТФазы вновь переходит в конфор-

мацию Е,; цикл повторяется. Одна молекула

АТФ переносит два иона Са

Б.

Эндоцитоз, экзоцитоз и трансцитоз

(микровезикулярный транспорт) — это еще

три вида первично-активного транспорта,

близких по механизму друг к другу, посредст-

вом которых различные материалы перено-

сятся через мембрану либо в клетку (эндоци-

тоз),

либо из клетки (экзоцитоз), либо через

клетку (трансцитоз). С помощью этих меха-

низмов транспортируются крупномолекуляр-

ные вещества (белки, полисахариды, нуклеи-

новые кислоты), которые не могут транспор-

тироваться по каналам или с помощью насо-

сов.

При

эндоцитозе

клеточная мембрана об-

разует впячивания или выросты внутрь клет-

ки,

которые, отшнуровываясь, превращаются

в пузырьки. Последние затем обычно слива-

ются с первичными лизосомами, образуя

вторичные лизосомы, в которых содержимое

подвергается гидролизу — внутриклеточному

перевариванию. Продукты гидролиза исполь-

зуются клеткой. Различают два типа эндоци-

тоза — фагоцитоз (поглощение твердых час-

тиц) и пиноцитоз

—

поглощение жидкого ма-

териала (раствор, коллоидный раствор, в том

числе и белков, суспензия). Пиноцитоз ха-

рактерен для амебоидных простейших и для

многих других клеток, таких как лейкоциты,

клетки зародыша, клетки печени и некото-

рые клетки почек, участвующие в водно-со-

левом обмене, в обмене белков: они обеспе-

чивают пиноцитоз белков из первичной мочи

в клетки проксимальных канальцев и их

лизис. С помощью пиноцитоза новорожден-

ные получают с молоком матери иммуногло-

булины, которые через энтероциты попадают

в кровь ребенка и выполняют свои защитные

функции. Процесс эндоцитоза имеет место

при всасывании веществ в желудочно-ки-

шечном тракте.

Экзоцитоз — процесс, обратный эндо-

цитозу; это наиболее распространенный ме-

ханизм секреции. Таким способом различные

материалы выводятся из клеток: из преси-

наптических окончаний — медиатор, из пи-

щеварительных вакуолей удаляются остав-

шиеся непереваренными частицы, а из сек-

реторных клеток путем экзоцитоза выводится

их жидкий секрет (слизь, гормоны, фермен-

ты),

из гепатоцитов — альбумины.

Экзоцитозные пузырьки образуются в аппарате

Гольджи. В пузырьки упаковываются белки, обра-

зовавшиеся в рибосомах эндоплазматического ре-

тикулума. Низкомолекулярные вещества (медиа-

торы, некоторые гормоны) попадают в везикулы

преимущественно с помощью вторичного транс-

порта. Пузырьки транспортируются сократитель-

ным аппаратом клетки, состоящим из нитей акти-

на, миозина и микротрубочек, к клеточной мем-

бране, сливаются с ней, и содержимое клеток вы-

деляется во внеклеточную среду. Энергия АТФ

расходуется на деятельность сократительного ап-

парата клетки. Процесс слияния везикул с клеточ-

ной мембраной активируется фосфолипидом ли-

золецитином и внутриклеточным Са

. Например,

поступление Са

в нервное окончание обеспечи-

вает выделение медиатора через пресинаптичес-

кую мембрану в синаптическую щель. В процессе

взаимодействия эндо- и экзоцитоза происходит

самообновление клеточной мембраны (кругообо-

рот, рециркуляция): в течение каждого часа в про-

цессе эндоцитоза в разных клетках используется

от 3 до 100 % клеточной оболочки, но с такой же

скоростью происходит ее восстановление в ре-

зультате экзоцитоза.

Трансцитоз

сочетает в себе элементы

эндо-

и экзоцитоза: это перенос частиц через

клетку, например, молекул белка в виде вези-

кул — через эндотелиальную клетку капилля-

ров на другую ее сторону. В этом случае эн-

доцитозные пузырьки не взаимодействуют с

лизосомами. При этом пузырьки могут сли-

ваться друг с другом, образуя каналы, пересе-

кающие всю клетку.

2.5.3.

ВТОРИЧНЫЙ ТРАНСПОРТ

Вторичный транспорт — переход различных

частиц и молекул воды за счет ранее запасен-

ной (потенциальной) энергии. Потенциаль-

ная энергия создается в виде электрического,

концентрационного и гидростатического гра-

диентов (это обеспечивает диффузию, осмос,

следование за растворителем) и градиента

гидростатического давления жидкости, обес-

печивающего фильтрацию, что создается дея-

тельностью сердца, скелетных и гладких

мышц. К вторичному транспорту относятся

следующие виды транспорта.

А. Диффузия. Согласно законам диффу-

зии,

частицы перемещаются из области с вы-

сокой концентрацией в область с низкой

концентрацией. Частицы с одноименными

электрическими зарядами отталкиваются, с

разноименными зарядами — притягиваются

друг к другу. Направление диффузии опреде-

ляется взаимодействием электрического и

концентрационного (химического) градиен-

тов.

Если частицы не заряжены, то направле-

ние их диффузии определяется только гради-

ентом концентрации. Скорость диффузии

определяется проницаемостью мембраны, а

также градиентом концентрации для незаря-

женных частиц; электрическим и концентра-

ционным градиентами — для заряженных

частиц. Направления действия электрическо-

го и концентрационного градиентов могут не

совпадать. Например, Na

в процессе воз-

никновения возбуждения продолжает посту-

пать в клетку, когда она внутри уже заряжена

положительно. Этот переход ионов обеспечи-

вается концентрационным градиентом во-

преки электрическому градиенту. Совокуп-

ность химического (концентрационного) и

электрического градиентов называют элект-

рохимическим градиентом. Различают прос-

тую и облегченную диффузию и осмос как

частный случай диффузии.

Простая диффузия осуществляется либо

непосредственно через липидный бислой,

либо через каналы. При этом заряженные

частицы движутся согласно электрохимичес-

кому градиенту, а незаряженные — согласно

только химическому градиенту. Через липид-

ный бислой проходят жирорастворимые час-

тицы. Если они находятся в воде по одну сто-

рону мембраны, то могут внедряться в ли-

пидную оболочку благодаря тепловому дви-

жению (при этом необходимо освободиться

от гидратной оболочки). Частицы-неэлектро-

литы обычно легко освобождаются от гидрат-

ной оболочки (разрыв водородных связей).

Естественно, с уменьшением молекулярной

массы способность перехода частиц через

мембрану возрастает. Примером простой

диффузии через липидный слой может слу-

жить диффузия малых незаряженных поляр-

ных молекул этанола, кислорода, углекисло-

го газа, стероидных гормонов и других липи-

дов,

тироксина, мочевины, а также чуждых

клетке веществ, в частности ядов и лекарств.

Этот процесс происходит слишком медленно

и плохо контролируется. В ходе эволюции

сформировались специальные каналы, по ко-

торым могут проходить различные частицы,

причем ионы — очень быстро — за 0,5—1 мс.

Каналы заполнены водой и, кроме ионов,

через них могут проходить малые молекулы

неэлектролитов (этанол, мочевина), заряжен-

ные молекулы. Диаметр этих каналов 0,3—

0,8 нм. Скорость диффузии определяется

электрохимическим градиентом и проницае-

мостью клеточной мембраны для данного ве-

щества. С течением времени скорость про-

стой диффузии изменяется мало, пока суще-

ствует движущая сила (электрический или

концентрационный градиенты), так как по

одному и тому же каналу или через липид-

ный бислой после прохождения одной части-

цы сразу же может следовать другая.

Облегченная диффузия осуществляется

также согласно концентрационному градиен-

ту и обеспечивает перенос веществ, способ-

ных образовывать комплексы с другими мо-

лекулами-переносчиками. Переносчик —

специфический мембранный белок должен

свободно переходить с одной стороны мем-

браны на другую. Этот транспорт осущест-

вляется очень быстро. С помощью простой

диффузии не могут проходить через мембра-

ну даже небольшие полярные молекулы —

моносахариды, аминокислоты. Облегченная

диффузия имеет ряд особенностей по сравне-

нию с простой диффузией. 1. Имеются спе-

цифические переносчики для отдельных или

нескольких веществ, близких по строению.

Вещества, имеющие сходные по строению

молекулы, могут переноситься одним и тем

же переносчиком и конкурировать за пере-

носчик. 2. У молекулы-переносчика может

быть особый канал, пропускающий вещество

только одного определенного типа. 3. С уве-

личением концентрации вещества с одной

стороны мембраны скорость облегченной

диффузии возрастает только до определенно-

го предела в отличие от простой диффузии.

Прекращение нарастания облегченной диф-

фузии при увеличении концентрации веще-

ства свидетельствует о том, что все перенос-

чики уже заняты

—

явление насыщения. Пере-

носчиками являются белковые молекулы

мембран, которые совершают челночные

движения с одной стороны мембраны на дру-

гую и обратно либо встраиваются в мембра-

ну. В последнем случае образуется канал, по

которому проходят транспортируемые веще-

ства, в основном сахара, аминокислоты. Од-

нако неясно, каким образом транспортиру-

ются сами переносчики.

В случае предполагаемых челночных движений

белковых молекул-переносчиков возникает во-

прос:

какая сила обеспечивает транспорт самих

переносчиков? Если это одностороннее движе-

ние,

то оно быстро прекратится после уравнива-

ния концентрации самих переносчиков по обе

стороны клеточной мембраны. На этот вопрос от-

вета пока нет. Возможны два механизма. Во-пер-

вых, за счет создания градиента концентрации

самого переносчика, с помощью концентрацион-

ного градиента транспортируемого вещества.

Если, например, концентрация глюкозы больше

вне клетки, нежели в клетке, то она может пере-

ходить в клетку согласно своему градиенту кон-

центрации. Образование комплекса молекул глю-

коза — переносчик лишь улучшает прохождение

глюкозы через мембрану согласно концентраци-

онному градиенту глюкозы. Движущей силой яв-

ляется концентрационный градиент глюкозы. На

внутренней стороне мембраны клетки комплекс

распадается, поэтому концентрация молекул-

переносчиков возрастает и они, согласно своему

концентрационному градиенту, переходят на

внешнюю сторону клеточной мембраны, снова

соединяются с глюкозой и ускоряют ее переход в

клетку. Такой транспорт возможен только при на-

личии концентрационного градиента транспорти-

руемого вещества, например при более высокой

концентрации глюкозы и аминокислот в кишеч-

нике вследствие приема пищи и гидролиза пище-

вых веществ. Далее глюкоза и аминокислоты

могут переходить из клетки в кровь согласно их

концентрационным градиентам

—

если в энтеро-

цитах их концентрация больше, чем в плазме

крови. Из плазмы крови аминокислоты и глюкоза

поступают в клетки различных органов и тканей

организма согласно концентрационным их гради-

ентам, так как клетка расходует эти вещества. По

всей этой цепочке: полость кишки — энтероци-

ты — кровь

—

интерстиций — клетки организма

транспорт глюкозы и аминокислот осуществляет-

ся без затрат энергии

—

это исключение из обще-

го правила. В кишечнике же глюкоза и аминокис-

лоты накапливаются вследствие пищеварения, на

что также затрачивается энергия

—

механическая

обработка пищи, продвижение ее химуса по желу-

дочно-кишечному тракту, выработка пищевари-

тельных соков. Во-вторых, челночные движения

переносчика могут осуществляться или допол-

няться с помощью ионов К

. Известно, что К

постоянно диффундирует из клетки согласно кон-

центрационному градиенту. При этом на внутрен-

ней стороне мембраны клетки может образоваться

комплекс ион К

—

молекула переносчика, кото-

рый и перейдет на внешнюю сторону клеточной

мембраны. В этом случае движущей силой являет-

ся концентрационный градиент К

, который

затем переносится в клетку Na/K-помпой с непо-

средственной затратой энергии, т.е. первично ак-

тивно. Напомним, что энергия здесь затрачивает-

ся только на транспорт Na

—

транспорт веществ

экономичен. Переносчик же транспортируется

вторично активно: если не будет работать Na/K-

помпа, челночные движения переносчика, соглас-

но такому представлению, прекратятся, при этом

сохраняется простая диффузия в случае наличия

градиента концентрации вещества.

Осмос

—

это частный случай диффузии:

движение воды (растворителя) через полу-

проницаемую мембрану в область с большей

концентрацией частиц, т.е. с большим ос-

мотическим давлением. Осмотическое давле-

ние — это диффузионное давление, обеспе-

чивающее движение растворителя через

полупроницаемую мембрану. Измеряется оно

минимальным механическим давлением на

раствор (например, с помощью поршня),

препятствующим движению растворителя

через полупроницаемую мембрану. Осмоти-

ческое давление одномолярного раствора

чрезвычайно велико: 22,4 атм, в плазме

крови оно существенно ниже — 7,6 атм, не-

сколько больше оно внутри клетки, что обес-

печивает ее упругость вследствие поступле-

ния воды в клетку и растяжения ее мембра-

ны.

Вода поступает в клетку через водные ка-

налы и временные поры, образующиеся

между молекулами липидов и при смещении

белков. Через водные каналы (аквапорионы)

могут проходить также малые незаряженные

молекулы: кислород, углекислый газ, этанол,

мочевина.

Б.

Следование за растворителем — это

такой транспорт веществ, когда поток воды

через мембрану увлекает за собой растворен-

ные вещества, свободно проходящие через

полупроницаемую мембрану, при этом час-

тицы переходят через мембрану в неизменен-

ной концентрации. Это наблюдается, напри-

мер,

в артериальном конце капилляров всех

органов и тканей организма, в собиратель-

ных трубках почки при переходе воды в моз-

говой слой почки. Растворенные частицы,

например мочевина, переходят с жидкостью

в интерстиций почки, аминокислоты и глю-

коза — в интерстиций всех органов и тканей

организма.

В.

Фильтрация — переход раствора через

полупроницаемую мембрану (стенку сосуда)

под действием градиента гидростатического

давления между жидкостями по обе стороны

этой мембраны. Градиент гидростатического

давления создается либо деятельностью серд-

ца (фильтрация в артериальном конце капил-

ляра всех органов и тканей организма, а

также образование первичной мочи в почке),

либо гладкой мускулатурой желудочно-ки-

шечного тракта и мышечного пресса, обеспе-

чивающих повышение гидростатического

давления в полости желудка и кишечника,

что способствует всасыванию веществ в

кровь.

Г.

Натрийзависимый транспорт. В этом

случае энергия затрачивается на создание

градиента натрия. Имеется два варианта дан-

ного механизма транспорта.

Первый вариант, когда направление дви-

жения транспортируемого вещества совпада-

ет с направлением движения натрия согласно

его электрохимическому градиенту реим-

порт),

например перенос глюкозы в прокси-

мальных канальцах нефрона в клетку каналь-

ца из первичной мочи. Глюкоза соединяется

с белком-переносчиком, последний соединя-

ется с Na

, a Na

, согласно концентрацион-

ному и электрическому градиентам, диффун-

дирует в клетку канальца и несет с собой

глюкозу. На внутренней стороне клеточной

мембраны комплекс распадается, Na

выво-

дится помпой с непосредственной затратой

энергии из клетки в интерстиций вопреки

электрохимическому градиенту — первично

активно. Глюкоза обратно пройти не может и

по механизму простой или облегченной диф-

фузии (с переносчиком) выходит из клетки

уже с другой стороны — в интерстиций, а

затем в кровь согласно концентрационному

градиенту. С помощью натрийзависимого

транспорта всасываются аминокислоты и мо-

носахара в кишечнике, если всасывание идет

вопреки концентрационному градиенту; про-

исходит обратный захват медиатора в преси-

наптическую терминаль из синаптической

щели в синапсах ЦНС. Транспорт веществ с

помощью Na

осуществляется согласно зако-

нам диффузии для Na

. Транспортируемое

вещество при этом может поступать в клетку

вопреки собственному концентрационному

градиенту. Движущей силой является

электрохимический градиент Na

. Глюкоза

вместе с Na

идет в клетку даже в том случае,

если ее концентрация в клетке больше, неже-

ли в среде, если, конечно, электрохимичес-

кий градиент Na

превосходит концентраци-

онный градиент глюкозы.

Второй вариант натрийзависимого транс-

порта, когда перемещение транспортируемых

частиц направлено в противоположную по от-

ношению к движению Na

сторону, — это

антипорт (противотранспорт). Этим обмен-

ным механизмом регулируется, например, со-

держание Са

в клетке, рН внутри клетки за

счет выведения Н

-иона в обмен на внекле-

точный Na

. В большинстве клеток (а воз-

можно, и во всех) внутриклеточная концент-

рация Са

на несколько порядков ниже вне-

клеточной. Концентрационный градиент Na

участвует в выведении Са

из клетки (в соот-

ношении 3Na

: 1Са

). В некоторых клетках

(кардиомиоциты, гладкомышечные клетки)

он играет главную роль. Об этом свидетельст-

вует, в частности, следующий факт. Выведе-

ние Са

из клеток снижается, если удалить из

внеклеточной среды Na

. Это позволяет пред-

положить, что Са

выводится из клетки в

обмен на поступающий в нее Na

и противо-

положно направленные потоки этих ионов

сопряжены друг с другом; обеспечивается он

переносчиком-обменником. Исходным ис-

точником энергии этого процесса опять явля-

ется градиент Na

, который в конечном счете

формируется за счет АТФ-зависимого актив-

ного транспорта Na

. Поэтому при ингибиро-

вании Na/K-АТФазы сердечными гликозида-

ми,

при уменьшении внеклеточной концент-

рации Na

и в бескалиевой среде (когда Na

выводится из клетки недостаточно) Na/Ca-

обменник блокируется, в результате чего уве-

личивается внутриклеточная концентрация

Са

, что ведет к увеличению силы сокраще-

ния сердца. Это свойство сердечных гликози-

дов используется в клинической практике.

Вторичный транспорт веществ играет важ-

ную роль в деятельности почки, например

работа Na/H-обменника в канальцах почек.

В этом случае выведение Н

из клеток, вы-

стилающих почечный каналец, в просвет ка-

нальца сопряжено с поглощением клетками

в отношении 1:1, что весьма важно: не

приходится затрачивать энергию на выполне-

ние электрической работы в процессе регуля-

ции рН среды, поскольку происходит обмен

двух одинаковых положительных зарядов.

Конкретный механизм работы переносчика-обмен-

ника неясен. Переносчик может транспортировать

Са и Н вопреки их электрическим и концентраци-

онным градиентам только в том случае, если сам пере-

носчик имеет собственный градиент, — его концентра-

ция в клетке больше, чем вне клетки, причем этот гра-

диент должен

постоянно поддерживаться, иначе пере-

нос Са и Н прекратится. Полагаем, что выведение

Са

и Н из клетки в результате диффузии Na

клетку (противотранспорт) осуществляется следую-

щим образом. Na постоянно поступает в клетку, со-

гласно своему электрохимическому градиенту, и

транспортирует с собой (в комплексе) молекулы-пере-

носчики с внешней стороны клеточной мембраны на

внутреннюю, что и ведет к созданию их концентраци-

онных градиентов, направленных из клетки. Са и Н

соединяются со своими переносчиками на внутренней

стороне клеточной мембраны и транспортируются из

клетки в виде комплексов согласно градиентам своих

переносчиков. Именно поэтому, например, блокада

Na /К

-насоса ведет к накоплению Са

в кардиомио-

цитах (транспорт Са из клетки уменьшается). Это

примеры вторичного транспорта вещества за счет пер-

вичного транспорта Na , который с помощью помпы

выводится из клетки. Переносчики совершают челноч-

ные движения за счет работы Na/ К-насоса — вторич-

но активно и транспортируют с собой Са и Н

Таким образом, механизмы вторичного

транспорта веществ весьма разнообразны.

Что касается вторичного транспорта ионов,

то он осуществляется, как правило, с помо-

щью простой диффузии через специальные

ионные каналы.

2.5.4. ИОННЫЕ КАНАЛЫ

Ионные каналы образованы белками, они

весьма разнообразны по устройству и меха-

низму их действия. Известно более 50 видов

каналов, каждая нервная клетка имеет более

5 видов каналов. Состояние активации управ-

ляемого ионного канала обычно длится око-

ло 1 мс, иногда до 3 мс и значительно боль-

ше,

при этом через один канал может пройти

12—20 млн ионов.

А. Классификация ионных каналов прово-

дится по нескольким признакам.

По возможности управления их функ-

цией различают управляемые и неуправляе-

мые каналы (каналы утечки ионов). Через

неуправляемые каналы ионы перемещаются

постоянно, но медленно, естественно, при

наличии электрохимического градиента, как

и в случае быстрого перемещения ионов по

управляемым каналам. Управляемые каналы

имеют ворота с механизмами их управления,

поэтому ионы через них могут проходить

только при открытых воротах.

По скорости движения ионов каналы

могут быть быстрыми и медленными. Напри-

мер,

потенциал действия в скелетной мышце

возникает вследствие активации быстрых

Na- и К-каналов. В развитии потенциала

действия сердечной мышцы наряду с бы-

стрыми каналами для Na

и К

важную роль

играют медленные каналы — кальциевые, ка-

лиевые и натриевые.

В зависимости от стимула, активирую-

щего или инактивирующего управляемые

ионные каналы, различают несколько их

видов: а) потенциалчувствительные, б) хемо-

чувствительные, в) механочувствительные,

г) кальцийчувствительные, д) каналы, чувст-

вительные ко вторым посредникам. Послед-

ние расположены во внутриклеточных мем-

бранах, они изучены недостаточно, так же

как и кальцийчувствительные каналы. При

взаимодействии медиатора (лиганда) с рецеп-

торами, расположенными на поверхности

клеточной мембраны, может происходить от-

крытие ворот хемочувствительных каналов,

поэтому их называют также рецепторуправля-

емыми каналами. Л и г а н д — это биологи-

чески активное вещество или фармакологи-

ческий препарат, активирующий или блоки-

рующий рецептор. Открытие хемочувстви-

тельных каналов происходит в результате

конформационных изменений рецепторного

комплекса. Ворота потенциалзависимых ка-

налов открываются и закрываются при изме-

нении величины мембранного потенциала.

Поэтому в конструкции их воротного меха-

низма должны быть частицы, несущие элект-

рический заряд. Механочувствительные ка-

налы активируются и инактивируются сдав-

ливанием и растяжением. Кальцийчувстви-

тельные каналы активируются, как видно из

названия, кальцием, причем Са

может ак-

тивировать как собственные каналы, напри-

мер Са-каналы саркоплазматического рети-

кулума, так и каналы других ионов, напри-

мер каналы ионов К

. Мембраны возбудимых

клеток (гладких и поперечнополосатых

мышц, в том числе и сердечной мышцы,

нервной системы) содержат потенциале-,

хемо-,

механо- и кальцийчувствительные ка-

налы. Следует заметить, что Са-чувствитель-

ные каналы — это один из примеров хемо-

чувствительных каналов.

зависимости

от

селективности

разли-

чают ионоселективные каналы, пропускаю-

щие только один ион, и каналы, не обладаю-

щие селективностью. Имеются Na-, K-, Са-,

С1-

и Na/Ca-селективные каналы. Есть кана-

лы,

пропускающие несколько ионов, напри-

мер Na

, K

и Са

в клетках миокарда, т.е.

не обладающие селективностью. Наиболее

высока степень селективности потенциалчув-

ствительных (потенциалзависимых) каналов,

несколько ниже она у хемочувствительных

(рецепторзависимых) каналов. Например,

при действии ацетилхолина на Н-холиноре-

цептор постсинаптической мембраны в нерв-

но-мышечном синапсе активируются ионные

каналы, через которые проходят одновремен-

но ионы Na

, K

и Са

. Механочувствитель-

ные каналы являются вообще неселективны-

ми для одновалентных ионов и Са

5. Один и тот же ион может иметь не-

сколько видов каналов. Наиболее важными из

них для формирования биопотенциалов яв-

ляются следующие.

Каналы для К*:

а) неуправляемые каналы покоя (каналы

утечки) через которые К

постоянно

выходит из клетки, что является глав-

ным фактором в формировании мем-

бранного потенциала (потенциала

покоя);

б) потенциалчувствительные управляемые

К-каналы;

в) К-каналы, активируемые Са

;

г) каналы, активируемые и другими иона-

ми и веществами, например ацетилхо-

лином, что обеспечивает гиперполяри-

зацию миоцитов сердца.

Каналы для Na* — управляемые быстрые и

медленные и неуправляемые (каналы утечки

ионов):

а) потенциалчувствительные быстрые Na-

каналы — быстро активирующиеся при

уменьшении мембранного потенциала,

обеспечивают вход Na

в клетку во вре-

мя ее возбуждения;

б) рецепторуправляемые Na-каналы, акти-

вируемые ацетилхолином в нервно-мы-

шечном синапсе, глутаматом — в си-

напсах нейронов ЦНС;

в) медленные неуправляемые Na-каналы —

каналы утечки, через которые Na

по-

стоянно диффундирует в клетку и пере-

носит с собой другие молекулы, напри-

мер глюкозу, аминокислоты, молекулы-

переносчики. Таким образом, Na-кана-

лы утечки обеспечивают вторичный

транспорт веществ и участие Na в фор-

мировании мембранного потенциала.

Каналы для Са

весьма разнообразны и

наиболее сложны: рецепторуправляемые и

потенциалуправляемые, медленные и бы-

стрые:

а) медленные кальциевые потенциалчув-

ствительные каналы (новое название:

L-типа), медленно активирующиеся

при деполяризации клеточной мембра-

ны,

обусловливают медленный вход

Сгс

в клетку и медленный кальциевый

потенциал, например, у кардиомиоци-

тов.

Имеются в исчерченных и гладких

мышцах, в нейронах ЦНС;

б) быстрые кальциевые потенциалчувстви-

тельные каналы саркоплазматического

ретикулума обеспечивают выход Са

гиалоплазму и электромеханическое со-

пряжение (см. раздел 6.1.2).

Каналы для хлора имеются в скелетных и

сердечных миоцитах, эритроцитах, в неболь-

шом количестве в нейронах и сконцентри-

рованы в синапсах. Потенциалуправляемые

С1-каналы имеются в кардиомиоцитах, ре-

цепторуправляемые — в синапсах ЦНС и ак-

тивируются тормозными медиаторами ГАМК

и глицином.

Б.

Структура ионных каналов и их функци-

онирование. Каналы имеют устье и селектив-

ный фильтр, а управляемые каналы — и во-

ротный механизм; каналы заполнены жид-

костью, их размеры 0,3—0,8 нм. Селектив-

ность ионных каналов определяется их раз-

мером и наличием в канале заряженных час-

тиц. Эти частицы имеют заряд, противопо-

ложный заряду иона, который они притяги-

вают, что обеспечивает проход иона через

данный канал (одноименные заряды, как из-

вестно, отталкиваются). Через ионные кана-

лы могут проходить и незаряженные части-

цы.

Ионы, проходя через канал, должны из-

бавиться от гидратнои оболочки, иначе их

размеры будут больше размеров канала. Диа-

метр иона Na

, например, с гидратнои обо-

лочкой равен 0,3 нм, а без гидратнои оболоч-

ки

—

0,19 нм. Слишком мелкий ион, проходя

через селективный фильтр, не может отдать

гидратную оболочку, поэтому он не может

пройти через канал. Однако, по-видимому,

имеются и другие механизмы селективности

клеточной мембраны. Гипотеза «просеива-

ния» не в состоянии объяснить, например,

почему К

не проходит через открытые

Na-каналы в начале цикла возбуждения клет-

ки,

но тем не менее она дает удовлетвори-

тельное, а в некоторых случаях и абсолютно

убедительное объяснение избирательной (се-

лективной) проницаемости клеточных мем-

бран для разных частиц и ионов.

В.

Взаимодействие различных видов управ-

ляемых каналов. У каналов одного и того же

вида возможно взаимовлияние друг на друга.

Так, открытие одних электроуправляемых ка-

налов способствует активации рядом распо-

ложенных электрочувствительных каналов, в

то время как открытие одного хемо- или ме-

ханочувствительного канала и прохождение

через него ионов практически не влияют на

состояние соседних таких же каналов. Час-

тичная деполяризация клеточной мембраны

за счет активации механочувствительных ка-

налов может привести к активации потенци-

алчувствительных каналов Na

, K

(или СГ)

и Са

Г.

Ионные каналы блокируются специфи-

ческими веществами и фармакологическими

препаратами, что широко используется с ле-

чебной целью. Специфическим блокатором

механочувствительных каналов является

Gadolinium (Gd

). Блокаторами различных

потенциалчувствительных каналов являются

разные препараты или химические вещества.

Так, например, блокатором хемочувствитель-

ного (рецепторчувствительного) канала эф-

фекторных клеток, активируемого ацетилхо-

лином, является атропин. Потенциалзависи-

мые Na-каналы блокируются тетродотокси-

ном (действует только снаружи клетки);

кальциевые — двухвалентными ионами, на-

пример ионами никеля, марганца, а также

верапамилом, нифедипином. Число ионных

каналов на клеточной мембране огромно.

Так, на 1 мкм

насчитывают примерно 50

№

-каналов, в среднем они располагаются

на расстоянии 140 нм друг от друга. Успеш-

ное изучение ионных каналов дает возмож-

ность глубже понять механизм действия фар-

макологических препаратов, а значит, более

успешно применять их в клинической прак-

тике.

Новокаин, например, как местный

анестетик снимает болевые ощущения пото-

му, что он, блокируя Na-каналы, прекращает

проведение возбуждения по нервным волок-

нам.

2.6. ЭКОНОМИЧНОСТЬ ТРАНСПОРТА

ВЕЩЕСТВ

На процессы транспорта веществ в организ-

ме расходуется значительная часть энергии.

Тем не менее транспорт веществ осуществля-

ется весьма экономично, поскольку обычно

транспорт одних частиц обеспечивает пере-

ход других, о чем свидетельствуют многие

факты.

В процессе работы Na/K-насоса энер-

гия расходуется на перенос Na

из клетки в

окружающую ее среду, тогда как перенос К

в клетку происходит без непосредственной

затраты энергии в результате конформации

белковой молекулы (Na/K-АТФазы) после

присоединения К

к активному ее участку

(см.

раздел 2.5.2).

Создание концентрационного градиента

ионов, являясь причиной возникновения

мембранного потенциала, одновременно

формирует осмотический градиент, который

в свою очередь создает предпосылки направ-

ленного перемещения воды. Созданный

электрический градиент принимает участие в

переносе заряженных частиц, обеспечивает

возникновение потенциала действия и рас-

пространение возбуждения.

Процесс перехода воды из одной облас-

ти в другую, согласно закону осмоса, обеспе-

чивает транспорт всех частиц, растворенных

в ней и способных пройти через биологичес-

кие фильтры (следование за растворителем).

Энергия на переход воды непосредственно не

затрачивается (вторичный транспорт), не за-

трачивается, естественно, энергия и на пере-

нос частиц, растворенных в воде, которые

следуют вместе с водой.

Натрийзависимый транспорт (транс-

порт неэлектролитов) требует затрат энергии

на перенос Na

из клетки, но при этом часто

диффузия Na

в клетку обеспечивает переме-

щение мембранных переносчиков, соединен-

ных с молекулами глюкозы, аминокислот.

Следовательно, глюкоза, аминокислоты

могут поступать в клетку вместе с Na

(сим-

порт).

Обратный захват медиатора в преси-

наптическую терминаль из синаптической

щели в синапсах ЦНС также осуществляется

с помощью подобного механизма. Натрийза-

висимый транспорт может также обеспечи-

вать челночные движения молекул-перенос-

чиков, которые в свою очередь транспорти-

руют ионы Са

, Н

из клетки (противотран-

спорт, антипорт) согласно концентрацион-

ному градиенту переносчиков.

Глюкоза и аминокислоты переносятся с

помощью облегченной диффузии вторично

активно без непосредственной затраты энер-

гии.

6. Диффузия газов в легких между возду-

хом и кровью, а также в тканях между кро-

вью и интерстицием происходит вообще без

затрат энергии, как и обмен ионов НС0

С1~

между эритроцитами и плазмой, когда

кровь находится в различных тканях организ-

ма и легких. Диффузия веществ из кишечни-

ка, например глюкозы в кровь после приема

с пищей, если ее концентрация в кишечнике

больше, происходит согласно градиенту кон-

центрации, на создание которого клетки ор-

ганизма энергию не затрачивают. Эти два

случая (диффузия газов в легком, тканях и

частиц — в кишечнике) являются исключе-

нием, когда транспорт в организме осущест-

вляется вообще без затраты энергии. Однако

энергия расходуется на доставку этих ве-

ществ в организм — дыхательные движения,

приготовление пищи и обработка ее в пище-

варительной системе.

Энергия, затрачиваемая сердцем на дви-

жение крови по сосудам, обеспечивает не

только транспорт кровью всех веществ, в том

числе и газов, но и образование фильтрата

(движение всех частиц) в тканях организма и

мочеобразование.

Таким образом, первичный транспорт не-

скольких ионов, главным из которых являет-

ся Na

, обеспечивает перенос подавляющего

большинства веществ в организме.

Все виды транспорта играют жизненно

важную роль в процессе жизнедеятельности

клеток и организма в целом. В частности,

транспорт ионов обеспечивает формирова-

ние мембранных потенциалов клеток мы-

шечной и нервной тканей, одной из функций

последней является регуляция различных

систем организма.

2.7. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА КЛЕТКИ

И ТКАНИ

Раздражимость — способность живой мате-

рии активно изменять характер своей жизне-

деятельности при действии раздражителя. Ре-

акции отдельных клеток, тканей на действие

раздражителя могут быть весьма разнообраз-

ными: изменение интенсивности обмена ве-

ществ, рН, ускорение клеточного деления и

роста, структурно-функциональные реакции.

Степень выраженности возможных измене-

ний может быть различной. Она зависит от

вида клеток или ткани, которые подвергают-

ся действию раздражителя. По степени выра-

женности биоэлектрических явлений все

ткани делят на возбудимые и невозбудимые.

Возбудимость — это способность клетки

генерировать потенциал действия (ПД) при

раздражении. Возбудимость является част-

ным случаем наиболее общего свойства всех

клеток

—

раздражимости.

К возбудимым тканям относятся только

те,

клетки которых генерируют ПД. Это мы-

шечная и нервная ткань. Нередко к возбуди-

мым тканям относят и «железистую ткань».

Однако это не обосновано, поскольку желе-

зистой ткани нет — имеются различные же-

лезы и железистый эпителий как вид тканей.

В процессе активной деятельности железы в

ней действительно регистрируются биоэлект-

рические явления, поскольку железа как

орган состоит из различных клеток — соеди-

нительнотканных, эпителиальных, мышеч-

ных. ПД проводится по мембранам возбуди-

мых клеток, с его помощью передается ин-

формация и обеспечивается управление дея-

тельностью клеток организма.

ПД (электрические импульсы) различной

длительности и амплитуды зарегистрированы

у клеток водорослей, в гигантских клетках

гриба Neurospora, многих высших растений с

длинными стеблями, например гороха и

тыквы (по-видимому, эти клетки перекачи-

вают сок по сосудам стебля), у одноклеточ-

ных организмов, например у парамеций, в

яйцеклетках многих животных, в коже голо-

вастиков, в раковых клетках (см. рис. 2.1).

Регуляция функций — это направленное из-

менение интенсивности работы органов, тка-

ней, клеток для достижения полезного ре-

зультата согласно потребностям организма в

различных условиях его жизнедеятельности.

Классифицировать регуляцию целесообразно

по двум основным признакам: по механизму

ее осуществления (три механизма: нервный,

гуморальный и миогенный) и по времени ее

включения относительно момента изменения

величины регулируемого показателя организ-

ма (два типа регуляции: по отклонению и по

опережению.

Невозбудимыми являются эпителиальная

и соединительная (собственно соединитель-

ная,

ретикулярная, жировая, хрящевая, кост-

ная,

кровь) ткани. Клетки этих тканей не ге-

нерируют ПД при действии на них раздражи-

теля.

Раздражитель — это изменение

внешней или внутренней среды организма,

воспринимаемое клетками и вызывающее от-

ветную реакцию. В зависимости от своей

природы раздражители делят на физические

(электрические, механические, температур-

ные,

световые) и химические. В зависимости

от степени специфической чувствительности

клеток к тому или иному раздражителю их

подразделяют на адекватные и неадекватные.

Адекватный раздражитель — это такой раз-

дражитель, к которому клетка в процессе

эволюции приобрела наибольшую чувстви-

тельность вследствие развития специальных

структур, воспринимающих этот раздражи-

тель.

Например, рецепторы сетчатки глаза

обладают наибольшей чувствительностью к

свету, вкусовые рецепторы — к химическим

веществам.

В эксперименте весьма часто используют

электрический раздражитель, поскольку он

является универсальным, его легко дозиро-

вать по силе, длительности, частоте и крутиз-

не нарастания силы. Электрические раздра-

жители часто используют в клинической

практике как с диагностической, так и с ле-

чебной целями.

Проводимость — это способность ткани и

клетки передавать возбуждение.

Сократимость присуща мышечной ткани и

выражается в изменении ее длины и/или на-

пряжения.

Регуляция осуществляется согласно не-

скольким принципам, основными из кото-

рых являются принцип саморегуляции и сис-

темный принцип. Наиболее общим из них

является принцип саморегуляции, который

включает все остальные. Саморегуляция за-

ключается в том, что организм с помощью

собственных механизмов изменяет интенсив-

ность функционирования органов и систем

согласно своим потребностям в различных

условиях жизнедеятельности. Так, при беге

активируется деятельность ЦНС, мышечной,

дыхательной и сердечно-сосудистой систем.

Глава 3 ПРИНЦИПЫ, ТИПЫ И МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ

ФУНКЦИЙ ОРГАНИЗМА

В покое их активность сильно уменьшается.

Принцип саморегуляции обычно реализуется

с помощью обратной связи.

По уровням различают клеточный, орган-

ный, системный и организменный уровни

регуляции. Примером последнего является

поведенческая (соматическая) регуляция по-

казателей организма. Регуляторные механиз-

мы могут локализоваться внутри органа

(местная саморегуляция) и экстраорганно.

3.1.

НЕРВНЫЙ МЕХАНИЗМ РЕГУЛЯЦИИ

3.1.1.

ВИДЫ ВЛИЯНИЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

И МЕХАНИЗМЫ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ

Выделяют пусковое и модулирующее (корри-

гирующее) влияния.

Пусковое влияние вызывает деятельность

органа, находящегося в покое; прекращение

импульсации, вызвавшей деятельность орга-

на, ведет к возвращению его в исходное состо-

яние. Примерами такого влияния могут слу-

жить запуск секреции пищеварительных же-

лез на фоне их функционального покоя; ини-

циация сокращений покоящейся скелетной

мышцы при поступлении к ней импульсов от

мотонейронов спинного мозга или от мото-

нейронов ствола мозга по эфферентным (дви-

гательным) нервным волокнам. После пре-

кращения импульсации в нервных волокнах, в

частности соматических нервов, сокращение

мышцы также прекращается, мышца расслаб-

ляется. Сокращение мышцы запускается с по-

мощью электрофизиологических процессов.

Модулирующее (корригирующее) влияние

ведет к изменению интенсивности деятель-

ности органа. Оно распространяется как на

органы, деятельность которых без нервных

влияний невозможна, так и на органы, кото-

рые могут работать без пускового влияния

нервной системы. Примером модулирующего

влияния на уже работающий орган могут быть

усиление или угнетение секреции пищевари-

тельных желез, усиление или ослабление со-

кращения скелетной мышцы. Примерами мо-

дулирующего влияния нервной системы на

органы, которые могут работать в автомати-

ческом режиме, являются регуляция деятель-

ности сердца, регуляция тонуса сосудов.

Модулирующее влияние осуществляется:

1) посредством изменения характера электро-

физиологических процессов в органе (гипер-

поляризация, деполяризация, т.е. электрофи-

зиологическое действие; 2) с помощью изме-

нения интенсивности биохимических процес-

сов — обмена веществ в органе (трофическое

действие нервной системы, см. раздел 9.13);

3) за счет изменения кровоснабжения органа

(сосудодвигательный эффект)

—

все они взаи-

мосвязаны. Модулирующее влияние, напри-

мер,

блуждающего нерва на сердце выражает-

ся в угнетении его сокращений, но этот же

нерв может оказывать пусковое влияние на

пищеварительные железы, на покоящуюся

гладкую мышцу желудка, тонкой кишки.

Таким образом, и соматическая, и вегета-

тивная нервные системы могут оказывать как

пусковое, так и модулирующее влияние. Од-

нако пусковое влияние нервной системы для

скелетной мышцы (запуск или прекращение

ее сокращений) осуществляется только с по-

мощью соматической нервной системы, а

модулирующее (изменение силы сокраще-

ний) — с помощью соматической и вегета-

тивной нервной системы. Например, актива-

ция симпатической нервной системы ведет к

усилению сокращения скелетной мышцы.

Пусковое и модулирующее влияния на внут-

ренние органы осуществляются только с по-

мощью вегетативной нервной системы.

3.1.2. ОДНОНАПРАВЛЕННЫЕ

СИМПАТИЧЕСКИЕ И ПАРАСИМПАТИЧЕСКИЕ

ВЛИЯНИЯ

В эксперименте при раздражении одного и

того же нерва можно получить двоякий эф-

фект. Так, раздражение периферического от-

резка блуждающего нерва обычно вызывает

торможение деятельности сердца и усиление

сокращений кишки. Однако более слабое

раздражение этого же нерва может сопровож-

даться противоположными эффектами —

усилением сокращений сердца (феномен

чаще возникает на фоне слабой его деятель-

ности), а также угнетением сокращений

кишки (феномен лучше выявляется при ак-

тивной ее деятельности). Такое же двоякое

влияние на органы, например не только уси-

ление, но и угнетение сердечной деятельнос-

ти,

можно наблюдать и при раздражении

симпатического нерва

—

правило так называ-

емого исходного состояния органа.

Исследования показали, что в этих случа-

ях двоякое влияние нерва на орган объясня-

ется наличием в одном нерве волокон разной

природы. Так, ускорение сердечных сокра-

щений при раздражении тормозного для

сердца блуждающего нерва осуществляется с

помощью постганглионарных симпатических

нервных волокон, идущих к сердцу в составе

блуждающего нерва. Торможение деятель-

ности сердца при раздражении звездчатого

(симпатического) ганглия реализуется по-

средством преганглионарных парасимпати-