Молекулярно-клеточный уровень организации жизни

Антагонистами натриевых каналов (блокирующих их функцию) являются такие яды как тетродотоксин, батрахотоксин. Батрахотоксин (полулетальная доза + 2мг/кг) выделен из кожных желез маленькой (2-3см) колумбийской древесной лягушки. Индейцы ядом из этих лягушек смазывали наконечники стрел. Раньше батрахотоксин считался «самым сильным» небелковым ядом в природе. Сейчас он переместился с первого места на четвертое.

Тетродотоксин – один из самых знаменитых животных ядов. Он содержится в коже и яйцах некоторых жаб,  в яйцах калифорнийского тритона, в слюнных железах осьминога. Но наибольшую известность ему принесла рыба фугу, у которой яд содержится в яичниках и печени. Для тетродотоксина полулетальная доза 10мкг/кг (1мкг – миллионная доля грамма). Тетродотоксин относится к нейротропным ядам, которые блокируют проницаемость мембран нейронов вегетативной нервной системы для ионов натрия, что практически мгновенно прерывает нервный импульс.

                Каналы водные (аквапорины) – семейство мембранных пор, предназначенные для облегченной диффузии воды. Молекулы воды способны пересекать липидный бислой плазматических мембран. Этому способствуют малые размеры молекулы воды и отсутствие у неё заряда. Однако в некоторых тканях (клетки почечных канальцев, секреторные эпителиальные клетки желез, например, слюнных, слезных и др.), где транспорт воды особенно интенсивен, простой диффузии воды недостаточно для нормального функционирования. В мембранах таких клеток присутствует особый белок – аквапорин, который обеспечивает свободное движение воды через мембрану. Известны 5 типов белков, формирующих водные каналы. Аквапорин 1 экспрессируется в эритроцитах, проксимальных извитых канальцах и петле Генле, тканях глаза; аквапорин 2 – формирует каналы в собирательных трубочках почки. Активность этого канала регулирует антидиуретический  гормон (АДГ), увеличивая реабсорбцию воды из просвета трубочек в межклеточное пространство. Нефрогенный несахарный диабет – следствие мутации гена (АQP 2, 107777, 12 q 13) аквапорина 2. Аквапорин 3 – образует водные каналы в печени поджелудочной железе, кишечнике, селезенке, простате; аквапорин 4 – экспрессируется в клетках сосудистого сплетения мозга (этот канал является осморецептором); аквапорин 5 – транспортирует воду в слезных и слюнных железах.

            Мембранные каналы для молекулы  воды впервые выделил в 1988г. американец  Питер Эгр из университета  Джона Хопкинса (Балтимор). За исследование белков, служащих каналами для воды и ионов калия, Питер Эгр и Родерик Мак-Киннон удостоены в 2003г. Нобелевской премии.

Управление мембранными ионными каналами

Ионные каналы имеют структурное образование, непосредственно отвечающее за их пропускную способность. Эту структуру называют воротами (аналогия с открытыми и закрытыми воротами). «Ворота» открываются под воздействием разных сигналов.  Молекулярный воротный механизм заключается в изменениях общей конформации  белка ионного канала под влиянием сигнала.

Регуляция конформационного состояния  канала осуществляется различными способами.         

        Рецептор-зависимые ионные каналы снабжены рецепторами, которые распознают сигнальную молекулу (хим. сигнал). Такие каналы открываются или закрываются при участии нейромедиаторов, биогенных аминов (адреналин, дофамин и др.), АТФ, циклических нуклеотидов. Например, такие нейромедиаторы как гамма-аминомасляная кислота и аминокислота глицин открывают в синапсах определенных нейронов хлорные каналы и пропускают ионы Cl, несущие отрицательный заряд. Проникновение хлора вызывает в нервной клетке состояние гиперполяризации, то есть торможение (передача возбуждения происходит за счет противоположного процесса: деполяризации мембраны нейрона). Глицин (альфа-аминоуксусная кислота) подавляет раздражимость и делает поведение более разумным, повышает скорость реакций, усиливает умственную работоспособность, т.е. обладает ноотронным действием (noos – ум, tropos – действие). 

         Активность  некоторых каналов может изменяться  под влиянием метаболических  реакций и фосфорилирования.

          Потенциалзависимые ионные каналы пропускают катионы при изменении мембранного потенциала.       Механочувствительные каналы открываются при деформации мембраны. Например, в коже имеются  чувствительные нервные окончания – тельца Пачинни, в которых ионные каналы реагируют на механическое воздействие. 

          Мембранные каналы чувствительны к температуре,  реагируют  также  на   химические вещества,  вызывающие чувство прохлады или жжения: ментол, капсаицин (жгучее вещество перца),  изотиоцианат горчицы и хрена и мн. др. Активность  ионных каналов может изменяться под влиянием токсинов и лекарственных веществ.  Некоторые заболевания возникают в результате выработки  специфических антител против  белков ионных каналов.

Активный транспорт

При активном транспорте перемещение вещества происходит против его концентрационного градиента (от лат. gradus – ступень). В связи с этим этот вид трансмембранного переноса веществ нуждается во внешнем источнике энергии. Таким источником служит гидролиз АТФ.

Примером системы активного транспорта может служить так называемый Na+/K+-насос в клеточных мембранах животных клеток.  Этот насос иначе называется  Na+/K+ АТФазой, поскольку выкачивание из клетки натрия и закачивание в нее калия сопряжено с гидролизом АТФ до АДФ.  Благодаря работе этого насоса в клетках поддерживается высокая концентрация ионов калия (140мМ) и низкая – ионов натрия (12мМ), между тем как в крови и межклеточной жидкости соотношение этих концентраций – обратная. Работа Na+/K+ насоса создает разность потенциалов в 50-70мB (плюс – снаружи плазматической мембраны, минус – внутри).

         Трансмембранный  Na+-градиент, создаваемый Na+/K+ АТФазой, есть не что иное, как форма запасания энергии. Эта энергия рассеивается в виде тепла, если ионы натрия диффундируют в клетку. Однако в некоторых клетках существуют белки, ответственные за совместный перенос ионов натрия с другими молекулами, например, глюкозой, аминокислотами. При этом глюкоза и аминокислоты двигаются против собственного концентрационного градиента. Такой механизм одновременного переноса  функционирует при всасывании аминокислот и глюкозы в кишечнике.

Натрий-калиевый насос  – интегральный мембранный белок, состоящий из двух субъединиц. Каталитическая субъединица α гидролизует АТФ, гликопротеин β является структурным элементом. Na+/K+ насос регулирует  потоки воды, поддерживая постоянный объем клетки; обеспечивает  Na+- связанный транспорт  множества органических и неорганических молекул; участвует в генерации потенциала действия нервных и мышечных элементов. На поддержание ионных градиентов животные тратят около трети расходуемой энергии.   

       Наряду с Na+/K+-насосом существуют и другие АТФазы. Например, протонная и калиевая АТФаза участвует в образовании соляной кислоты в париетальных клетках желудка. Протонная АТФаза перекачивает протоны (Н+) из цитоплазмы в лизосомы, где создается кислая среда. Ca2+-АТФаза мышц откачивает ионы кальция из цитоплазмы в полости гладкой эндоплазматической сети, именуемой в скелетных мышечных волокнах и кардиомиоцитах саркоплазматической сетью (лат. sarcos – мясо). Недостаточность  этого насоса проявляется симптомами мышечной усталости при физической нагрузке (Миопатия  Броди). Это проявляется в виде частых  судорог.

Эндоцитоз

Эндоцитоз – это везикулярный перенос жидкостей, макромолекул или небольших частиц и микроорганизмов (вирусов, бактерий) в клетку. Существует, по крайней мере, три механизма эндоцитоза:

1. Пиноцитоз  – («клеточное питье»).
2. Рецепторно-опосредованный эндоцитоз или клатрин-зависимый эндоцитоз.
3. Фагоцитоз –  («клеточная еда»).

           Пиноцитоз – это постоянный процесс поглощения жидкости и растворенных веществ с образованием небольших пузырьков. (Название пиноцитоз происходит от греческих слов «pineo» – пить и «kytos – клетка»). Эти пузырьки переносят небольшие молекулы, воду и растворимые белки, то есть вещества, относящиеся к жидкой фазе внеклеточной среды. Благодаря такому процессу клетки могут поглощать как крупные  молекулы, так и  ионы, неспособные проникнуть через мембрану.

           В цитоплазме клетки многие  пиноцитозные пузырьки сливаются  друг с другом и формируют  ранние эндосомы, которые смещаются вглубь клетки и сливаются с лизосомами; в их полости  начинается разрушение веществ. Несмотря на маленькие размеры пиноцитозных пузырьков, их многочисленность позволяет им доставлять в клетку большое количество веществ. Иногда эти пузырьки представляют собой крупные макропиноцитозные образования, создающие складчатость плазматической мембраны. Некоторые микроорганизмы стимулируют образовние подобных складок,  что обеспечивает их проникновение в клетку. Пиноцитоз может быть очень интенсивным процессом; в некоторых клетках вся плазматическая мембрана поглощается и восстанавливается за один час. Особенно интенсивно пиноцитоз протекает в эндотелиальных клетках кровеносных капилляров. Путем пиноцитоза вещества попадают из тканевой жидкости в просвет кровеносных капилляров.

 ● Опосредуемый рецепторный эндоцитоз характеризуется поглощением из внеклеточной жидкости конкретных макромолекул. Для этой цели клетка экспрессирует на свою поверхность специфические поверхностные рецепторы, что обеспечивает избирательное связывание молекул во внеклеточном растворе. Рецепторы, способные связывать лиганд (специфическую сигнальную молекулу), накапливаются в специфических участках поверхности клетки, называемых окаймленными ямками. Поверхность этих небольших углублений покрыта с цитозольной стороны плазматической мембраны белком клатрином. При сязывании лиганда с рецептором под плазматической мембраной формируется пузырек – ранняя эндосома, содержащий комплекс лиганд-рецептор, покрытый   снаружи  клатрином. Белок  клатрин предотвращает слияние эндосом с лизосомами и переваривание лиганда ферментом. В пузырьках такого типа лиганд доставляется в различные отделы в пределах одной клетки  или переносится в другой слой клеток. Такой тип переноса называют трансцитозом.

    Известны четыре типа  трансцитоза. При первом типе  –  рецептор возвращается в  плазматическую мембрану, а лиганд  разрушается (инсулин, липопротеиды  низкой плотности, некоторые вирусы  и др.). При втором типе –  рецептор возвращается и лиганд  возвращается (белок, переносящий железо  и др.). Третий тип трансцитоза  характеризуется разрушением лиганда  и рецептора (эпидермальный фактор  роста и др.). Механизм четвертого  типа связан с транспортом  и лиганда и рецептора. Например, трансцитозом материнские антитела  переносятся в клетки молочной  железы, а затем у новорожденного  из молока они проходят через  эпителий кишечника и попадают  в лимфатические протоки и  кровь.

Нарушения различных типов рецепторно-опосредованного эндоцитоза сопровождаются  серьезными заболеваниями  человека. Семейная гиперхолестеролемия является примером неполноценного трансцитоза первого типа. Эта болезнь обусловлена различными мутациями гена рецптора липопротеида низкой плотности (ЛНП), который присутствует в большинстве клеток организма и обеспечивает поступление пищевого холестерола в в клетку. Холестерол необходим для синтеза клеточных мембран, биоснтеза стероидных гормонов и др. молекул. Нарушение транспорта ЛНП, в составе которых холестерол  попадает в клетку, сопровождается накоплением ЛНП в плазме крови, что приводит к образованию атеросклеротических бляшек в сосудах.

  Фагоцитоз (греч. fageo – пожирать)  – поглощение крупных частиц (микроорганизмов, остатков разрушающихся клеток и др.). К фагоцитозу способны все клетки, но наиболее активно фагоцитоз осуществляют профессиональные фагоциты (моноциты, макрофаги,  нейтрофилы). Эпителиальные клетки и фибробласты также способны к фогоцитозу. В ходе фагоцитоза образуются большие эндоцитозные пузырьки – фагосомы. Фагосомы сливаются с лизосомами и формируют фаголизосомы, в которых происходит переваривание поглощенного материала. Многие паразиты (туберкулезная палочка, токсоплазма и др.) обладают способностью перестраивать мембрану фагосомы, благодаря чему фаголизосома не образуется и фагоцитоз не завершается.         Фагоцитоз является очень сложным многоэтапным процессом. Фагоцитоз, в отличие  от пиноцитоза, индуцируют сигналы, воздействующие на рецепторы в плазмалемме фагоцитов. Чаще всего такими сигналами являются антитела покрывающие частицу, например, бактерию (рис. 9), подвергающуюся фагоцитозу. Для фагоцитоза обычно требуется полимеризация актина. Этот процесс запускается при взаимодействии молекул частицы с поверхностным рецептором клетки.

            Фагоцитоз представляет собой  ключевой механизм защиты организма-хозяина  от микроорганизмов.        Доказательством большого значения фагоцитоза являются случаи, когда при нарушении этого процесса даже маловирулентные микробы  вызывают септические состояния (sepsis – гниение). Это, например, бывает когда в фагоцитах не образуется Н2О2 и не выделяется кислородный радикал О2-, необходимый для бактериолиза внутри фагоцитов, а также при недостаточности фермента НАДН-зависимой оксидазы. Этот дефект наследуется рецессивно, он сцеплен с Х-хромосомой. Фагоцитоз поврежденных или постаревших клеток необходим для обновления ткани и заживления ран.