Биофизические процессы в клетке

Биофизические процессы в клетках обеспечивают реализацию механизмов нервной регуляции, регуляцию физико-химических показателей внутренней среды (осмотическое давление, рН), создание электрических зарядов клеток, возникновение и распространение возбуждения, выделение секретов (гормонов, ферментов и других биологически активных веществ), реализацию действия фармакологических препаратов. Данные процессы возможны благодаря функционированию транспортной системы. С переносом веществ через мембраны также связаны процессы метаболизма клетки, в том числе биоэнергетические и многие другие. Фармакологическое действие практически любого лекарственного препарата также обусловлено его проникновением через клеточные мембраны, а эффективность в значительной степени зависит от ее проницаемости.

Механизмы транспорта веществ. Перенос различных веществ как в клетку, так и из нее, может быть пассивным (диффузия, осмос, фильтрация) или активным с помощью белков-“переносчиков” (смотри рисунок 1.4.5).

	Транспорт веществ через мембрану в клетку может быть пассивным и активным.

При пассивном переносе вода, ионы, некоторые низкомолекулярные соединения из-за разности концентраций свободно перемещаются и выравнивают концентрацию вещества внутри и вне клетки.

В пассивном переносе основную роль играют такие физические процессы, как диффузия, осмос и фильтрация. Поясним суть этих процессов применительно к клетке.

Как уже отмечалось ранее, при любых условиях молекулы всегда находятся в движении. Источником энергии для этого движения служит тепло. Все предметы на Земле в сущности нагреты, и только при абсолютном нуле (–273 °C) движение молекул может прекратиться, а вместе с этим может остановиться и диффузия – самопроизвольное перемещение молекул и ионов из области более высокой в область более низкой концентрации. В живом организме диффузия молекул происходит, как правило, в водном растворе. Мембрана клетки является проницаемой для одних веществ и непроницаемой для других. Если клеточная мембрана проницаема для молекул растворенного вещества, она не препятствует диффузии (рисунок 1.4.5, вид А).

Осмос – особый вид диффузии воды через полупроницаемую мембрану в область более высокой концентрации растворенного вещества (рисунок 1.4.5, вид Б). В результате такого движения внутри клетки создается значительное давление, которое называют осмотическим. Это давление может даже разрушить клетку.

Вот один из примеров проявления осмотической реакции. Если эритроциты поместить в чистую воду, то под действием осмоса вода будет быстрее проникать в них, чем выходить. Такая среда называется гипотонической, и в нашем случае, по мере проникновения воды эритроцит будет набухать и “лопаться”. Другая ситуация – изотоническая среда. Если поместить эритроциты в воду, содержащую 0,87% поваренной соли, то осмотического давления не создается. Это объясняется тем, что при равной концентрации раствора внутри и снаружи клетки вода движется одинаково в обоих направлениях. Наконец, среда считается гипертонической, когда концентрация растворенных в ней веществ выше, чем в клетке. Клетка (эритроцит) в такой среде начинает терять воду, съеживается и гибнет.

Все эти особенности осмоса приходится учитывать при введении лекарственных веществ. Как правило, лекарства, предназначенные для инъекций, приготавливаются на изотоническом растворе. Это предотвращает набухание или сморщивание клеток крови при введении лекарства. Капли в нос также готовят на изотоническом растворе, чтобы избежать набухания или обезвоживания клеток слизистой оболочки носа. Вы, наверное, помните, как неприятно, когда в нос при купании попадает вода. Объяснение простое: пресная вода (гипотонический раствор) вызывает набухание клеток слизистой оболочки носовой полости, а морская вода (гипертонический раствор) – сморщивание.

Осмосом объясняются и некоторые эффекты лекарств, например, слабительное действие английской соли (магния сульфат) и других солевых слабительных. Дело в том, что в просвете кишечника они образуют гипертоническую среду. Вода под влиянием осмоса выходит из клеток кишечного эпителия, межклеточного пространства и крови в просвет кишечника, растягивает стенки кишечника, разжижает его содержимое и ускоряет опорожнение.

Фильтрация – движение молекул воды и растворенных в ней веществ через клеточную мембрану в направлении, противоположном действию осмотического давления (рисунок 1.4.5, вид В). Этот процесс становится возможным, если раствор в клетке находится под давлением, которое выше осмотического. Так, например, сердце нагнетает кровь в сосуды под определенным давлением. В тончайших капиллярах это давление возрастает и становится достаточным, чтобы заставить воду и растворенные в крови вещества выйти из капилляров в межклеточное пространство. Образуется так называемая тканевая жидкость, она играет большую роль в доставке питательных веществ в клетки и удалении из них конечных продуктов обмена веществ. После выполнения своих функций тканевая жидкость в виде лимфы возвращается в кровяное русло по лимфатическим сосудам.

Фильтрация играет важную роль и в функционировании почек. В капиллярах почек кровь находится под большим давлением, что вызывает фильтрацию воды и растворенных в ней веществ из кровеносных сосудов в тончайшие почечные канальцы. Затем часть воды и необходимые организму вещества снова всасываются и поступают в общий кровоток, а оставшаяся часть образует мочу и выводится из организма.

Активный транспорт веществ из внешней среды в клетку протекает всегда с затратами энергии. При этом их внутриклеточная концентрация выше, чем внеклеточная (рисунок 1.4.5, вид Г). Например, поглощение глюкозы может идти вопреки уровню ее концентрации, йод захватывается клетками щитовидной железы, хотя его содержание в них в сотни раз выше, чем в крови, мышечная ткань накапливает ионы калия и выталкивает ионы натрия (при этом концентрация последних снаружи всегда выше, чем внутри). Эти процессы требуют больших затрат энергии. Примерно половина общих энергетических ресурсов клетки расходуется на нужды активного переноса. Активный транспорт с увеличением концентрации вещества осуществляется посредством специальных белков-переносчиков с затратой энергии за счет расщепления аденозинтрифосфорной кислоты.

Рассмотрим пример с глюкозой. Некоторое количество глюкозы проникает в клетки путем простой диффузии, однако поглощение ее продолжается и после уравнивания концентраций внутри клетки и снаружи. Это происходит потому, что в клеточной мембране глюкоза присоединяет фосфатную группу, образуя глюкозофосфат. Эта реакция протекает с затратами энергии. Глюкозофосфат диффундирует через клеточную мембрану и обеспечивает накопление глюкозы внутри клетки.

Свойства веществ оказывают значительное влияние на их транспортировку внутрь клетки. Так, жирорастворимые вещества легче проникают в клетку, так как клеточная мембрана в значительной мере состоит из липидов (примерно на 40%). Спирты, размер молекул которых может быть достаточно большим, без труда попадают в клетку только потому, что они растворимы в жирах.

Способность клетки к поглощению веществ во многом определяется также величиной электрического заряда на ее поверхности. Белки клеточной мембраны построены из аминокислот, которые несут положительный или отрицательный заряд. Поскольку одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются, электрические свойства поверхности клетки оказывают существенное влияние на поглощение ионов.

Многие крупные молекулы (например, биополимеры), которые не могут пройти через клеточную мембрану ни пассивным, ни активным способом, попадают в клетку путем эндоцитоза. Эндоцитоз, схематически изображенный на рисунке 1.4.6, разделяется на фагоцитоз (поглощение крупных частиц – бактерий, фрагментов других клеток) и пиноцитоз (захват макромолекулярных соединений). Буквально слово “пиноцитоз” означает “питье клетки”.

Как видно из этого рисунка, сначала биополимер оседает на поверхности клеточной мембраны (1), а потом втягивается внутрь клетки (2) с образованием пузырька, содержащего эту молекулу. Затем пузырьки отделяются от внутренней поверхности клеточной мембраны и перемещаются вглубь клетки, где поглощаются лизосомами (3) или получают от них ферменты. Под действием ферментов биополимер расщепляется до более простых соединений. Аналогичным образом, только в обратном порядке, осуществляется экзоцитоз – выделение продуктов (полисахаридов, белков и других веществ), синтезируемых клеткой, во внешнюю среду. Что касается транспорта ионов, то он осуществляется, как правило, с помощью диффузии через специальные ионные каналы.

Таким образом, существует несколько механизмов транспорта веществ. Основные механизмы передачи сигналов с использованием рецепторов представлены на рисунке 1.4.7.

Первый механизм (участок I на рисунке 1.4.7) – растворимая в липидах сигнальная молекула проходит через клеточную мембрану и активирует внутриклеточный рецептор (например, фермент). Так действует оксид азота, ряд жирорастворимых гормонов (глюкокортикоиды, минералокортикоиды, половые гормоны и тиреоидные гормоны) и витамин D. Они стимулируют транскрипцию генов в ядре клетки и, таким образом, синтез новых белков. Механизм действия гормонов заключается в стимуляции синтеза новых белков в ядре клетки, которые длительно сохраняются в клетке в активном состоянии.

Второй механизм передачи сигнала через клеточную мембрану (участок II на рисунке 1.4.7) – это связывание с клеточными рецепторами, имеющими внеклеточный и внутриклеточный фрагменты (то есть трансмембранными рецепторами). Такие рецепторы являются посредниками на первом этапе действия инсулина и ряда других гормонов. Внеклеточная и внутриклеточная части подобных рецепторов связаны полипептидным мостиком, проходящим через клеточную мембрану. Внутриклеточный фрагмент обладает ферментативной активностью, которая повышается при связывании сигнальной молекулы с рецептором. Соответственно возрастает скорость внутриклеточных реакций, в которых участвует этот фрагмент.

Третий механизм передачи информации – действие на рецепторы, регулирующие открытие или закрытие ионных каналов (участок III на рисунке 1.4.7). К естественным сигнальным молекулам, взаимодействующим с такими рецепторами, относятся, в частности, ацетилхолин, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), глицин, аспартат, глутамат и другие, являющиеся медиаторами различных физиологических процессов. При их взаимодействии с рецептором происходит увеличение трансмембранной проводимости для отдельных ионов, что вызывает изменение электрического потенциала клеточной мембраны. Например, ацетилхолин, взаимодействуя с н-холинорецепторами, увеличивает вход в клетку ионов натрия и вызывает деполяризацию и мышечное сокращение. Взаимодействие гамма-аминомасляной кислоты со своим рецептором приводит к повышению поступления ионов хлора в клетки, усилению поляризации и развитию торможения (угнетения) центральной нервной системы. Этот механизм передачи сигналов отличает быстрота развития эффекта (миллисекунды).

Четвертый механизм трансмембранной передачи химического сигнала реализуется через рецепторы, активизирующие внутриклеточный вторичный передатчик (участок IV на рисунке 1.4.7). При взаимодействии с такими рецепторами процесс протекает в четыре этапа. Сигнальная молекула распознается рецептором на поверхности клеточной мембраны, в результате их взаимодействия рецептор активизирует G-белок на внутренней поверхности мембраны. Активизированный G-белок изменяет активность либо фермента, либо ионного канала. Это приводит к изменению внутриклеточной концентрации вторичного посредника, через который уже непосредственно реализуются эффекты (изменяются процессы обмена веществ и энергии). Такой механизм передачи сигнальной информации позволяет усилить передаваемый сигнал. Так если взаимодействие сигнальной молекулы (например, норадреналина) с рецептором длится несколько миллисекунд, то активность вторичного передатчика, которому рецептор передает по эстафете сигнал, сохраняется в течение десятков секунд.

Вторичные посредники – это вещества, которые образуются внутри клетки и являются важными компонентами многочисленных внутриклеточных биохимических реакций. От их концентрации во многом зависит интенсивность и результаты жизнедеятельности клетки и функционирование всей ткани. Наиболее известными вторичными посредниками являются циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ), ионы кальция, калия, диацилглицерол и инозитолтрифосфат.

Какие воздействия могут реализовываться с участием вторичных посредников?

цАМФ участвует в мобилизации энергетических запасов (распад углеводов в печени или триглицеридов в жировых клетках), в задержке воды почками, в нормализации кальциевого обмена, в увеличении силы и частоты сердечных сокращений, в образовании стероидных гормонов, в расслаблении гладких мышц и так далее.

Диацилглицерол, инозитолтрифосфат и ионы кальция участвуют в реакциях, которые возникают в клетках при возбуждении некоторых типов адрено- и холинорецепторов.

цГМФ участвует в расслаблении гладких мышц сосудов, стимулируя образование оксида азота в эндотелии сосудов под влиянием ацетилхолина и гистамина.

Таким образом, как транспортные системы, так и механизмы передачи сигнала участвуют в реализации и выполнении двух основных функций (задач) клетки: поддержание стабильности “системы жизнеобеспечения” и выполнение специальных функций.