Мембраносвязанные ферменты и ионные каналы

 

В плазматическую мембрану включено большое количество мембраносвязанных ферментов, обеспечивающих активный транспорт веществ против градиента концентрации из клетки и в клетку. На это расходуется 1/8 часть энергии основного обмена. Затраты энергии на транспортные процессы очень велики, у человека они составляют более трети всей энергии, выделяемой в процессе мета­болизма в клетке.

Пассивное движение через липидную мембрану очень затруднено. Липидная фаза гидрофобна, то есть необходим активный процесс дегидратации ионов.

Функцию пассивной ионной проводимости осуществляют ионные каналы - специфические липопротеиновые структуры. Они могут на­ходиться в "закрытом" или "открытом" состоянии, а их селектив­ность определяется геометрией канала, электрическим зарядом структур и белковыми субъединицами.

Ионный баланс в клетке обеспечивается системой активного транспорта против градиента концентрации AТФ-зависимыми фермен­тами. Упрощенно это можно представить таким образом. Во внекле­точной жидкости концентрация Са²⁺ и Мg²⁺ во много раз больше, чем в клетке, то есть они входят в клетку пассивно, а выводятся активно с затратой энергии.

Концентрация Са^{2 +} в клетке в состоянии покоя составляет 1/10 000 от его концентрации во внеклеточной жидкости (0,1 мкм), при активации не превышает 2 мкМ.

Резкое накопление Са²⁺ в клетке прекращает продукцию и ути­лизацию ATФ, нарушается работа АТФазо-зависимых ферментов. Активация гидролитических ферментов лизосом приводит к гибели клетки.

Клетка бдительно защищает себя от смертельной концентрации Са²⁺, откачивая его во внеклеточную среду Са²⁺-зависимой АТФазой. Полом­ка в этом механизме часто приводит к формированию порочного круга.

 

Молекула натрия очень гидратирована, и с избытком натрия в клетку поступает вода, происходит набухание клетки. Быстрое проникнове­ние воды в клетку через гидрофобную мембрану указывает на воз­можность наличия пор.

Нарушение транспортной функции ферментов мембраны лежит в основе развития таких "транспортных болезней", как почечная глюкозурия, цистеинурия, нарушения всасывания галактозы, глюкозы, витамина B₁₂, наследственный сфероцитоз и т.д.

Эндоплазматическая сеть

 

На мембранах ЭПС находятся рибосомы, синтезирующие белки, необходимые как пластический материал и выполняющие различные функции.

Мембраны ЭПС, не несущие рибосом, в клетках печени выполняют обезвреживание токсических продуктов, лекарственных веществ, гербицидов, пестицидов, циклических ароматических углеводородов. Площадь гладкой мембраны в клетке может увеличиваться в 10 раз. Вредные вещества накапливаются на поверхности мембраны, подвер­гаются химическим превращениям, лишаются токсических свойств и подготавливаются к выведению из организма. При усилении одних ферментативных процессов могут ослабляться другие.

Пример.

При частом употреблении алкоголя усиливается наработка алкогольдегидрогеназы и человек делается устойчивым к алкоголь­ному отравлению, но при этом страдают другие ферментативные системы, в частности, системы, разрушающие избыток гормонов - развивается вторичный адьдостеронизм и нарушение водно-мине­рального обмена.

Мембраносвязанные ферменты обладают очень большой актив­ностью, так каталаза, фиксированная на мембране, ускоряет распад Н₂О₂ в 10¹¹ раз.

Аппарат Годьджи

Выполняет в клетке узко специализированную функцию. Белки, синтезированные рибосомами, перемещаются в АГ и, проходя через него, оказываются плотно уложенными в гранулы. В АГ происходит образование гликопротеидов, несущих особую информа­цию. Эти белки покрывают оболочку клетки, поступают в цитозоль. В АГ идет и формирование лизосом. Таким образом, одни продукты АГ идут на построение клетки (гликопротеиды), другие на разруше­ние клеточных структур (гидролазы лизосом).

Лизосомы

 

Пузырьки, окруженные мембраной, содержащие набор гидролити­ческих ферментов.

Процесс удержания ферментов в лизосоме еще не ясен. Ведь ферменты весьма агрессивны. Ферменты лизосом могут действовать внутри клетки, расщепляя, растворяя внутриклеточные структуры. Они в фаголизосомах разрушают чужеродные и собственные стареющие клетки, то есть лизосомы участвуют в механизме разрушения собственных отживших клеток. Однако, в условиях гипоксии, не­достаточности энергии ферменты не удерживаются лизосомальной мембраной, начинается аутолиз. Выход ферментов за пределы клет­ки приводит к активации функциональных биохимических систем ограниченного протеолиза, липолиза и др. с образованием биоло­гически активных веществ.

Физиологическая и патологическая активность лизосом зави­сит от уровня стабильности мембран и активности лизосомальных ферментов.

К факторам, повреждающим мембраны лизосом относят:

микотоксины

канцерогенные вещества

фосфолипазы

продукты ПОЛ.

Дестабилизирующее влияние на лизосомы оказывают: гипоксия, нарушение КЩР.

К наследственным лизосомальным ферментопатиям относят болезни накопления: гликогенозы, гепатозы, некгорые болезни сосудов и некоторые формы ожирения.

РЕГУЛЯЦИЯ ФУНКЦИИ КЛЕТКИ

Циклические нуклеотиды. Кальмодулин.

Мы с вами уже разобрались со строением клеточной мембраны. Это сложно функционирующее образование, которое обеспечивает связь клетки с внешней средой, между клетками. Через нее идет поступление в клетку энергетического и пластического материала. На мембране находится множество рецепторов, воспринимающих сигнал и передающие его к эффекторам клетки. Этот процесс был всесто­ронне изучен в исследованиях действия гормонов. За открытие механизма действия гормонов Эрл Сазерленд в I97I году был удостоен Нобелевской премии.

Было установлено, что ответ клеток независимо от природы внешнего фактора генерализуется по универсальному плану и таким посредником между рецептором и эффектором является циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). цАМФ образуется из АТФ под действием аденилатциклазы, впоследствии инакгивируется фосфодиэстеразой.

 

АТФ + аденилатциклаза → цАМФ + фосфодиэстераза → АМФ

 

Конкретная ферментативная реакция или функциональные проявления обусловлены специализацией самой клетки:

- Мышечное волокно сокращается

- Железистые клетки секретируют

- Идет синтез ДНК и т.д.

Рецептор клеток коры надпочечников

Порой многогранное действие гормона определяется разнообразием функций клетки.

 

Вторым важным посредником является КАЛЬМОДУЛИН. Подобно цАМФ он участвует в развитии различных биохимических процессов.

1. Стимулирует секрецию гормонов (инсулина, тироксина, тройных гормонов гипофиза, гормонов надпочечников, нейромедиаторов).

2. Регулирует кишечную секрецию.

3. Высвобождает лизосомальные ферменты.

4. Вызывает дегрануляцию тканевых базофилов.

5. Регулирует синтез простагландинов.

6. Фагоцитоз и т.д.

Кальмодулин присоединяет к ферменту Са²⁺ и делает его высокоактивным.

Ферментативные системы клетки очень чувствительны к Са²⁺ и поэтому в клетке поддерживается довольно низкая его концентра­ция. Дальнейшее исследование выявило еще одного посредника - циклический гуанозинмоносфосфат (цГМФ), который находится в свое­образных антагонистических отношениях с цАМФ. Их взаимное влия­ние реализуется через изменения активности фосфодиэстераз. Отмечена способность цГМФ стимулировать гидролиз цАМФ, а в свою очередь цАМФ усиливает гидролиз цГМФ.

На примере тканевых базофилов видно, что эффект от стимуля­ции цГМФ и цАМФ разнонаправлен.

Са²⁺

 

Са²⁺

 

Таким образом, в процессах биохимической альтерации при воспалении накопление цАМФ ослабляет проявления воспаления, а цГМФ - усиливает.

Открыт еще один посредник - диацилглицерол, он активирует протеинкиназу С, которая резко повышает сродство Са²⁺ к фермен­ту и фосфорилирует многие белки.

Все посредники осуществляют свое действие через киназы - активаторы ферментативных процессов.

 

цАМФ → цАМФ-протеинкиназа

цГМФ → цГМФ-протеинкиназа

Кальмодулин → Фосфорилазокиназа

Диацилглицерол → Протеинкиназа С

 

Мы с вами разобрали ряд вопросов типических нарушений в патофизиологии клетки. Для вас должно быть понятно, что обсуж­денные нами вопросы ультраструктурных и молекулярных основ кле­точной патологии лежат в основе повреждения органов и тканей, следовательно, к данному материалу мы будем с вами возвращаться при изучении типических патологических процессов в органах и системах в курсе общей и частной патологической физиологии.