Жидкостно-мозаичная модель биологических мембран

В 1972 г. Джонатан Сингер и Гарт Николсон предложили жидкостно-мозаичную модель, объясняющую в общих чертах организацию биологических мембран. Согласно этой модели, мембраны представляют собой двумерные растворы определенным образом ориентированных глобулярных белков и липидов. В пользу предложенной модели свидетельствует большое количество экспериментальных данных. Основные положения жидкостно-мозаичной модели сводятся к следующему.

Большая часть мембранных фосфолипидов и гликолипидов представлена в виде бислоя. Липидный бислой играет двоякую роль, будучи одновременно растворителем для интегральных белков мембраны и барьером проницаемости. Небольшая часть мембранных липидов специфически связана с определенными мембранными белками и, вероятно, необходима для их функционирования.

Мембранные белки свободно диффундируют в липидном матриксе в латеральном направлении, но не могут перемещаться в поперечном направлении, т.е. от одной поверхности мембраны к другой.

Многие важные функции мембран выполняются специфическими белками. Белки выполняют роль насосов, каналов, рецепторов, ферментов и преобразователей энергии. Белки мембран встроены (интеркалированы) в липидный бислой, что создает пригодную для проявления их активности среду.

Помимо барьерной, плазматическая мембрана выполняет важную транспортную функцию. Перенос веществ через плазматическую мембрану это процесс, имеющий фундаментальное значение для всех живых клеток, в том числе и для обеспечения их электрической активности. Механизмы, с помощью которых молекулы и ионы могут проходить сквозь гидрофобную, плазматическую мембрану, можно подразделить на два типа: пассивный транспорт (диффузия, облегченная диффузия), когда перенос вещества осуществляется без затрат внешней энергии, и активный транспорт, требующий притока внешней энергии для переноса молекулы или иона через мембрану.

 

Основную роль в возникновении и поддержании электрических состояний мембраны играют следующие ее транспортные системы: активного транспорта - АТФ-азы и прежде всего Na⁺\K⁺ - АТФ-аза, и пассивного транспорта - ионные каналы.

Ионные каналы - надмолекулярные системы мембран клетки и ее органоидов, имеющие липопротеидную природу и обеспечивающие избирательное прохождение различных ионов сквозь мембрану в соответствии с разностью их электрохимического градиента по обе стороны мембраны. Наиболее распространены каналы для ионов Na⁺, К⁺, Са²⁺, Сl^-.

Наличие ионных каналов впервые было доказано для мембран нервной ткани. Структурно канал представляет собой, как бы, «пору» - транспортный белок, способный пропускать ионы через мембрану с огромной скоростью. Через один ионный канал может проходить 10⁷- 10⁸ ионов в секунду. Количество каналов на единицу площади мембраны так же очень велико, поэтому суммарный заряд переносимых ионов может быть относительно большим. Движение зараженных ионов, создает ток, текущий через плазматическую мембрану клетки. Изменение величины и направления этого тока, приводящее к изменению заряда самой плазматической мембраны и воспринимается клеткой как изменение окружающей среды. Этот процесс и лежит в основе электрической природы раздражимости.

Каналы обладают исключительной избирательностью, то есть, способны пропускать только определенный ион (или ионы), что определяется геометрическими параметрами «поры» и химической природой групп, выстилающих внутренние стенки канала и его устье (т.н. «селективные фильтры»).

Активность канала регулируется его воротным механизмом - белковым комплексом расположенным на его внутренней стороне. В покое «ворота» закрыты, а под действием раздражителя достаточной силы воротный механизм на тысячные доли секунды открывает или закрывает канал и таким образом регулирует поступление ионов внутрь или наружу клетки.

Состояние воротного механизма определяет три состояния любого канала: «открытый», «закрытый», и «инактивированный» (для К⁺ - канала только «открытый» и «закрытый»). «Инактивированный» канал в отличие от «закрытого» не может быть открыт.

Следует добавить, что существуют, так называемые, электро- и хемоуправляемые ионные каналы. Тип канала зависит от природы стимула к которому чувствителен воротный механизм. По современным представлениям, большинство каналов имеет смешанное регулирование: от заряда мембраны зависит вероятность открытия, а от химического регулятора - время нахождения в открытом состоянии.

Движение ионов через ионные каналы происходит пассивно, за счет их химического градиента. Поддержание же химического градиента обеспечивается структурами активного транспорта.

Одна из наиболее изученных систем активного транспорта - натрий-калиевая АТР-аза (натрий-калиевый насос) которая за счет энергии АТФ осуществляет активный перенос ионов Nа⁺ и К⁺ через плазматическую мембрану в противоположном направлении: К⁺ - в клетку, Na⁺ - из клетки. Результатом деятельности насоса является возникновение и поддержание мембранного потенциала или потенциала покоя клетки.

Потенциал покоя (ПП), мембранный потенциал - разность потенциалов, существующая у живых клеток в состоянии физиологического покоя, между их цитоплазмой и внеклеточной жидкостью.

Ионные основы возникновения потенциала покоя. В основе потенциала покоя лежит неравномерное распределение различных ионов (прежде всего К⁺) между вне- и внутриклеточным пространством, создаваемое непрерывной работой Na⁺/К⁺ - АТФ-азы. Закачивая в клетку ионы К⁺, и удаляя из клетки ионы Na⁺, (в соотношении 3К⁺ / 2Na⁺⁾, она создает мощнейший химический градиент этих ионов (10-15 раз) между вне- и внутриклеточным пространствами. Сам по себе, этот градиент не приводит к возникновению существенного заряда на мембране, т.к. заряд переносимых ионов одинаков, а электрогенность самой АТФ-азы невелика. Однако, возникающий градиент концентрации калия столь велик, что диффузия этого иона из клетки становится достаточно значимой, кроме того, часть его «стравливается» через неспособные к инактивации К⁺ - каналы. Вынос дополнительного, положительного заряда наружу приводит к тому, что, наружная сторона плазматической мембраны заряжается положительно относительно своей внутренней стороны, т.е. возникает потенциал. Поле, создаваемое избытком положительных ионов снаружи клетки формирует электрический градиент, который препятствует неограниченному выходу ионов К⁺ из клетки. Таким образом возникает динамическое равновесие способствующее непрерывному поддержанию определенной величины потенциала покоя.

Любая живая клетка поддерживает на мембране определенной величины потенциал. Его величина колеблется в значительных пределах, у нервных и мышечных клеток его величина составляет обычно 60 - 90 мВ, у других тканей не превышает 10 мВ. Различные внешние воздействия, способные изменяющие ионную проницаемость мембраны (то есть повлиять на воротный механизм канала), вызывают изменения величины ПП. Его уменьшение называется деполяризацией, а увеличение - гиперполяризацией мембраны. Для большинства тканей изменение потенциала происходит плавно – электротонически - и соответствует изменению силы и времени действия внешнего раздражителя.

Однако, в некоторых тканях (нервной, мышечной, железистой) под действием раздражителя, происходит быстрое, активное изменение потенциала покоя - потенциал действия. Потенциал действия лежит в основе процесса возбуждения.

Возбуждение - в физиологии активный физиологический процесс, которым некоторые живые клетки (нервные, мышечные, железистые) отвечают на внешнее воздействие. В естественных условиях возникновению возбуждения предшествуют процессы, протекающие на плазматической мембране клетки и преобразующие внешнее раздражение в электрический импульс.

Протекание процесса возбуждения связано с развитием в клетках сложных структурных и биохимических изменений приводящих к нарушению ионного равновесия (потенциала покоя) между цитоплазмой и средой, окружающей клетку. Такое изменение получило название - потенциал действия.

Потенциал действия (ПД), - быстрое колебание (спайк) мембранного потенциала, возникающее при возбуждении нервных, мышечных, некоторых железистых и растительных клеток; электрический сигнал, обеспечивающий быструю передачу информации в организме.

 

Ионные основы возникновения потенциала действия. В основе потенциала действия лежит изменение проницаемости плазматической мембраны для ионов Na⁺, приводящее к нарушению (изменению) распределения этого иона между вне- и внутриклеточным пространством. Это изменение проницаемости вызывается действием раздражителя.

Раздражитель действует на систему Na⁺ - каналов клетки увеличивая их проницаемость. Поступающие в клетку ионы начинают уменьшать величину потенциала покоя клетки - деполяризуют мембрану. Когда величина деполяризации достигнет критической величины - порога - процесс становится необратимым. При этом воротный механизм Nа⁺ канала открывается и входящие по градиенту ионы Na⁺ деполяризует мембрану полностью. Величина деполяризации мембраны может составлять 30-50 мВ.

Это состояние автоматического прогрессирующего нарушения мембранного заряда и есть суть возбуждения. Возбуждение пропорционально величине деполяризации, т.е. количеству входящих в клетку ионов, а величина деполяризации характеризуется амплитудой ПД и зависит от силы раздражителя.

Длительная деполяризация мембраны ведет к инактивации натриевых каналов и прекращению входа Na⁺. Недостаток положительно заряженных ионов (Na+) снаружи мембраны нарушает электрохимическое равновесие - потенциал покоя, что приводит к повышению калиевой проницаемости. Выход ионов калия наружу через неинактивируемые К⁺ каналы продолжается до восстановления электрохимического градиента т.е. потенциала покоя. Это фаза процесса возбуждения называется фазой реполяризацией.

Окончание процесса возбуждения и переход клетки в состояние физиологического покоя сопровождается активацией натрий-калиевого насоса перекачивающего ионы Nа⁺ из клетки, а ионы К⁺ - внутрь ее. В клетке восстанавливается способность к следующему акту возбуждения.

Биологическая роль электрических процессов, протекающих на плазматических мембранах как возбудимых так и не возбудимых клеток, заключается, прежде всего, в поддержании механизмов обеспечивающих возможность активного реагирование клеток на изменения окружающей среды. Эти механизмы лежат в основе процессов восприятия, а, так же, всех форм ответных реакций организма, от элементарных физиологических реакций до сложных форм поведения.