Первично активный транспорт.

Первично активный транспорт - это перенос отдельных ионов во­преки концентрационному и электрическому градиентам с помощью специальных ионных насосов, а также с помощью эндоцитоза, экзоцитоза и трансцитоза. В обоих случаях энергия расхо­дуется непосредственно на перенос частиц.

Насосы (помпы) представляют собой белковые молекулы, обладающие свойствами переносчика и АТФазной активностью. Не­посредственным источником энергии явля­ется АТФ. Достаточно хорошо изучены Na/К-, Са²⁺- и Н⁺-насосы. Есть основания предполагать наличие Сl^- -насоса, о чем сви­детельствует участие ионов Сl^- в процессах торможения ЦНС, а также в возникновении возбуждения в клетках проводящей системы сердца и в клетках рабочего миокарда. Отсут­ствие хлорной помпы привело бы к исчезно­вению концентрационного градиента ионов Сl^- в перечисленных клетках и нарушению процессов возбуждения и торможения в них, чего в реальной действительности не наблю­дается. Насосы локализуются на клеточных мембранах или на мембранах клеточных органелл.

Основными характеристи­ками мембранных насосов являются:

- специфичность (селективность);

- постоянная работа;

Специфичность насосов (селективность) заключается в том, что они обычно переносят какой-то оп­ределенный ион или два иона. Например, Na/К-насос (объединенный насос для Nа⁺ и К⁺) не способен переносить ион лития, хотя по своим свойствам последний очень близок к натрию.

Натрий-калиевый насос (Nа/К-АТФаза ) — это интегральный белок клеточной мембра­ны, обладающий, как и все другие насосы, свойствами фермента, т.е. сам переносчик обеспечивает расщепление АТФ и освобож­дение энергии, которую он же сам и исполь­зует. Этот насос изучен наиболее хорошо, он имеется в мембранах всех клеток и создает характерный признак живого — градиент концентрации Nа+ и К+ внутри и вне клетки, что обеспечивает формирование мембранно­го потенциала и вторичный транспорт ве­ществ. Главными активаторами насоса явля­ются гормоны (альдостерон, тироксин), не­достаток энергии (кислородное голодание) ингибирует насос. Его специфическими блокаторами являются строфантины, особенно уабаин. Работа натриевого насоса после уда­ления К+ из среды сильно нарушается.

Кальциевый насос (Са²⁺-АТФаза) локализу­ется в саркоплазматическом ретикулуме мы­шечной ткани, в эндоплазматическом рети­кулуме других клеток, клеточной мембране. Насос обеспечивает транспорт Сa2+ и строго контролирует содержание Са2+ в клетке, по­скольку изменение содержания Са2+ в ней нарушает функцию. Насос переносит Са2+ либо во внеклеточную среду, например, в клетках сердечной и скелетных мышц, либо в цистерны ретикулума и митохондрии (внут­риклеточное депо Са2+).

Протонный насос (Н⁺-АТФаза) имеется в мембране обкладочных клеток в желудке, где играет важную роль в выработке соляной кислоты; в почке он участвует в регуля­ции рН внутренней среды организма; этот насос постоянно работает во всех митохонд­риях.

Постоянная работа насосов необходима для поддержания концентрационных гради­ентов ионов, связанного с ними электричес­кого заряда клетки и движения воды и неза­ряженных частиц в клетку и из клетки вто­рично активно, в частности согласно законам диффузии и осмоса. Совокупность этих про­цессов обеспечивает жизнедеятельность клетки. В результате разной проницаемости. клеточной мембраны для разных ионов и по­стоянной работы ионных помп концентра­ция различных ионов внутри и снаружи клет­ки 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 преоблада­ют отрицательные ионы, а снаружи — поло­жительные.

Преобладающими ионами в организме человека являются Na⁺, К⁺, Сl^-, причем К⁺ находится преимущественно в клетке, а Na⁺ и Сl^- — во внеклеточной жидкости. Внутри клетки находятся также крупномолекуляр­ные (в основном белкового происхождения) анионы. Роль первичного транспорта в поддержании различной концентрации разных ионов легко доказать, например, в опыте с эритроцитами. Если с помощью цианида подавить дыхание эритроцитов, то их ион­ный состав начинает постепенно меняться: Nа⁺ и Сl^- 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, благо­даря чему и поддерживаются концентраци­онные градиенты.

Более трети энергии АТФ, потребляемой клеткой в состоянии покоя, расходуется на перенос только Na⁺ и К⁺, т.е. на работу Na⁺/К.⁺-насоса. Это обеспечивает сохранение клеточного объема (осморегуляция), поддер­жание электрической активности в нервных и мышечных клетках, транспорт других ве­ществ в различных клетках организма.

Механизм работы ионных насосов.Nа⁺/К⁺-насос — молекула интегрального белка, пронизывающая всю толщу клеточной мембраны. Молекула имеет участок, который связывает либо Na⁺, либо К⁺, — это активный участок. При конформации Е₁ белковая молекула активной своей частью обращена внутрь клетки и об­ладает сродством к Nа⁺, который присоеди­няется к белку, в результате чего активирует­ся АТФаза, обеспечивающая гидролиз АТФ и освобождение энергии. Последняя обеспечи­вает конформацию молекулы белка: она пре­вращается в форму Е₂, в результате чего ак­тивный ее участок уже обращен наружу кле­точной мембраны. Теперь белок теряет сродство к Na⁺, последний отщепляется от него, а белок-помпа приобретает сродство к иону К⁺ и соединяется с ним. Это ведет снова к изме­нению конформации переносчика: форма Е₂ переходит в форму Е₁, когда активный учас­ток белка снова обращен внутрь клетки. При этом он теряет сродство к иону К⁺, и тот от­щепляется, а белок приобретает снова срод­ство к иону Na⁺ — это один цикл работы помпы. Затем цикл повторяется. Насос явля­ется электрогенным, поскольку за один цикл выводится из клетки 3 иона Nа⁺, а возвраща­ется в клетку 2 иона К⁺. На один цикл рабо­ты Na/К-насоса расходуется одна молекула АТФ, причем энергия расходуется только на перенос Na⁺.

Подобным образом работают и Са-АТФазы сарко- и эндоплазматической сетей, а также клеточной мембраны, с тем лишь раз­личием, что переносятся только ионы Ca²⁺ 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, связы­вающий два иона Са²⁺, и может быть в двух конформациях — Е₁ и Е₂. В конформации Е₁ активный участок молекулы белка обращен в гиалоплазму, обладает сродством к Са²⁺ и со­единяется с ним. В результате насос перехо­дит в конформацию Е₁, когда активный учас­ток молекулы белка обращен внутрь саркоплазматического ретикулума или наружу клетки. При этом уменьшается сродство белка к Са²⁺, последний отщепляется от него. В присутствии иона магния освобождается энергия АТФ, за счет которой молекула белка Са-АТФазы вновь переходит в конфор­мацию Е₁; цикл повторяется. Одна молекула АТФ переносит два иона Са²⁺.

Эндоцитоз, экзоцитоз и трансцитоз (микровезикулярный транспорт) — это еще три вида первично-активного транспорта, близких по механизму друг к другу, посредст­вом которых различные материалы перено­сятся через мембрану либо в клетку (эндоцитоз), либо из клетки (экзоцитоз), либо через клетку (трансцитоз). С помощью этих меха­низмов транспортируются крупномолекуляр­ные вещества (белки, полисахариды, нуклеи­новые кислоты), которые не могут транспор­тироваться по каналам или с помощью насо­сов.

При эндоцитозе клеточная мембрана об­разует впячивания или выросты внутрь клет­ки, которые, отшнуровываясь, превращаются в пузырьки. Последние затем обычно слива­ются с первичными лизосомами, образуя вторичные лизосомы, в которых содержимое подвергается гидролизу — внутриклеточному перевариванию. Продукты гидролиза исполь­зуются клеткой. Различают два типа эндоцитоза — фагоцитоз (поглощение твердых час­тиц) и пиноцитоз — поглощение жидкого ма­териала (раствор, коллоидный раствор, в том числе и белков, суспензия). Пиноцитоз ха­рактерен для амебоидных простейших и для многих других клеток, таких как лейкоциты, клетки зародыша, клетки печени и некото­рые клетки почек, участвующие в водно-со­левом обмене, в обмене белков: они обеспе­чивают пиноцитоз белков из первичной мочи в клетки проксимальных канальцев и их лизис. С помощью пиноцитоза новорожден­ные получают с молоком матери иммуногло­булины, которые через энтероциты попадают в кровь ребенка и выполняют свои защитные функции. Процесс эндоцитоза имеет место при всасывании веществ в желудочно-ки­шечном тракте.

Экзоцитоз — процесс, обратный эндоцитозу; это наиболее распространенный ме­ханизм секреции. Таким способом различные материалы выводятся из клеток: из пресинаптических окончаний — медиатор, из пи­щеварительных вакуолей удаляются остав­шиеся непереваренными частицы, а из сек­реторных клеток путем экзоцитоза выводится их жидкий секрет (слизь, гормоны, фермен­ты), из гепатоцитов — альбумины.

Экзоцитозные пузырьки образуются в аппарате Гольджи. В пузырьки упаковываются белки, обра­зовавшиеся в рибосомах эндоплазматического ре­тикулума. Низкомолекулярные вещества (медиа­торы, некоторые гормоны) попадают в везикулы преимущественно с помощью вторичного транс­порта. Пузырьки транспортируются сократитель­ным аппаратом клетки, состоящим из нитей акти­на, миозина и микротрубочек, к клеточной мем­бране, сливаются с ней, и содержимое клеток вы­деляется во внеклеточную среду. Энергия АТФ расходуется на деятельность сократительного ап­парата клетки. Процесс слияния везикул с клеточ­ной мембраной активируется фосфолипидом лизолецитином и внутриклеточным Са²⁺. Например, поступление Са²⁺ в нервное окончание обеспечи­вает выделение медиатора через пресинаптическую мембрану в синаптическую щель. В процессе взаимодействия эндо- и экзоцитоза происходит самообновление клеточной мембраны (кругообо­рот, рециркуляция): в течение каждого часа в про­цессе эндоцитоза в разных клетках используется от 3 до 100 % клеточной оболочки, но с такой же скоростью происходит ее восстановление в ре­зультате экзоцитоза.

Трансцитоз сочетает в себе элементы эндо- и экзоцитоза: это перенос частиц через клетку, например, молекул белка в виде вези­кул — через эндотелиальную клетку капилля­ров на другую ее сторону. В этом случае эндоцитозные пузырьки не взаимодействуют с лизосомами. При этом пузырьки могут сли­ваться друг с другом, образуя каналы, пересе­кающие всю клетку.

Вторично активный транспорт

Вторичный транспорт — переход различных частиц и молекул воды за счет ранее запасен­ной (потенциальной) энергии. Потенциаль­ная энергия создается в виде электрического, концентрационного и гидростатического гра­диентов (это обеспечивает диффузию, осмос, следование за растворителем) и градиента гидростатического давления жидкости, обес­печивающего фильтрацию, что создается дея­тельностью сердца, скелетных и гладких мышц. К вторичному транспорту относятся следующие виды транспорта.

Диффузия. Согласно законам диффу­зии, частицы перемещаются из области с вы­сокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Частицы с одноименными электрическими зарядами отталкиваются, с разноименными зарядами — притягиваются друг к другу. Направление диффузии опреде­ляется взаимодействием электрического и концентрационного (химического) градиен­тов. Если частицы не заряжены, то направле­ние их диффузии определяется только гради­ентом концентрации. Скорость диффузии определяется проницаемостью мембраны, а также градиентом концентрации для незаря­женных частиц; электрическим и концентра­ционным градиентами — для заряженных частиц. Направления действия электрическо­го и концентрационного градиентов могут не совпадать. Например, Na+ в процессе воз­никновения возбуждения продолжает посту­пать в клетку, когда она внутри уже заряжена положительно. Этот переход ионов обеспечи­вается концентрационным градиентом во­преки электрическому градиенту. Совокуп­ность химического (концентрационного) и электрического градиентов называют элект­рохимическим градиентом. Различают прос­тую 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 электрохимичес­кому градиенту, а незаряженные — согласно только химическому градиенту. Через липид­ный бислой проходят жирорастворимые час­тицы. Если они находятся в воде по одну сто­рону мембраны, то могут внедряться в липидную оболочку благодаря тепловому дви­жению (при этом необходимо освободиться от гидратной оболочки). Частицы-неэлектро­литы обычно легко освобождаются от гидрат­ной оболочки (разрыв водородных связей). Естественно, с уменьшением молекулярной массы способность перехода частиц через мембрану возрастает. Примером простой диффузии через липидный слой может слу­жить диффузия малых незаряженных поляр­ных молекул этанола, кислорода, углекисло­го газа, стероидных гормонов и других липидов, 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 ко­торым 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), заряжен­ные молекулы. Диаметр этих каналов 0,3— 0,8 нм. Скорость диффузии определяется электрохимическим градиентом и проницае­мостью клеточной мембраны для данного ве­щества. С течением времени скорость про­стой диффузии изменяется мало, пока суще­ствует движущая сила (электрический или концентрационный градиенты), так как по одному и тому же каналу или через липид­ный бислой после прохождения одной части­цы сразу же может следовать другая.

Облегченная диффузия осуществляется также согласно концентрационному градиен­ту и обеспечивает перенос веществ, способ­ных образовывать комплексы с другими мо­лекулами-переносчиками. Переносчик — специфический мембранный белок должен свободно переходить с одной стороны мем­браны на другую. Этот транспорт осущест­вляется очень быстро. С помощью простой диффузии не могут проходить через мембра­ну даже небольшие полярные молекулы — моносахариды, аминокислоты. Облегченная диффузия имеет ряд особенностей по сравне­нию с простой диффузией. 1. Имеются спе­цифические 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 пере­носчик. 2. У молекулы-переносчика может быть особый канал, пропускающий вещество только одного определенного типа. 3. С уве­личением концентрации вещества с одной стороны мембраны скорость облегченной диффузии возрастает только до определенно­го предела в отличие от простой диффузии. Прекращение нарастания облегченной диф­фузии при увеличении концентрации веще­ства свидетельствует о том, что все перенос­чики уже заняты — явление насыщения. Пере­носчиками являются белковые молекулы мембран, которые совершают челночные движения с одной стороны мембраны на дру­гую и обратно либо встраиваются в мембра­ну. В последнем случае образуется канал, по которому проходят транспортируемые веще­ства, в основном сахара, аминокислоты. Од­нако неясно, каким образом транспортиру­ются сами переносчики.

В случае предполагаемых челночных движений белковых молекул-переносчиков возникает во­прос: какая сила обеспечивает транспорт самих переносчиков? Если это одностороннее движе­ние, то оно быстро прекратится после уравнива­ния концентрации самих переносчиков по обе стороны клеточной мембраны. На этот вопрос от­вета пока нет. Возможны два механизма. Во-пер­вых, за счет создания градиента концентрации самого переносчика, с помощью концентрацион­ного градиента транспортируемого вещества. Если, например, концентрация глюкозы больше вне клетки, нежели в клетке, то она может пере­ходить в клетку согласно своему градиенту кон­центрации. Образование комплекса молекул глю­коза — переносчик лишь улучшает прохождение глюкозы через мембрану согласно концентраци­онному градиенту глюкозы. Движущей силой яв­ляется 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 на­личии концентрационного градиента транспорти­руемого вещества, например при более высокой концентрации глюкозы и аминокислот в кишеч­нике вследствие приема пищи и гидролиза пище­вых веществ. Далее глюкоза и аминокислоты могут переходить из клетки в кровь согласно их концентрационным градиентам — если в энтероцитах их концентрация больше, чем в плазме крови. Из плазмы крови аминокислоты и глюкоза поступают в клетки различных органов и тканей организма согласно концентрационным их гради­ентам, так как клетка расходует эти вещества. По всей этой цепочке: полость кишки — энтероциты — кровь — интерстиций — клетки организма транспорт глюкозы и аминокислот осуществляет­ся без затрат энергии — это исключение из обще­го правила. В кишечнике же глюкоза и аминокис­лоты накапливаются вследствие пищеварения, на что также затрачивается энергия — механическая обработка пищи, продвижение ее химуса по желу­дочно-кишечному тракту, выработка пищевари­тельных соков. Во-вторых, челночные движения переносчика могут осуществляться или допол­няться с помощью ионов К⁺ Известно, что К⁺ постоянно диффундирует из клетки согласно кон­центрационному градиенту. При этом на внутрен­ней стороне мембраны клетки может образоваться комплекс ион К⁺ — молекула переносчика, кото­рый и перейдет на внешнюю сторону клеточной мембраны. В этом случае движущей силой являет­ся концентрационный градиент К⁺, который затем переносится в клетку Na/К-помпой с непо­средственной затратой энергии, т.е. первично ак­тивно. Напомним, что энергия здесь затрачивает­ся только на транспорт Nа⁺ — транспорт веществ экономичен. Переносчик же транспортируется вторично активно: если не будет работать Na/K-помпа, челночные движения переносчика, соглас­но такому представлению, прекратятся, при этом сохраняется простая диффузия в случае наличия градиента концентрации вещества.

Осмос — это частный случай диффузии: движение воды (растворителя) через полу­проницаемую мембрану в область с большей концентрацией частиц, т.е. с большим ос­мотическим давлением. Осмотическое давле­ние — это диффузионное давление, обеспе­чивающее движение растворителя через полупроницаемую мембрану. Измеряется оно минимальным механическим давлением на раствор (например, с помощью поршня), препятствующим движению растворителя через полупроницаемую мембрану. Осмоти­ческое давление одномолярного раствора чрезвычайно велико: 22,4 атм, в плазме крови оно существенно ниже — 7,6 атм, не­сколько больше оно внутри клетки, что обес­печивает ее упругость вследствие поступле­ния воды в клетку и растяжения ее мембра­ны. Вода поступает в клетку через водные ка­налы 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.

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 серд­ца (фильтрация в артериальном конце капил­ляра всех органов и тканей организма, а также образование первичной мочи в почке), либо гладкой мускулатурой желудочно-ки­шечного тракта и мышечного пресса, обеспе­чивающих повышение гидростатического давления в полости желудка и кишечника, что способствует всасыванию веществ в кровь.

В процессе фильтрации поток воды через мембрану увлекает за собой растворен­ные вещества, свободно проходящие через полупроницаемую мембрану, при этом час­тицы переходят через мембрану в неизменен­ной концентрации. Это наблюдается, напри­мер, в артериальном конце капилляров всех органов и тканей организма, в собиратель­ных трубках почки при переходе воды в моз­говой слой почки. Растворенные частицы, например мочевина, переходят с жидкостью в интерстиций почки, аминокислоты и глю­коза — в интерстиций всех органов и тканей организма.

Натрийзависимый транспорт. В этом случае энергия затрачивается на создание градиента натрия. Имеется два варианта дан­ного механизма транспорта.

Первый вариант, когда направление дви­жения транспортируемого вещества совпадает с направлением движения натрия согласно его электрохимическому градиенту (симпорт), например перенос глюкозы в прокси­мальных канальцах нефрона в клетку каналь­ца из первичной мочи. Глюкоза соединяется с белком-переносчиком, последний соединя­ется с Nа⁺, а Nа⁺, согласно концентрацион­ному и электрическому градиентам, диффун­дирует в клетку канальца и несет с собой глюкозу. На внутренней стороне клеточной мембраны комплекс распадается, Na⁺ выво­дится 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 диф­фузии (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 моносахара в кишечнике, если всасывание идет вопреки концентрационному градиенту; про­исходит обратный захват медиатора в пресинаптическую терминаль из синаптической щели в синапсах ЦНС. Транспорт веществ с помощью Nа⁺ осуществляется согласно зако­нам диффузии для Na⁺. Транспортируемое вещество при этом может поступать в клетку вопреки собственному концентрационному градиенту. Движущей силой является электрохимический градиент Nа⁺. Глюкоза вместе с Nа⁺ идет в клетку даже в том случае, если ее концентрация в клетке больше, неже­ли в среде, если, конечно, электрохимичес­кий градиент Nа⁺ превосходит концентраци­онный градиент глюкозы.

Второй вариант натрийзависимого транс­порта, когда перемещение транспортируемых частиц направлено в противоположную по от­ношению к движению Nа⁺ сторону, — это антипорт (противотранспорт). Этим обмен­ным механизмом регулируется, например, со­держание Са²⁺ в клетке, рН внутри клетки за счет выведения Н⁺-иона в обмен на внекле­точный Nа⁺. В большинстве клеток (а воз­можно, и во всех) внутриклеточная концент­рация Са²⁺ на несколько порядков ниже вне­клеточной. Концентрационный градиент Nа⁺ участвует в выведении Са²⁺ из клетки (в соот­ношении ЗNа⁺: 1Са²⁺). В некоторых клетках (кардиомиоциты, гладкомышечные клетки) он играет главную роль. Об этом свидетельст­вует, в частности, следующий факт. Выведе­ние Са²⁺ из клеток снижается, если удалить из внеклеточной среды Nа⁺. Это позволяет пред­положить, что Са²⁺ выводится из клетки в обмен на поступающий в нее Nа⁺ и противоположно направленные потоки этих ионов сопряжены друг с другом; обеспечивается он переносчиком-обменником. Исходным ис­точником энергии этого процесса опять явля­ется градиент Nа⁺, который в конечном счете формируется за счет АТФ-зависимого актив­ного транспорта Nа⁺. Поэтому при ингибировании Nа/К-АТФазы сердечными гликозидами, при уменьшении внеклеточной концент­рации Nа⁺ и в бескалиевой среде.(когда Nа⁺ выводится из клетки недостаточно) Nа/Са-обменник блокируется, в результате чего уве­личивается внутриклеточная концентрация Са²⁺, что ведет к увеличению силы сокраще­ния сердца. Это свойство сердечных гликозидов используется в клинической практике.

Вторичный транспорт веществ играет важ­ную роль в деятельности почки, например работа Nа/Н-обменника в канальцах почек. В этом случае выведение Н⁺ из клеток, вы­стилающих почечный каналец, в просвет ка­нальца сопряжено с поглощением клетками Nа⁺ в отношении 1:1, что весьма важно: не приходится затрачивать энергию на выполне­ние электрической работы в процессе регуля­ции рН среды, поскольку происходит обмен двух одинаковых положительных зарядов.

Конкретный механизм работы переносчика-обменника неясен. Переносчик может транспортировать Са²⁺ и Н⁺ вопреки их электрическим и концентраци­онным градиентам только в том случае, если сам пере­носчик имеет собственный градиент, — его концентра­ция в клетке больше, чем вне клетки, причем этот гра­диент должен постоянно поддерживаться, иначе перенос Са²⁺ и Н⁺ прекратится. Полагаем, что выведение Са²⁺ и Н⁺ из клетки в результате диффузии Nа⁺ в клетку (противотранспорт) осуществляется следую­щим образом. На постоянно поступает в клетку, со­гласно своему электрохимическому градиенту, и транспортирует с собой (в комплексе) молекулы-пере­носчики с внешней стороны клеточной мембраны на внутреннюю, что и ведет к созданию их концентраци­онных градиентов, направленных из клетки. Са²⁺ 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 Nа/К насоса ведет к накоплению Са²⁺ в кардиомиоцитах (транспорт Са²⁺ из клетки уменьшается). Это примеры вторичного транспорта вещества за счет пер­вичного транспорта Nа⁺, который с помощью помпы выводится из клетки. Переносчики совершают челноч­ные движения за счет работы Nа/К-насоса — вторич­но активно и транспортируют с собой Са²⁺ и Н⁺.

Таким образом, механизмы вторичного транспорта веществ весьма разнообразны. Что касается вторичного транспорта ионов, то он осуществляется, как правило, с помо­щью простой диффузии через специальные ионные каналы.

Ионные каналы

Ионные каналы образованы белками, они весьма разнообразны по устройству и меха­низму их действия. Известно более 50 видов каналов, каждая нервная клетка имеет более 5 видов каналов. Состояние активации управ­ляемого ионного канала обычно длится око­ло 1 мс, иногда до 3 мс и значительно боль­ше, при этом через один канал может пройти 12—20 млн ионов.

Классификация ионных каналов прово­дится по нескольким признакам.

По возможности управления их функцией различают управляемые и неуправляе­мые 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. Напри­мер, потенциал действия в скелетной мышце возникает в следствие активации быстрых Nа- и К-каналов. В развитии потенциала действия сердечной мышцы наряду с бы­стрыми каналами для Nа⁺ и К⁺ важную роль играют медленные каналы — кальциевые, ка­лиевые и натриевые.

В зависимости от стимула, активирую­щего или инактивирующего, управляемые ионные каналы различают несколько их видов:

а)потенциалчувствительные,

б)хемочувствительные,

в)механочувствительные,

г)кальцийчувствительные,

д) каналы, чувст­вительные ко вторым посредникам.

Послед­ние расположены во внутриклеточных мем­бранах, они изучены недостаточно, так же как и кальцийчувствительные каналы. При взаимодействии медиатора (лиганда) с рецепторами, расположенными на поверхности клеточной мембраны, может происходить от­крытие ворот хемочувствительных каналов, поэтому их называют также рецепторуправляемыми каналами. Л и г а н д — это биологи­чески активное вещество или фармакологи­ческий препарат, активирующий или блокирующий рецептор. Открытие хемочувстви­тельных каналов происходит в результате конформационных изменений рецепторного комплекса. Ворота потенциалзависимых ка­налов открываются и закрываются при изме­нении величины мембранного потенциала. Поэтому в конструкции их воротного механизма должны быть частицы, несущие элект­рический заряд. Механочувствительные ка­налы активируются и инактивируются сдав­ливанием и растяжением. Кальцийчувстви­тельные каналы активируются, как видно из названия, кальцием, причем Са²⁺ может ак­тивировать как собственные каналы, напри­мер Са-каналы саркоплазматического ретикулума, так и каналы других ионов, напри­мер каналы ионов К⁺. Мембраны возбудимых клеток (гладких и поперечнополосатых мышц, в том числе и сердечной мышцы, нервной системы) содержат потенциале-, хемо-, механо- и кальцийчувствительные ка­налы. Следует заметить, что кальций-чувствительные каналы — это один из примеров хемо­чувствительных каналов.

В зависимости от селективности разли­чают ионоселективные каналы, пропускаю­щие только один ион, и каналы, не обладаю­щие селективностью. Имеются Nа-, К-, Са-, С1- и Nа/Са-селективные каналы. Есть кана­лы, пропускающие несколько ионов, напри­мер Nа⁺, К⁺ и Са²⁺ в клетках миокарда, т.е. не обладающие селективностью. Наиболее высока степень селективности потенциал чувствительных (потенциалзависимых) каналов, несколько ниже она у хемочувствительных (рецепторзависимых) каналов. Например, при действии ацетилхолина на Н-холинорецептор постсинаптической мембраны в нерв­но-мышечном синапсе активируются ионные каналы, через которые проходят одновремен­но ионы Nа⁺, К⁺ и Са²⁺. Механочувствитель­ные каналы являются вообще неселективны­ми для одновалентных ионов и Са²⁺.

Один и тот же ион может иметь не­сколько видов каналов. Наиболее важными из них для формирования биопотенциалов являются следующие.

Каналы для К⁺:

а) неуправляемые каналы покоя (каналы утечки) через которые К⁺ постоянно выходит из клетки, что является глав­ным фактором в формировании мем­бранного потенциала(потенциала покоя);

б) потенциалчувствительные управляемые К-каналы;

в) К-каналы, активируемые Са²⁺;

г) каналы, активируемые и другими иона­ми и веществами, например ацетилхолином, что обеспечивает гиперполяризацию миоцитов сердца.

Каналы для Nа⁺ — управляемые быстрые и медленные и неуправляемые (каналы утечки ионов):

а) потенциалчувствительные быстрые Na-каналы — быстро активирующиеся при уменьшении мембранного потенциала, обеспечивают вход Nа⁺ в клетку во вре­мя ее возбуждения;

б) рецепторуправляемые Nа-каналы, активируемые ацетилхолином в нервно-мы­шечном синапсе, глутаматом — в си­напсах нейронов ЦНС;

в) медленные неуправляемые Nа-каналы—каналы утечки, через которые Nа⁺ постоянно диффундирует в клетку и пере носит с собой другие молекулы, напри­мер глюкозу, аминокислоты, молекулы-переносчики. Таким образом, Nа-каналы утечки обеспечивают вторичный транспорт веществ и участие Nа⁺ в фор­мировании мембранного потенциала.

Каналы для Са²⁺ весьма разнообразны и наиболее сложны: рецепторуправляемые и потенциалуправляемые, медленные и бы­стрые:

а) медленные кальциевые потенциалчувствительные каналы (новое название: L-типа), медленно активирующиеся при деполяризации клеточной мембра­ны, обусловливают медленный вход Са²⁺ в клетку и медленный кальциевый потенциал, например, у кардиомиоцитов. Имеются в исчерченных и гладких мышцах, в нейронах ЦНС;

б) быстрые кальциевые потенциалчувствительные каналы саркоплазматического ретикулума обеспечивают выход Са²⁺ в гиалоплазму и электромеханическое со­пряжение.

Каналы для хлора имеются в скелетных и сердечных миоцитах, эритроцитах, в неболь­шом количестве в нейронах и сконцентри­рованы в синапсах. Потенциалуправляемые С1-каналы имеются в кардиомиоцитах, ре­цепторуправляемые в синапсах ЦНС и ак­тивируются тормозными медиаторами ГАМК и глицином.

Структура ионных каналов и их функци­онирование. Каналы имеют устье и селектив­ный фильтр, а управляемые каналы — и во­ротный механизм; каналы заполнены жид­костью, их размеры 0,3—0,8 нм. Селектив­ность ионных каналов определяется их раз­мером и наличием в канале заряженных час­тиц. Эти частицы имеют заряд, противопо­ложный заряду иона, который они притяги­вают, что обеспечивает проход иона через данный канал (одноименные заряды, как из­вестно, отталкиваются). Через ионные кана­лы могут проходить и незаряженные частицы. Ионы, проходя через канал, должны из­бавиться от гидратной оболочки, иначе их размеры будут больше размеров канала. Диа­метр иона Nа⁺, например, с гидратной обо­лочкой равен 0,3 нм, а без гидратной оболоч­ки — 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 «просеива­ния» не в состоянии объяснить, например, почему К⁺ не проходит через открытые Nа-каналы в начале цикла возбуждения клет­ки, но тем не менее она дает удовлетвори­тельное, а в некоторых случаях и абсолютно убедительное объяснение избирательной (се­лективной) проницаемости клеточных мем­бран для разных частиц и ионов.

У каналов одного и того же вида возможно взаимовлияние друг на друга. Так, открытие одних электроуправляемых ка­налов способствует активации рядом распо­ложенных электрочувствительных каналов, в то время как открытие одного хемо- или механочувствительного канала и прохождение через него ионов практически не влияют на состояние соседних таких же каналов. Час­тичная деполяризация клеточной мембраны за счет активации механочувствительных ка­налов может привести к активации потенциалчувствительных каналов Nа⁺, К⁺ (или Cl^-) и Са²⁺.

Ионные каналы блокируются специфи­ческими веществами и фармакологическими препаратами, что широко используется с ле­чебной целью. Специфическим блокатором механочувствительных каналов является Gadolinium (Gd³⁺). Блокаторами различных потенциалчувствительных каналов являются разные препараты или химические вещества. Так, например, блокатором хемочувствительного (рецепторчувствительного) канала эффекторных клеток, активируемого ацетилхо­лином, является атропин. Потенциалзависимые Nа-каналы блокируются тетродотоксином (действует только снаружи клетки); кальциевые — двухвалентными ионами, на­пример ионами никеля, марганца, а также верапамилом, нифедипином. Число ионных каналов на клеточной мембране огромно. Так, на 1 мкм² насчитывают примерно 50 Nа-каналов, в среднем они располагаются на расстоянии 140 нм друг от друга. Успеш­ное изучение ионных каналов дает возмож­ность глубже понять механизм действия фар­макологических препаратов, а значит, более успешно применять их в клинической прак­тике. Новокаин, например, как местный анестетик снимает болевые ощущения пото­му, что он, блокируя Nа-каналы, прекращает проведение возбуждения по нервным волок­нам.

Затраты энергии при тра