Біофізичні процеси в клітині

Біофізичні процеси в клітинах забезпечують реалізацію механізмів нервової регуляції, регуляцію фізико-хімічних показників внутрішнього середовища (осмотичний тиск, рН), створення електричних зарядів клітин, виникнення і поширення збудження, виділення секретів (гормонів, ферментів і інших біологічно активних речовин), реалізацію дії фармакологічних препаратів. Дані процеси можливі завдяки функціонуванню транспортної системи. З перенесенням речовин через мембрани також пов’язані процеси метаболізму клітини, в тому числі біоенергетичні і багато інших. Фармакологічна дія практично будь-якого лікарського препарату також обумовлено його проникненням через клітинні мембрани, а ефективність в значній мірі залежить від її проникності.

Механізми транспорту речовин. Перенесення різних речовин як в клітку, так і з неї, може бути пасивним (дифузія, осмос, фільтрація) або активним за допомогою білків-“переносників” (дивись малюнок 1.4.5).

Транспорт речовин через мембрану в клітину може бути пасивним і активним.

При пасивному перенесення вода, іони, деякі низькомолекулярні з’єднання через різницю концентрацій вільно переміщаються і вирівнюють концентрацію речовини всередині і поза клітиною.

У пасивному перенесення основну роль грають такі фізичні процеси, як дифузія, осмос і фільтрація. Пояснимо суть цих процесів стосовно клітці.

Як вже зазначалося раніше, при будь-яких умовах молекули завжди знаходяться в русі. Джерелом енергії для цього руху служить тепло. Всі предмети на Землі по суті нагріті, і тільки при абсолютному нулі (-273 ° C) рух молекул може припинитися, а разом з цим може зупинитися і дифузія – мимовільне переміщення молекул і іонів в галузі вищої в область більш низької концентрації. У живому організмі дифузія молекул відбувається, як правило, у водному розчині. Мембрана клітини є проникною для одних речовин і непроникною для інших. Якщо клітинна мембрана проникна для молекул розчиненої речовини, вона не перешкоджає дифузії (малюнок 1.4.5, вид А).

Осмос – особливий вид дифузії води через напівпроникну мембрану в область більш високої концентрації розчиненого речовини (малюнок 1.4.5, вид Б). В результаті такого руху всередині клітини створюється значний тиск, який називають осмотичним. Це тиск може навіть зруйнувати клітину.

Ось один із прикладів прояви осмотичної реакції. Якщо еритроцити помістити в чисту воду, то під дією осмосу вода буде швидше проникати в них, ніж виходити. Таке середовище називається гипотонической, і в нашому випадку, у міру проникнення води еритроцит буде набухати і “лопатися”. Інша ситуація – изотоническая середу. Якщо помістити еритроцити в воду, що містить 0,87% кухонної солі, то осмотичного тиску не створюється. Це пояснюється тим, що при рівній концентрації розчину всередині і зовні клітини вода рухається однаково в обох напрямках. Нарешті, середовище вважається гіпертонічної, коли концентрація розчинених в ній речовин вище, ніж в клітці. Клітка (еритроцит) в такому середовищі починає втрачати воду, зменшується і гине.

Всі ці особливості осмосу доводиться враховувати при введенні лікарських речовин. Як правило, ліки, призначені для ін’єкцій, готуються на фізіологічному розчині. Це запобігає набухання або зморщування клітин крові при введенні ліків. Краплі в ніс також готують на фізіологічному розчині, щоб уникнути набрякання або зневоднення клітин слизової оболонки носа. Ви, напевно, пам’ятаєте, як неприємно, коли в ніс при купанні потрапляє вода. Пояснення просте: прісна вода (гіпотонічний розчин) викликає набухання клітин слизової оболонки носової порожнини, а морська вода (гіпертонічний розчин) – зморщування.

Осмосом пояснюються і деякі ефекти ліків, наприклад, проносну дію англійської солі (магнію сульфат) та інших сольових проносних. Справа в тому, що в просвіті кишечника вони утворюють гіпертонічну середу. Вода під впливом осмосу виходить з клітин кишкового епітелію, міжклітинної простору і крові в просвіт кишечника, розтягує стінки кишечника, розріджує його вміст і прискорює випорожнення.

Фільтрація – рух молекул води і розчинених в ній речовин через клітинну мембрану в напрямку, протилежному дії осмотичного тиску (малюнок 1.4.5, вид В). Цей процес стає можливим, якщо розчин в клітці знаходиться під тиском, яке вище осмотичного. Так, наприклад, серце нагнітає кров в судини під певним тиском. У найтонших капілярах це тиск зростає і стає достатнім, щоб змусити воду і розчинені в крові речовини вийти з капілярів у міжклітинний простір. Утворюється так звана тканинна рідина, вона відіграє велику роль в доставці поживних речовин в клітини і видаленні з них кінцевих продуктів обміну речовин. Після виконання своїх функцій тканинна рідина у вигляді лімфи повертається в кров’яне русло по лімфатичних судинах.

Фільтрація грає важливу роль і в функціонуванні нирок. У капілярах нирок кров знаходиться під великим тиском, що викликає фільтрацію води і розчинених в ній речовин з кровоносних судин в найтонші ниркові канальці. Потім частина води і необхідні організму речовини знову всмоктуються і надходять в загальний кровотік, а частина, що залишилася утворює сечу і виводиться з організму.

Активний транспорт речовин із зовнішнього середовища в клітку протікає завжди з витратами енергії. При цьому їх внутрішньоклітинна концентрація вище, ніж позаклітинна (малюнок 1.4.5, вид Г). Наприклад, поглинання глюкози може йти всупереч рівню її концентрації, йод захоплюється клітинами щитовидної залози, хоча його зміст в них в сотні разів вище, ніж в крові, м’язова тканина накопичує іони калію і виштовхує іони натрію (при цьому концентрація останніх зовні завжди вище, ніж всередині). Ці процеси вимагають великих витрат енергії. Приблизно половина загальних енергетичних ресурсів клітини витрачається на потреби активного перенесення. Активний транспорт зі збільшенням концентрації речовини здійснюється за допомогою спеціальних білків-переносників з витратою енергії за рахунок розщеплення аденозинтрифосфорної кислоти.

Розглянемо приклад з глюкозою. Деяка кількість глюкози проникає в клітини шляхом простої дифузії, проте поглинання її триває і після зрівнювання концентрацій всередині клітини і зовні. Це відбувається тому, що в клітинній мембрані глюкоза приєднує фосфатну групу, утворюючи глюкозофосфат. Ця реакція протікає з витратами енергії. Глюкозофосфат дифундує через клітинну мембрану і забезпечує накопичення глюкози всередині клітини.

Властивості речовин роблять значний вплив на їх транспортування всередину клітини. Так, жиророзчинні речовини легше проникають в клітку, так як клітинна мембрана значною мірою складається з ліпідів (приблизно на 40%). Спирти, розмір молекул яких може бути досить великим, без праці потрапляють в клітину тільки тому, що вони розчиняються в жирах.

Здатність клітини до поглинання речовин багато в чому визначається також величиною електричного заряду на її поверхні. Білки клітинної мембрани побудовані з амінокислот, які несуть позитивний або негативний заряд. Оскільки однойменні заряди відштовхуються, а різнойменні – притягуються, електричні властивості поверхні клітини істотно впливають на поглинання іонів.

Багато великі молекули (наприклад, біополімери), які не можуть пройти через клітинну мембрану ні пасивним, ні активним способом, потрапляють в клітину шляхом ендоцитозу. Ендоцитоз, схематично зображений на малюнку 1.4.6, розділяється на фагоцитоз (поглинання крупних частинок – бактерій, фрагментів інших клітин) і пиноцитоз (захоплення макромолекулярних сполук). Буквально слово “пиноцитоз” означає “питво клітини”.

 

Як видно з цього малюнка, спочатку біополімер осідає на поверхні клітинної мембрани (1), а потім втягується всередину клітини (2) з утворенням бульбашки, що містить цю молекулу. Потім бульбашки відокремлюються від внутрішньої поверхні клітинної мембрани і переміщаються вглиб клітини, де поглинаються лизосомами (3) або отримують від них ферменти. Під дією ферментів біополімер розщеплюється до більш простих сполук. Аналогічним чином, тільки в зворотному порядку, здійснюється екзоцитоз – виділення продуктів (полісахаридів, білків і інших речовин), синтезованих клітиною, в зовнішнє середовище. Що стосується транспорту іонів, то він здійснюється, як правило, за допомогою дифузії через спеціальні іонні канали.

Таким чином, існує кілька механізмів транспорту речовин. Основні механізми передачі сигналів з використанням рецепторів представлені на малюнку 1.4.7.

 

Перший механізм (ділянка I на малюнку 1.4.7) – розчинна в ліпідах сигнальна молекула проходить через клітинну мембрану і активує внутрішньоклітинний рецептор (наприклад, фермент). Так діє оксид азоту, ряд жиророзчинних гормонів (глюкокортикоїди, мінералокортикоїди, статеві гормони і тиреоїднігормони) і вітамін D. Вони стимулюють транскрипцію генів в ядрі клітини і, таким чином, синтез нових білків. Механізм дії гормонів полягає в стимуляції синтезу нових білків в ядрі клітини, які тривалий час зберігаються в клітці в активному стані.

Другий механізм передачі сигналу через клітинну мембрану (ділянка II на малюнку 1.4.7) – це зв’язування з клітинними рецепторами, що мають позаклітинний та внутрішньоклітинного фрагменти (тобто трансмембранними рецепторами). Такі рецептори є посередниками на першому етапі дії інсуліну і ряду інших гормонів. Позаклітинна і внутрішньоклітинна частини подібних рецепторів пов’язані поліпептидним містком, що проходить через клітинну мембрану. Внутрішньоклітинний фрагмент має ферментативну активність, яка підвищується при зв’язуванні сигнальної молекули з рецептором. Відповідно зростає швидкість внутрішньоклітинних реакцій, в яких бере участь цей фрагмент.

Третій механізм передачі інформації – дія на рецептори, що регулюють відкриття або закриття іонних каналів (ділянка III на малюнку 1.4.7). До природним сигнальним молекулам, взаємодіє з такими рецепторами, відносяться, зокрема, ацетилхолін, гамма-аміномасляна кислота (ГАМК), гліцин, аспартат, глутамат та інші, які є медіаторами різних фізіологічних процесів. При їх взаємодії з рецептором відбувається збільшення трансмембранної провідності для окремих іонів, що викликає зміну електричного потенціалу клітинної мембрани. Наприклад, ацетилхолін, взаємодіючи з н-холинорецепторами, збільшує вхід у клітину іонів натрію і викликає деполяризацію і м’язове скорочення. Взаємодія гамма-аміномасляної кислоти зі своїм рецептором призводить до підвищення надходження іонів хлору в клітини, посилення поляризації та розвитку гальмування (пригнічення) центральної нервової системи. Цей механізм передачі сигналів відрізняє швидкість розвитку ефекту (мілісекунди).

Четвертий механізм трансмембранної передачі хімічного сигналу реалізується через рецептори, які активізують внутрішньоклітинний вторинний передавач (ділянка IV на малюнку 1.4.7). При взаємодії з такими рецепторами процес протікає в чотири етапи. Сигнальна молекула розпізнається рецептором на поверхні клітинної мембрани, в результаті їх взаємодії рецептор активізує G-білок на внутрішній поверхні мембрани. Активізований G-білок змінює активність якого ферменту, або іонного каналу. Це призводить до зміни внутрішньоклітинної концентрації вторинного посередника, через який вже безпосередньо реалізуються ефекти (змінюються процеси обміну речовин і енергії). Такий механізм передачі сигнальної інформації дозволяє підсилити сигнал, що передається. Так якщо взаємодія сигнальної молекули (наприклад, норадреналіну) з рецептором триває кілька мілісекунд, то активність вторинного передавача, якому рецептор передає по естафеті сигнал, зберігається протягом десятків секунд.

Вторинні посередники – це речовини, які утворюються всередині клітини і є важливими компонентами численних внутрішньоклітинних біохімічних реакцій. Від їх концентрації в чому залежить інтенсивність і результати життєдіяльності клітини і функціонування всієї тканини. Найбільш відомими вторинними посередниками є циклічний аденозинмонофосфат (цАМФ), циклічний гуанозинмонофосфат (цГМФ), іони кальцію, калію, диацилглицерол і інозітолтріфосфат.

Які дії можуть реалізовуватися за участю вторинних посередників?

цАМФ бере участь в мобілізації енергетичних запасів (розпад вуглеводів в печінці або тригліцеридів в жирових клітинах), в затримці води нирками, в нормалізації кальцієвого обміну, в збільшенні сили і частоти серцевих скорочень, в утворенні стероїдних гормонів, в розслабленні гладких м’язів і так далі.

Диацилглицерол, інозітолтріфосфат і іони кальцію беруть участь в реакціях, які виникають в клітинах при порушенні деяких типів адрено- і холінорецепторів.

цГМФ бере участь в розслабленні гладких м’язів судин, стимулюючи утворення оксиду азоту в ендотелії судин під впливом ацетилхоліну і гістаміну.

Таким чином, як транспортні системи, так і механізми передачі сигналу беруть участь в реалізації та виконанні двох основних функцій (завдань) клітини: підтримка стабільності “системи життєзабезпечення” або виконання спеціальних функцій.

...
ПОДІЛИТИСЯ: