Строение и функции клеточных мембран. Ионные каналы, их классификация. Мембранные рецепторы. Ионные насосы. Вторичные посредники (мессенджеры).

Нормальная физиология — СЗГМУ, Лечебное дело

Строение клеточной мембраны (плазмалеммы)

В основе строения лежит жидкостно-мозаичная модель. Мембрана представляет собой двойной слой фосфолипидов (липидный бислой), в который погружены и через который проходят молекулы белков.

• Липидный бислой: Состоит из фосфолипидов, гликолипидов и холестерина. Полярные гидрофильные "головки" фосфолипидов обращены наружу (в водную среду — цитоплазму и межклеточную жидкость), а неполярные гидрофобные "хвосты" (жирные кислоты) — друг к другу, образуя внутреннюю гидрофобную область.
• Мембранные белки:
• Интегральные (трансмембранные): Пронизывают бислой насквозь (например, ионные каналы, рецепторы, насосы).
• Периферические: Расположены на одной из поверхностей мембраны (обычно на цитоплазматической), связаны с интегральными белками или липидами.
• Углеводный компонент (гликокаликс): Олигосахариды и полисахариды, ковалентно связанные с белками (гликопротеины) или липидами (гликолипиды). Расположены на наружной поверхности мембраны.

Функции клеточной мембраны

1. Барьерная (разграничительная): Отделяет внутреннее содержимое клетки от внешней среды, поддерживает ее химическую и структурную целостность.

2. Транспортная: Обеспечивает избирательный перенос веществ в клетку и из нее (пассивный и активный транспорт).

3. Рецепторная (сигнальная): Содержит рецепторы для распознавания химических сигналов (гормонов, нейромедиаторов, антигенов).

4. Ферментативная (каталитическая): На мембране локализованы ферменты (например, аденилатциклаза, АТФазы).

5. Генерация и проведение биоэлектрических потенциалов: Обеспечивается работой ионных каналов и насосов.

Ионные каналы: определение и классификация

Ионные каналы — это интегральные трансмембранные белки, образующие гидрофильные поры, через которые ионы могут пассивно диффундировать по электрохимическому градиенту.

• Основные свойства:
• Селективность (избирательность): Способность канала пропускать преимущественно определенный тип иона (например, только Na⁺ или только K⁺). Обеспечивается диаметром поры и расположением заряженных аминокислот.
• Воротный механизм: Каналы могут находиться в открытом или закрытом состоянии. Переход между состояниями называется "воротами".

Классификация ионных каналов:

1. По механизму активации (природе стимула, открывающего ворота)

• Потенциал-управляемые (вольтаж-зависимые): Открываются при изменении мембранного потенциала. Содержат сенсор напряжения (обычно положительно заряженные аминокислоты), который смещается при деполяризации. Пример: Натриевые каналы в аксоне, ответственные за генерацию потенциала действия.
• Лиганд-управляемые (хемо-зависимые): Открываются при связывании специфического вещества (лиганда) с рецепторным участком канала. Пример: Никотиновые ацетилхолиновые рецепторы (ионный канал открывается при связывании ацетилхолина).
• Механо-чувствительные (механо-управляемые): Открываются в ответ на механическое растяжение или давление мембраны. Пример: Каналы в рецепторах слуховой системы (волосковых клетках) или в сенсорах растяжения сосудов.

2. По селективности (виду пропускаемых ионов)

• Катионные селективные (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, неселективные катионные каналы).
• Анионные селективные (Cl⁻).

3. По структурной организации

• Простые (только поры).
• Сложные (включают дополнительные регуляторные субъединицы).

Мембранные рецепторы

Мембранные рецепторы — это белковые молекулы (чаще гликопротеины) на плазматической мембране, которые специфически связывают сигнальные молекулы (лиганды) и передают сигнал внутрь клетки.

Основные типы:

1. Ионотропные рецепторы (лиганд-управляемые ионные каналы): Сам рецептор является составной частью ионного канала. Связывание лиганда открывает пору канала. Функция: Быстрые синаптические ответы (миллисекунды). Пример: Никотиновый рецептор ацетилхолина.

2. Метаботропные рецепторы (рецепторы, сопряженные с G-белками): Рецептор не является каналом. После связывания лиганда он активирует G-белок (тримерный белок на внутренней стороне мембраны). G-белок, в свою очередь, активирует эффекторные ферменты (например, аденилатциклазу, фосфолипазу С) или напрямую ионные каналы. Функция: "Медленные" ответы (от секунд до минут), часто с усилением сигнала. Пример: β-адренорецепторы, мускариновые ацетилхолиновые рецепторы.

3. Каталитические рецепторы (рецепторы-ферменты): Внутриклеточный домен рецептора обладает ферментативной активностью (обычно тирозинкиназой). Связывание лиганда активирует этот фермент, который фосфорилирует белки-мишени. Пример: Рецепторы инсулина, факторов роста.

Ионные насосы (транспортёры Активного транспорта)

Ионные насосы — это интегральные белки, осуществляющие первичный активный транспорт ионов против их электрохимического градиента за счет энергии гидролиза АТФ.

Ключевые типы:

1. Na⁺/K⁺-АТФаза (натрий-калиевый насос):

• За один цикл выкачивает из клетки 3 иона Na⁺ и закачивает в клетку 2 иона K⁺.
• Создает и поддерживает градиент концентраций: [Na⁺] высокий снаружи, низкий внутри; [K⁺] высокий внутри, низкий снаружи.
• Имеет решающее значение для поддержания потенциала покоя и активного транспорта других веществ (вторичный активный транспорт).

2. Са²⁺-АТФаза (кальциевый насос):

• Выкачивает ионы Ca²⁺ из цитоплазмы в саркоплазматический ретикулум (SERCA) или во внеклеточную среду (плазмалемма).
• Поддерживает низкую концентрацию Ca²⁺ в цитозоле (~10⁻⁷ М), что необходимо для регуляции сокращения мышц, выделения нейромедиаторов и т.д.

3. Н⁺/К⁺-АТФаза (протонный насос):

• Выкачивает H⁺ в обмен на K⁺. Пример: В париетальных клетках желудка (секреция соляной кислоты).

Вторичные посредники (мессенджеры)

Вторичные посредники — это внутриклеточные молекулы, которые образуются или высвобождаются в цитоплазме в ответ на активацию рецептора лигандом (первичным мессенджером) и запускают каскад внутриклеточных реакций (сигнальный каскад).

Основные свойства: Высокая скорость образования, лабильность (быстро разрушаются), способность к усилению сигнала.

Основные системы вторичных посредников:

1. Система цАМФ (циклический аденозинмонофосфат):

• Этапы: Активация рецептора → активация Gs-белка → активация фермента аденилатциклазы → синтез цАМФ из АТФ.
• Мишень цАМФ: Активация протеинкиназы А (ПКА), которая фосфорилирует белки (ионные каналы, ферменты, факторы транскрипции).
• Физиологический эффект: Распад гликогена (в печени), усиление сокращения миокарда (стимуляция β-адренорецепторов).

2. Система инозитолтрифосфат (IP3) / диацилглицерол (DAG):

• Этапы: Активация рецептора → активация Gq-белка → активация фермента фосфолипазы С → расщепление фосфатидилинозитолбифосфата (PIP₂) на IP₃ и DAG.
• Действие IP₃: Связывается с рецептором на саркоплазматическом ретикулуме → открывает Са²⁺-каналы → выброс Ca²⁺ в цитоплазму (третичный посредник). Ca²⁺ связывается с кальмодулином, активируя Ca²⁺/кальмодулин-зависимые киназы.
• Действие DAG: Остается в мембране, активирует протеинкиназу С (ПКС), которая фосфорилирует белки.
• Физиологический эффект: Сокращение гладких мышц, высвобождение гормонов, экзоцитоз.

3. Ионы кальция (Ca²⁺):

• Выступает как универсальный третичный мессенджер.
• Источники: поступление через кальциевые каналы мембраны или высвобождение из депо (ЭПР/СПР) через рецепторы IP₃ или рианодиновые рецепторы.
• Эффекты: Связывание с кальмодулином (CaM) → активация киназ (фосфорилаз), регуляция активности ионных каналов, сокращение, транскрипция генов.

Ключевой принцип работы вторичных посредников: Усиление сигнала. Одна молекула первичного мессенджера (гормона) приводит к синтезу тысяч молекул цАМФ, которые активируют тысячи киназ, каждая из которых может фосфорилировать тысячи белков-мишеней.

Все вопросы раздела: подготовка к экзамену по Нормальной физиологии