Молекулярно-клеточный уровень организации жизни

 Примером периферического белка  наружной поверхности мембраны  является фибронектин. Этот гликопротеин  локализован на наружной поверхности  мембраны почти всех клеток. Фибронектин  обеспечивает прикрепление  клеток  к другим клеткам, а также способствует  соединению  клетки с внеклеточным  матриксом.  Отмечено резкое снижение  содержания фибронектина в мембранах  опухолевых клеток; это   придает  им  большую подвижность и  способствует метастазированию (образованию дочерних опухолей). Белки и некоторые липидные молекулы, расположенные на наружной стороне плазматической мембраны, несут ковалентно связанные углеводные компоненты  – олигосахариды (рис ).

 Эти гликопротеины и гликолипиды  вместе с дополнительными несвязанными  с мембраной гликопротеинами  и полисахаридами образуют клеточную  оболочку – гликокаликс. Гликокаликс, покрывающий микроворсинки каемчатых клеток эпителия кишечника, содержит ферменты, завершающие расщепление белков, углеводов (пристеночное пищеварение). Однако основные функции гликокаликса – межклеточное узнавание и межклеточные взаимодействия.

Углеводные остатки гликопротеинов и гликолипидов наружной  мембраны клетки обладают специфическими антигенными свойствами. Все клетки одного организма несут сходные поверхностные антигены, которые отличаются от поверхностных антигенов клеток любого другого организма. Это свойство используется иммунной системой для разделения всех клеток «на свои» и «чужие». Успех переливания крови или трансплантации другой ткани во многом определяют антигены групп крови А, В 0-системы. Их антигенные свойства обусловлены структурой углеводных остатков  гликолипидов на поверхности эритроцитов. (Схема строения ганглиозидов, определяющих IV и I-ю группы крови  0, А, В-системы представлена на рис.  .)   

 

    Рис. 4. Схема связи остатков сахаров с наружной мембраной эритроцита у людей с IV (АВ) группой крови  0, А, В-системы.

Глк – D-глюкоза, Гал – D-галактоза, Фук – L-фукоза, Глк NАц – N-ацетил- D-глюкозамин, Гал NАц – N-aцетил- D-галактозамин.

Прерывистые связи между остатками сахаров означают, что существует много типов соединений.

Ген Lewis, доминантный ген-секретор, ген-А, ген-В кодируют ферменты-трансферазы, переносящие и присоединяющие остатки сахаров. При наличии гена А или В, и рецессивного гена-секретора в гомозиготном состоянии антигены А и В не образуются (бомбейский феномен).

           Примечание: Отличительной особенностью антигена  Н является наличие его в  биологических жидкостях секреторов  групповых веществ и отсутствие  – у несекреторов.  Антиген 0, в  отличие от антигена Н, А и В, с секретами (слюна, сперма) не выделяется.

 

 

 

Рис. 7. Схема связи остатков сахаров с наружной мембраной эритроцита у людей с I (0)  группой крови  0, А, В-системы.

Глк – D-глюкоза, Гал – D-галактоза, Фук – L-фукоза, Глк NАц – N-ацетил- D-глюкозамин, Гал NАц – N-aцетил- D-галактозамин.

Прерывистые связи между остатками сахаров означают, что существует много типов соединений.

 

 

         Кроме этих  антигенов индивидуальную поверхность  клеток определяют так называемые  трансплантационные антигены или  антигены гистосовместимости. В  этом случае антигенами  служат  полипептидные цепи группы трансмембранных  белков. Эти белки-антигены кодируются  в геноме млекопитающих многими  генами, так называемого  главного  комплекса гистосовместимости. Бóльшая часть Т-лимфоцитов узнает чужеродные антигены только в том случае, если эти антигены ассоциированы на клеточных поверхностях с антигенами главного комплекса гистосовместимости.

Антигéны главного комплекса гистосовместимости (ГКГ) или антигены МНС (англ. major histocompatibility complex, произносят как эм, эйч, си) – семейство антигенов, определяющих отторжение чужеродного трансплантата, т.е. тканевую несовместимость. У человека они впервые были выявлены в лейкоцитах и поэтому получили название HLA (англ. human leucocyte antigen, произносят как эйч, эль, эй). Существует два основных класса антигенов (молекул) ГКГ: антигены ГКГ класса I и антигены ГКГ класса II. Все они являются мембранными гликопротеинами.

 

         В мембране эритроцитов, или красных кровяных клеток, содержится множество белков и углеводов, но они одинаковы не у всех людей. Если белок в эритроцитах донора не такой, как в собственных эритроцитах пациента, иммунная система реагирует на переливание, как на вражеское вторжение. Начинается мощная выработка антител, которые взаимодействуют с эритроцитами донора и вызывают их разрушение. Результатом может быть тяжелая почечная недостаточность или даже смерть пациента.

Самая известная система антигенов эритроцитов — АВО: первая группа крови — 0, вторая — А, третья — В, четвертая — АВ. Антигены А и В и их «исходная» форма, характерная для первой группы, отличаются составом углеводных цепочек, присоединенных к мембранному белку. Сравнима с ней по клинической важности резус-система: кровь человека, эритроциты которого содержат резус-фактор, или антиген D, нельзя переливать человеку, у которого нет этого антигена, даже если у него та же группа по системе АВО. Но существуют и другие системы групп крови, более редкие и мало изученные. Новое открытие пополнило список — теперь их 33.

Некоторым людям сильно не повезло: в мембране их эритроцитов отсутствует некий белок или даже участок белка, который есть у подавляющего большинства людей. Это означает, что кровь большинства доноров вызовет у пациента с такой редкой группой иммунную реакцию. Гемотрансфузию проводят согласно всем необходимым требованиям, анализы показывают совпадение группы крови, резус-фактора донора и реципиента, но избежать фатальных осложнений не удается. Именно с такой проблемой французские медики столкнулись в 1952 году. Пациентке, болевшей раком толстой кишки, делали переливание, но внезапно началось

 

   

      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                   

 

 

 

 

 

 

 

Основная функция наружной клеточной мембраны – сохранение внутренней среды клетки. При участии плазматической мембраны происходит узнавание и агрегация, как соседних клеток, так и клеток с компонентами внеклеточного матрикса. Формирование клеточной поверхности, которая способна к узнаванию других клеток, контакту с ними и восприятию разнообразных раздражителей, воздействующих на клетку, обеспечивается, прежде всего, углеводными группами, входящими в состав гликопротеидов клеточной мембраны.

Свойства мембраны

 

1.Текучесть. В процессе жизнедеятельности мембраны клетки подвергаются значительным изменениям. Этот процесс возможен благодаря подвижности и динамичности молекул, составляющих мембрану. «Дрейф» компонентов  в латеральной плоскости мембраны происходит достаточно легко; это наблюдается при группировке рецепторов, фагоцитозе и др. процессах эндоцитоза и экзоцитоза. Переход белков с внешней стороны мембраны на ее внутреннюю сторону («флип–флоп») невозможен, а переход липидов происходит крайне редко. Для «перескока» липидов и их переноса из одного слоя мембраны в другой необходимы специальные  белки транслокаторы. Холестерин может легко переходить с одного слоя мембраны на другой, а незаряженные липиды могут проходить через мембрану.

  2. Асимметрия. Все мембраны клетки имеют асимметричную организацию,  для поддержания которой существуют специальные механизмы. Так  фосфолипид  фосфатидилсерин, несущий отрицательный заряд, концентрируется в основном на внутреннем  слое мембраны, а гликолипиды  (ганглиозиды, цереброзиды) – исключительно в наружном слое мембраны.

  3. Полярность. Внутренняя поверхность мембраны (обращенная к цитоплазме)  в нормальных условиях  жизнедеятельности всегда заряжена отрицательно по отношению к внешней среде. Разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностями составляет для разных типов клеток от 4 до 100 милливольт (мВ). Для нервных клеток эта величина, которую  называют потенциалом покоя, равна примерно 70-75мВ. Раздражители или факторы, которые  гиперполяризуют мембрану, обладают положительным биологическим действием.  Существует множество факторов,  при  воздействии  которых  на клетку происходит снижение мембранного потенциала ниже уровня потенциала покоя. Следует отметить, что все наркотики и, в  частности, алкоголь в первой стадии вызывают развитие гиперполяризационных процессов в нервной системе (возможно, в этом кроется одна из причин наркотической и алкогольной зависимости), а затем наступает длительная деполяризация, истощение  и разрушение нервных клеток. Организм должен избегать раздражителей, постоянно деполяризующих мембраны его клеток, поскольку это грозит гибелью. 

4. Избирательная проницаемость. Это свойство обеспечивает обмен веществ между клеткой и внешней средой. Процесс прохождения веществ через клеточную мембрану называют трансмембранным транспортом (переносом) веществ; он лежит в основе процессов поддержания клеточного гомеостаза, оптимального содержания в клетке ионов, воды, ферментов и субстратов. Трансмембранный перенос мелких молекул осуществляется путем  диффузии  и путем активного транспорта. Трансмембранный перенос крупных молекул происходит в форме эндоцитоза,  экзоцитоза и трансцитоза.

 

 

Основные функции клеточной   мембраны (плазмолеммы)

 

Функции мембран исключительно разнообразны

 

1.   Ограничение и обособление клеток и органелл. Обособление клеток от межклеточной среды обеспечивается плазматической мембраной, защищающей клетки от механического и химического воздействий.

2. Контролируемый транспорт метаболитов и ионов через поры и посредством переносчиков определяет внутреннюю среду, что существенно для гомеостаза, т.е. поддержания постоянной концентрации метаболитов и неорганических ионов, и других физиологических параметров.
3. Восприятие внеклеточных сигналов и их передача внутрь клетки, а также инициация сигналов.
4. Ферментативный катализ. В мембранах митохондрий локализованы наиболее важные реакции энергетического обмена, такие, как окислительное фосфорилирование.
5. Контактное взаимодействие с межклеточным матриксом и взаимодействие с другими клетками при  образовании тканей.
6. Заякоривание цитоскелета, обеспечивающее поддержание формы клеток и органелл и клеточной подвижности.

 

Перенос веществ через мембраны

 

        Избирательная проницаемость реализуется путем пассивного транспорта (без затрат энергии) и активного  (с затратой энергии). Существуют два вида пассивного транспорта: диффузия и облегченная диффузия. Путем диффузии осуществляются движения молекул газов (О2, СО2, N2) и воды в обоих направлениях по градиенту концентрации или электрохимическому градиенту. Облегченная диффузия является специфическим видом транспорта. Она осуществляется с участием компонентов мембраны (белки-переносчики, каналы).

Существуют многочисленные белки-переносчики и ионные каналы. Хорошим примером может служить белок-переносчик, обеспечивающий двунаправленное (из клетки и в клетку) движение анионов (Cl- и  HCO-3) через эритроцитарную мембрану. Перенос глюкозы в клетку также осуществляют интегральные гликопротеины. Гормон инсулин мобилизует перемещение этих белков-переносчиков из цитоплазмы в плазматическую мембрану, при этом ускоряется транспорт глюкозы в клетку. Известно не менее шести кодируемых генами ГЛУТ (GLUT) трансмембранных переносчиков глюкозы из внеклеточной среды. Такие переносчики находятся в нервной ткани, в эпителии кишечника, эпителии канальцев почек, сперматозоидах и др. Точечная мутация гена ГЛУТ2 является причиной инсулиннезависимого сахарного диабета.

 Транспорт аминокислот также  осуществляется с помощью белков-переносчиков. Несколько мутаций гена SLC3А1, кодирующего транспортный белок-переносчик  цистеина, сопровождается избыточной секрецией этой  плохо растворимой аминокислоты и проводит к образованию камней в почках. Известно не менее десятка переносчиков различных аминокислот.

  Обратное всасывание фосфатов  происходит в проксимальных канальцах  нефрона при помощи двух кодируемых  генами NPТ2 переносчиков. Дефекты этих генов являются причиной некоторых болезней, в том числе рахита, который невозможно вылечить витамином Д.

             Важными элементами в системе  пассивного транспорта являются регулируемые поры, обычно именуемые  ионными каналами.  Ионные каналы состоят из нескольких связанных белковых субъединиц, формирующих в мембране небольшую пору. Через  пору по электрохимическому градиенту проходят ионы Na+,K+,Ca2+,Cl-. Калиевые каналы – интегральные мембранные белки, обнаружены в плазматической мембране всех клеток. Эти каналы участвуют в поддержании мембранного потенциала, регуляции объема клетки и др. Калиевый канал регулирует в β-клетках островков Лангерганса секрецию инсулина в ответ на повышение содержания глюкозы в крови.

Натриевые каналы присутствуют практически в любой клетке.  В возбудимых структурах (скелетные мышечные волокна, нейроны, кардиомиоциты) натриевые  каналы генерируют потенциал действия. Это плазмалемма нервных клеток, кардиомиоцитов и мышечных волокон, сперматозоидов, чувствительных клеток органов чувств. Натриевые каналы открываются только при возбуждении. (В сетчатке глаза Na+-каналы при возбуждении закрываются, тогда, как в покое открыты). Через открывающиеся Na+ каналы ионы Na+ устремляются  внутрь клетки по градиенту концентрации и заряда. При этом происходит снижение трансмембранного потенциала с –75мВ до +30мВ. Возникновение положительной разности потенциалов (деполяризация) индуцирует закрытие Na+-каналов. Таким образом, Na+-каналы являются важнейшими структурами в развитии таких процессов, как возбуждение мембраны (вне синапса) и проведение возбуждения по мембране.

На функцию Na+-каналов влияют ионы Са++: чем выше их внеклеточная концентрация, тем трудней открываются Na+ каналы. В итоге ионы Са++ уменьшают возбудимость мембраны.  При гипокальцемии (которая может возникать при удалении паращитовидных желез) в нервных и мышечных тканях значительно повышается возбудимость мембран. Функцию натриевых каналов могут блокировать многие агенты: местные обезболивающие вещества, противосудорожные препараты, токсины, и мн.др.