Бимолекулярный слой фосфолипидов составляет основу любой клеточной мембраны. Непрерывность его определяет барьерные и механические свойства клетки. В процессе жизнедеятельности непрерывность бислоя может нарушаться с образованием структурных дефектов типа сквозных гидрофильных пор. Вполне естественно ожидать при этом. Изменяются при этом все функции клеточной мембраны, включая проницаемость и стабильность.

Фосфолипиды, составляющие основу клеточных мембран, относятся к жидким кристаллам. Как в любом реальном кристалле, в пленке из фосфолипидов могут быть дефекты, в месте которых и развиваются основные события структурных перестроек. Виды дефектов многообразны, но и наиболее естественным для бислоя является дефект типа сквозной гидрофильной поры.

В липидной бимолекулярной пленке клеточной мембраны поры появляются, если исключить чисто механические повреждения, в результате тепловых флуктуации поверхности бислоя, электрического пробоя, замораживания пленки, действия поверхностно-активных веществ, осмотического давления, перекисного окисления липидов и др. Один из наиболее типичных и хорошо изученных примеров дестабилизации биологических мембран - гемолиз эритроцитов. Это явление включает на начальном этапе набухание клеток в гипотонической среде в результате действия сил осмотического давления. Во время набухания клетки мембрана растягивается, что обусловливает рост мембранного натяжения. При определенном пороговом уровне натяжения появляются гидрофильные липидные поры. Размеры пор достаточны для выхода молекул гемоглобина и низкомолекулярных веществ. Выход веществ сопровождается в свою очередь снижением разности осмотического давления, при этом натяжение мембраны уменьшается и поры залечиваются. Белки цитоскелета позволяют эритроциту сохранить форму, при этом образуется так называемая тень эритроцита. Тень сохраняет осмотическую активность и таким образом процесс дестабилизации приобретает циклический характер. Полного механического разрушения клетки подобного мыльному пузырю в этом случае не происходит. В отсутствие цитоскелета или его недостаточного развития механическая прочность клетки целиком определяется судьбой липидных пор. Если пора имеет размер меньше критического, то она залечивается. В противном случае неограниченный рост поры приводит к разрушению мембраны.

Модель критической поры. Рассмотрим модель липидной поры (рис. 15). Будем считать, что боковая поверхность поры имеет форму кругового цилиндра. Более того, предположим, что боковая поверхность цилиндра изогнута и имеет радиус кривизны h/2. Радиус поры равен r. Как видно, липидный бислой в целом является плоским, а пора имеет два радиуса кривизны h/2 и r. Искривление поверхности на границе раздела липид-вода сопровождается появлением добавочного давления, называемого лапласовым и равного

P = 2s 1 /r

где s 1 - межфазное натяжение внутри поры, r- радиус кривизны.

Рис.15. Строение гидрофильной липидной поры: h -толщина липидного бислоя; h/2 - радиус кривизны стенки; r - радиус поры.

В рассматриваемой модели таких радиусов два (h/2 и r) и, следовательно, два давления. Одно из них Р (h/2) способствует расширению, а другое Р (r) - сжатию поры. Дальнейшая судьба поры зависит от соотношения этих двух давлений. Если Р (h/2) > Р (r), пора будет расширяться, а если Р (h/2) меньше Р (r), то пора будет затекать.

Рассмотрим энергетику поры. Как установлено выше, на границе поры действуют две противоположные силы, одна из которых - краевое линейное натяжение периметра поры - способствует росту поры, а вторая сила - поверхностное натяжение бислоя - вызывает сжатие поры. Краевая энергия поры пропорциональна первой степени радиуса и увеличивает суммарную энергию, энергия поверхностного натяжения пропорциональна квадрату радиуса и снижает суммарную энергию. В результате суммарная энергия Е (r) равна

E(r) = 2pr 2 s

где первый член определяется энергией кромки поры с линейным натяжением g, а второй - энергией поверхностного натяжения s.

С учетом неустойчивости равновесия можно утверждать, что появление пор с r>r* (r*=g/s) пора будет затекать и стабильность мембраны сохранится. Таков критерий стабильности липидной бислойной мембраны.

Электрический пробой мембраны. Биологические мембраны находятся под действием электрического поля большой напряженности, создаваемого диффузией ионов через мембрану и электрогенными ионными насосами. Разность потенциалов между цитоплазмой и внеклеточной средой достигает порядка 0,1 В, толщина мембраны не превышает 10 нм, значит напряженность поля равна 10 7 В/м. Мембрана является более совершенным электрическим изолятором, чем многие жидкие изоляторы, применяемые в технике. Мембранный потенциал в живой клетке может достигать 0,2 В (пресноводные водоросли, бактерии, энергизированные митохондрии). В возбудимых нервных и мышечных клетках происходит кратковременная реполяризация мембраны с ростом амплитуды потенциала. Однако пробой клеточной мембраны собственным мембранным потенциалом маловероятен. В то же время рост мембранного потенциала в результате воздействия внешним электрическим полем может достигать величины, превышающей пороговую для электрического пробоя. При этом появляются структурные дефекты типа сквозных липидных пор. Разработанная методика электрического пробоя клеточных мембран получила название электропорации и широко применяется в биотехнологии.

В физике под электрическим пробоем понимают резкое увеличение силы электрического тока в первоначально слабопроводящей среде. В живой клетке такой средой служит бимолекулярный слой липида. Для липидного бислоя в жидкокристаллическом состоянии величина мембранного потенциала не может быть меньше 0,23 В. Стабильность бислойных мембран определяется вероятностью появления пор критического радиуса. Очевидно, что любой фактор, снижающий высоту энергетического барьера, будет увеличивать эту вероятность. К таким факторам следует отнести сни­ение краевой энергии поры у, рост поверхностного натяжения и рост мембранного потенциала. Электрический пробой сопровождается появлением широкого спектра липидных пор различного радиуса, включая радиусы ионоселективных белковых каналов. В настоящее время метод воздействия внешним электрическим полем является одним из основных в современной биотехнологии. Известно его применение с целью увеличения пористости мембран (электропорация), введения ДНК (электротрансфекция), освобождение клеток от крупных молекул (электропермеабилизация), слияния клеток (электрослияние).

Температурный фазовый переход мембранных липидов. Замораживание липидного бислоя в результате фазового перехода из жидкокристаллического состояния в гель сопровождается появлением липидных пор. Очевидно, что, как и в случае с электрическим пробоем, судьбу мембраны будет определять соотношение радиусов образовавшихся пор и критических пор для данного состояния бислоя.

Критический радиус поры в гель-состоянии значительно меньше по сравнению с жидкокристаллическим состоянием и по абсолютной величине не превышает 2 нм. Сохранение длительной устойчивости липидного бислоя в гель-состоянии свидетельствует о том, что существующие поры и поры, возникающие при фазовом переходе, имеют размеры меньше 2 нм. Замораживание мембранных липидов в ходе фазового перехода, эквивалентно электрическому пробою мембраны внешним электрическим полем напряжением 0,5 В. Любое воздействие механической, физической или химической природы, затрагивающее поверхностное натяжение липидного бислоя, является фактором риска в стабилизации порсодержащих мембран. Развитие такого подхода позволяет получить количественный ответ на важный для биологии о вероятности разрушения или залечивания мембран при типичных стрессовых состояниях живой клетки.

Критический радиус пор в мембранах, находящихся в жидкокристаллическом состоянии при отсутствии внешних воздействий, достигает 9 нм. Эта величина настолько значительна, что вероятность механического разрыва клеточных мембран в физиологических условиях очень мала. Разрыв мембраны, находящейся в таком состоянии, возможен лишь тогда, когда пора приобретает размеры, соизмеримые с толщиной мембраны. Опыт показывает, что полное разрушение липидного бислоя возможно лишь при грубых механических манипуляциях или необратимом электрическом пробое липидов (жкс), гель-состоянии (гель), при электрическом пробое (эп), при сочетании гель-состояния с электрическим пробоем (гель+эп).

Размеры критических пор для липидного бислоя в жидкокристаллическом состоянии (9нм) значительно превышают размеры реальных пор. Мембраны в различных стрессовых состояниях обладают значительным запасом прочности, действие электрического пробоя и замораживания бислоя, аддитивно. Такой результат можно ожидать, следовательно, и при других сочетаниях физических и химических воздействий. Стрессовое воздействие таким образом, независимо от его физико-химической природы, может быть количественно оценено и его результат предсказан в рамках рассматриваемой модели. Модель формирования пор при фазовом переходе. Независимая оценка размера пор может быть получена путем исследования предложенной В.Ф. Антоновым и сотрудниками модели формирования пор. При фазовом переходе из жидкокристаллиеского состояния в гель по данным рентгеноструктурного анализа, происходит изменение толщины бислоя и площади на молекулу липида. Учитывая кооперативность фазового перехода, можно предположить, что молекулы в доменах, перешедших в гель-фазу, и остающихся в жидкокристаллическом состоянии, будут находиться в разных условиях. Относительно равновесного состояния молекулы в домене гель-фазы будут растянуты, а в жидкокристаллическом состоянии - сжаты. Появится упругое напряжение, которое приведет к нарушению структуры бислоя.

Липидные поры и проницаемость мембран. С точки зрения проницаемости липидные поры принципиально отличаются от белковых каналов своим происхождением и исключительной динамичностью. В то время как белковые каналы имеют строго определенные размеры, сохраняющиеся в течение всей жизни клетки, размеры лилидных пор в процессе затекания варьируют в широких пределах. Однако эта изменчивость; имеет предел. Если радиус поры меньше критического, то пора в процессе затекания должна пройти все промежуточные радиусы и достигнуть минимального размера. Вопрос о возможности полного затекания липидных пор остается открытым. Предполагается, что полному затягиванию поры препятствуют мощные силы гидратации, проявляющиеся при сближении стенок гидрофильных пор. Лшшдные поры в отличие от белковых ионных каналов не обладают выраженной избирательностью, что коррелирует с их сравнительно большими исходными размерами. Ясно, однако, что в процессе затекания липидные поры могут достигать сколь угодно малых размеров, в том числе сравнимых с размерами белковых ионных каналов, что может приводить к перераспределению ионных токов в мембране, например, при возбуждении. Известно далее, что после выключения стрессового воздействия бислойная липидная мембрана может вернуться в состояние с низкой проводимостью, что подразуевает достижение порами размера, недостаточного для прохождения гидратированных ионов. Таким образом, гидрофильные липидные поры универсальны в том отношении, что могут быть использованы клеткой для транспорта высокомолекулярных веществ, ионов и молекул воды.

Исследования проницаемости липидных пор развиваются в настоящее время в двух направлениях: в первом исследуются максимально большие поры, во втором, наоборот, - липидные поры минимального радиуса. В первом случае речь идет об электро-трансфекции - способе введения в живые клетки или липосомы молекул ДНК с целью переноса и внутриклеточного введения чужеродного генетического материала. Оказалось, что внешнее электрическое поле высокой напряженности способствует проникновению гигантской молекулы ДНК внутрь мембранной частицы. Максимальный размер критической поры соответствует жидкокристаллическому состоянию бислоя липидов в отсутствие внешнего электрического поля и равен 9 нм. Наложение внешнего электрического поля напряженностью 100 кВ/м понижает критический радиус поры до 1 нм за время 0,2 с. Поскольку при этом мембраны сохраняются, то размер липидных пор в них не превышает этого нижнего предела. Парадокс состоит в том, что эффективный диаметр статистического клубка ДНК, которая должна лопасть внутрь частицы, достигает 2000 нм. Поэтому молекула ДНК должна проникать через мембрану в виде расплетенной одиночной нити. Известно, что конец нити имеет диаметр 2 нм и таким образом только-только может войти в пору. Однако свободная диффузия нити ДНК в поре при этом вряд ли возможна. К сожалению, механизм этого явления до конца не ясен. Предполагается, в частности, что молекула ДНК способна расширить пору и таким образом проскользнуть через мембрану. Проникновению ДНК могут способствовать дополнительные силы электрофореза и электроосмоса с учетом суммарного отрицательного заряда молекулы ДНК. Не исключено, что поры с фиксированными в них концами молекулы ДНК играют роль якоря, удерживающего молекулу в определенном месте у поверхности мембраны везикулы, а сам процесс переноса является разновидностью пиноцитоза. Исследование этого интересного с точки зрения проницаемости явления продолжается,

Второе направление исследования проницаемости мембран с участием липидных пор связано с трансмембранным переносом молекул и ионов воды. Известное в биологии явление высокой водной проницаемости клеточных мембран полностью воспроизводится на искусственных липидных бислоях, что подразумевает участие в этом процессе гидрофильных липидных пор.

Основной вывод состоит в том, что стабильность липидного бислоя и клеточной мембраны, лишенной белкового каркаса, определяется липидными порами. Эти поры образуются в местах дефектов жидкокристаллической структуры липидного бислоя. Липидные поры возникают в результате тепловых флуктуации поверхности бислоя, а также могут рождаться при мембранном стрессе, сопровождающем фазовый переход мембранных липидов, при электрическом пробое и осмотическом лизисе. Судьба мембраны в этих случаях будет зависеть вероятностным образом от того, будет ли липидная пора превышать некоторый критический размер или нет. В первом случае мембрана порвется, во втором случае ее структура сохранится. При сохранении стабильности мембран поры залечиваются, пробегая при этом все промежуточные значения радиусов. Минимальные радиусы липидных пор могут стать сравнимыми с размерами избирательных белковых каналов, регулирующих в норме ионную проницаемость клеточных мембран. На последних этапах затекания липидные поры могут превращаться в водные поры, доступные только для молекул и ионов воды.

Прочитайте: А. Свойства и виды рецепторов. Взаимодействие рецепторов с ферментами и ионными каналами Абразивные материалы и инструменты для препарирования зубов. Свойства, применение. Адгезивные молекулы (молекулы суперсемейства иммуноглобулинов, интегрины, селектины, муцины, кадхерины): строение, функции, примеры. CD-номенклатура мембранных молекул клеток. Адгезивные системы. Классификация. Состав. Свойства. Методика работы. Современные взгляды на протравливание. Световая аппаратура для полимеризации, правила работы. Аденовирусы, морфология, культуральные, биологические свойства, серологическая классификация. Механизмы патогенеза, лабораторная диагностика аденовирусных инфекций. Альгинатные оттискные массы. Состав, свойства, показания к применению. Анатомия и гистология сердца. Круги кровообращения. Физиологические свойства сердечной мышцы. Фазовый анализ одиночного цикла сердечной деятельности Антибиотики, нарушающие функции цитоплазматической мембраны (ЦПМ) микроорганизмов Антитела (иммуноглобулины): структура, свойства. Классификация антител: классы, субклассы, изотипы, аллотипы, идиотипы. Закономерности биосинтеза.

Разные вещества проходят через мембрану с разной скоростью, поэтому мы говорим, что мембраны избирательно проницаемы. При этом скорость прохождения веществ меняется в зависимости от физиологического состояния клетки или органеллы.

Благодаря избирательной проницаемости они регулируют транспорт веществ между наружной средой и клеткой, между органеллами цитоплазмой и т. д.

Регулируя поступление веществ в клетку и их выведение, мембраны тем самым регулируют скорость и направление биохимических реакций, которые составляют основу обмена веществ организма. Сама избирательная проницаемость мембран зависит от обмена веществ в клетке.

Мембраны регулируют обмен веществ и другим способом – изменяя активность ферментов. Некоторые ферменты активны только тогда, когда они прикреплены к мембране, другие, наоборот, в этом состоянии не проявляют активности и начинают действовать только после того, как мембрана выпустит их на «свободу». Изменение проницаемости мембраны может способствовать контакту фермента с субстратом, после чего начинается химическая реакция, которая сначала была невозможна.

Мембранные ферменты работают хорошо только тогда, когда они находятся в контакте с липидами. В присутствии липидов может меняться форма молекул мембранных белков – ферментов, таким образом, что их активные центры становятся доступным для субстрата. Кроме того, локализация фермента на мембране определяет место данной реакции в клетке.

Другой важной стороной ферментативной деятельности мембран является координация химических реакций, проходящих в клетках. Когда несколько ферментов катализируют цепь реакций, в которой продукт первой реакции служит субстратом для другой и т. д., то эти ферменты располагаются на мембране в определенной последовательности, образуя мультиферментную систему. Таких систем в мембране много, например цепь дыхательных ферментов. В этом случае ферменты располагаются в строгой последовательности с минимальным расстоянием между ними.

Компартментализация клетки – необходимое условие для жизнедеятельности и одна из основных функций мембран. Во-первых, мембраны увеличивают внутреннюю поверхность клетки, на которой локализованы ферменты и проходят химические реакции. Во-вторых, разные компартменты отличаются по химическому составу. Далее, поскольку компартменты имеют различный химический состав в них проходят разные биохимические реакции, то с помощью мембран осуществляется физическое разделение метаболических процессов, часто противоположного направления. Например, синтез белков идет в рибосомах, а распад – в лизосомах. Каждый из этих процессов регулируется независимо один от другого. Приведем еще пример: синтез жирных кислот и их окисление. Первый процесс происходит в цитоплазме, второй – в митохондриях.

Однако метаболические системы не полностью изолированы одна от другой. В мембранах, разделяющих клетку на компартменты, имеются специализированные механизмы, которые транспортируют из одного в другой субстраты, продукты реакции, а также кофакторы и соединения, имеющие регуляторное действие. Таким образом, скорость отдельных метаболических процессов, которые происходят внутри компартментов, частично регулируются транспортными системами мембран.

Регуляция скорости метаболических процессов может происходить благодаря перемещению регулируемых веществ с одного компартмента в другой.

В разных компартментах имеются разные концентрации органических веществ, ионов, разный химический состав. Например, в вакуолях всегда находится запас аминокислот, органических кислот, сахаров, ионов. Это приводит к химической геторогенности в клетке. Неодинаковая концентрация ионов по обеим сторонам мембраны приводит к возникновению разности электрических потенциалов. Так плазмалемма несет отрицательный заряд, а тонопласт – положительный. Разные концентрации и химический состав обуславливают разную вязкость в разных частях цитоплазмы.

Обладая избирательной проницаемостью, пропуская в клетку необходимые вещества, мембраны выполняют еще одну функцию – регулируют гомеостаз. Гомеостазом называют свойство клетки (органеллы, органа, организма, экосистемы) поддерживать постоянство своей внутренней среды.

Почему внутренняя среда клетки должна оставаться постоянной? Мембранные белки и белки-ферменты относятся к глобулярным. Глобулярная нативная структура белковых молекул зависит от слабых связей, легко разрушаемым даже при малом изменении внутренней среды клетки. Таким образом, клетка должна поддерживать гомеостаз, чтобы не изменялась нативная структура белков. Если измениться третичная или четвертичная структура белка, то и фермент потеряет или изменит свою активность и нарушится строгое соответствие структуры фермента и субстрата, для того чтобы пошла реакция.

От структуры белковой молекулы зависит ее размещение в мембране, и, таким образом, ее свойства и функции. Изменение конформации белковых молекул может менять количество гидрофобных и гидрофильных радикалов на ее поверхности. Это приводит к изменению расположения белковых глобул в мембране. Последнее окажет влияние на ее избирательную способность и другие свойства, что, в свою очередь, вызовет нарушение геторогенности, исчезновению ферментов и может привести к гибели клетки.

Мембраны принимают участие в адаптации клетки к меняющимся условиям окружающей среде, о чем поговорим ниже.

Большая часть мембран, кроме общих функций, таких как регулирование обмена веществ, компартментизация, выполняют и специальные. Например, мембраны митохондрий и хлоропластов принимают непосредственное участие в синтезе АТФ. Жизнь – это беспрерывная работа, для выполнения которой все время необходимо расходовать энергию.

Таким образом, синтез АТФ необходим постоянно, он связан со строго определенной структурой мембран органелл (хлоропласты, митохондрии). Нарушение этой структуры приводит к снижению синтеза АТФ, а это значит – к смерти.

Лабильная структура мембран позволяет им выполнять разные функции: барьерные, транспортные осмотические, электрические, структурные, энергетические, биосинтетические, секреторные, рецепторно- регуляторные и некоторые другие.

В последнее время накапливается все больше данных, свидетельствующих о том, что некоторые мембраны образуются путем физического переноса мембранного материала от одних клеточных компонентов к другим. Есть данные, позволяющие считать ЭС источником тех строительных блоков, которые в конечном итоге включаются в плазмалемму. Возможно, это происходит в результате отшнуровывания пузырьков от цистерн Гольджи. По всей вероятности, в аппараты Гольджи совершается перестройка мембран двух типов: мембран, характерных для ЭС, в мембраны, свойственные плазмалемме.

В заключение укажем на основные свойства мембран:

1. Мембраны являются сложными структурами. Они состоят из структурных белков и липидов, но могут также включать высокоспецифические молекулы ферментов, пигментов и кофакторов.

2. Благодаря химической вариабильности составляющих мембраны молекул белков и липидов и в зависимости от их функций, различные мембраны могут иметь разную структуру.

3. Структура мембран обеспечивает высокую степень упорядоченности которой специфические молекулы могут образовывать комплексные функциональные единицы.

4. Ферментные реакции и другие процессы в мембранах могут приводить к пространственно направленным, или векторным, реакциям; мембраны асимметричны

Плазмолиз (от греч. plásma - вылепленное, оформленное и lýsis - разложение, распад) , отделение протопласта от оболочки при погружении клетки в гипертонический раствор.

Плазмолиз характерен главным образом для растительных клеток, имеющих прочную целлюлозную оболочку. Животные клетки при перенесении в гипертонический раствор сжимаются. В зависимости от вязкости протоплазмы, от разницы между осмотическим давлением клетки и внешнего раствора, а следовательно от скорости и степени потери воды протоплазмой, различают плазмолиз выпуклый, вогнутый, судорожный и колпачковый. Иногда плазмолизированные клетки остаются живыми; при погружении таких клеток в воду или гипотонический раствор происходит деплазмолиз.

Для сравнительной оценки плазмолиза в тканях существует два метода:

Метод пограничного плазмолиза
- Плазмометрический метод.

Первый метод, разработанный Хуго Де Фризом (1884), заключается в погружении тканей в растворы с различной концентрацией KNO3, сахарозы или другие осмотически активного вещества и установлении той концентрации, при которой плазмолизируется 50 % клеток. При плазмометрическом методе после плазмолиза измеряют относительный объём клетки и протопласта и по концентрации раствора вычисляют осмотическое давление клетки (по соответствующим формулам) .

Деплазмолиз (от де… и плазмолиз) - возвращение протопласта клеток растений из состояния плазмолиза в исходное состояние, характеризующееся нормальным тургором.

Деплазмолиз происходит при перенесении плазмолизированных клеток (то есть клеток, подвергшихся плазмолизу) в воду или гипотонические растворы.

Тургор (позднелат. turgor - вздутие, наполнение, от лат. turgere - быть набухшим, наполненным) , напряжённое состояние клеточной оболочки, зависящее от осмотического давления внутриклеточной жидкости (Р внутреннее) , осмотическое давления внешнего раствора (Р внешнее) и упругости клеточной оболочки (УО) . Обычно УО клеток животных (исключая некоторых кишечнополостных) невелика, они лишены высокого Т. и сохраняют целостность только в изотонических растворах или мало отличающихся от изотонических (разница между Р внутренним и Р внешним меньше 0,5-1,0 ам) . У живых растительных клеток Р внутреннее всегда больше Р внешнего, однако разрыва клеточной оболочки у них не происходит из-за наличия целлюлозной клеточной стенки. Разница между Р внутренним и Р внешним у растений (например, у растений галофитов, грибов) достигает 50-100 ам, но даже при этом запас прочности растительной клетки составляет 60-70%. У большинства растений относительное удлинение клеточной оболочки вследствие Т. не превышает 5- 10%, а тургорное давление лежит в пределах 5-10 ам. Благодаря Т. ткани растений обладают упругостью и конструктивной прочностью. Все процессы автолиза, увядания и старения сопровождаются падением Т.

Вода́ (оксид водорода) - бинарное неорганическое соединение, химическая формула Н 2 O. Молекула воды состоит из двух атомовводорода и одного - кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью. При нормальных условиях представляет собой прозрачную жидкость, не имеет цвета (в малом объёме), запаха и вкуса. В твёрдом состоянии называется льдом (кристаллы льда могут образовывать снег или иней), а в газообразном - водяным паром. Вода также может существовать в виде жидких кристаллов (нагидрофильных поверхностях) . Около 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озёра, реки, льды) - 361,13 млн км 2 . На Земле примерно 96,5 % воды приходится на океаны, 1,7 % мировых запасов составляют грунтовые воды, ещё 1,7 % на ледники и ледяные шапки Антарктиды и Гренландии, небольшая часть в реках, озёрах и болотах, и 0,001 % в облаках (образуются из взвешенных в воздухе частиц льда и жидкой воды) . Бо́льшая часть земной воды - солёная, и она непригодна для сельского хозяйства и питья. Доляпресной составляет около 2,5 %, причём 98,8 % этой воды находится в ледниках и грунтовых водах. Менее 0,3 % всей пресной воды содержится в реках, озёрах и атмосфере, и ещё меньшее количество (0,003 %) находится в живых организмах .

Является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы).

Вода имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формированииклимата и погоды. Является важнейшим веществом для всех живых существ на планете Земля .

Первая особенность: вода - единственное вещество на Земле (кроме ртути),
для которого зависимость удельной теплоемкости от температуры имеет
минимум.Из-за того, что удельная теплоемкость воды имеет
минимум около 37°С, нормальная температура человеческого тела,
состоящего на две трети из воды, находится в диапазоне температур
36°-38°С(внутренние органы имеют более высокую температуру, чем
наружные).

Вторая особенность: теплоемкость воды аномально
высока. Чтобы нагреть определенное ее количество на один градус,
необходимо затратить больше энергии, чем при нагреве других жидкостей, -
по крайней мере вдвое по отношению к простым веществам. Из этого
вытекает уникальная способность воды сохранять тепло. Подавляющее
большинство других веществ таким свойством не обладают. Эта
исключительная особенность воды способствует тому, что у человека
нормальная температура тела поддерживается на одном уровне и жарким
днем, и прохладной ночью.

Таким образом, вода играет
главенствующую роль в процессах регулирования теплообмена человека и
позволяет ему поддерживать комфортное состояние при минимуме
энергетических затрат. При нормальной температуре тела человек находится
в наиболее выгодном энергетическом состоянии.

Температура
других теплокровных млекопитающих (32-39°С) также хорошо соотносится с
температурой минимума удельной теплоемкости воды.

Третья
особенность: вода обладает высокой удельной теплотой плавления, то есть
воду очень трудно заморозить, а лед - растопить. Благодаря этому климат
на Земле в целом достаточно стабилен и мягок.

Все три особенности тепловых свойств воды позволяют человеку оптимальным
образом существовать в условия благоприятной среды.

выполняет транспортную функцию по «доставке» питательных веществ тканям и
органам при корневом и листовом питании, обмеенных процессах и синтезе,
- термолегулирующую, препятствующую перегреву тканей и денатурации
(разрушению) белков, в т. ч. ферментов и гормонов,
- является основной составляющей частью растительных организмов (на 80-90%
растения состоят из воды) , создающая тургор- упругость тканей,
- как источник элемента питания- водорода (Н) , необходимого в процессах
фотосинтеза первичных сахаров

Растительные клетки только на самой ранней стадии раз­вития бывают сплошь заполнены протоплазмой. Очень скоро в протоплазме начинают появляться полости, вакуоли – ре­зервуары с клеточным соком. Образование вакуолей обуслов­лено наличием в протоплазме веществ, сильно притягивающих воду. По мере роста и старения клетки отдельные вакуо­ли сливаются в одну сплошную полость, а протоплазма низ­водится до тонкого слоя, выстилающего клеточные стенки. Только тяжи и нити протоплазмы пересекают разросшуюся во всю клетку вакуолю.

Клеточный сок, находящийся в вакуолях, имеет сложный химический состав. В нем содержатся в растворенном виде минеральные соли, органические кислоты (щавелевая, яблоч­ная, лимонная, виннокаменная) и их соли, сахара, азотистые вещества, алкалоиды, глюкозиды, дубильные вещества и др.

В клеточном соке нередко встречаются красящие вещест­ва – пигменты (антоциан, реже антохлор). Окраска антоциана меняется в зависимости от реакции среды. При кислой она красная или фиолетовая, при щелочной – синяя.

Антоцианом окрашены корни свеклы, листья красной ка­пусты, фиолетовые, красные и синие лепестки цветков. Вто­рой растворимый пигмент антохлор тоже иногда встречается в лепестках и окрашивает их в желтый цвет.

От состава клеточного сока зависит полезность многих культурных растений. Сахаристость сахарной свеклы, слад­кий вкус арбуза и фруктов определяются клеточным соком. Живая клетка растений представляет собой осмотическую систему, где различные вещества направляются через мемб­раны от большей концентрации к меньшей до уравнива­ния их.

Когда клетка находится в воде или в очень слабом раство­ре солей (как почвенный раствор), вода поступает в клеточ­ный сок, вследствие чего вакуоля увеличивается в объеме, растягивает протоплазму и плотно прижимает ее к оболочке. Несколько растягивается и оболочка и находится, как гово­рят, в состоянии тургора (напряжения). При большом содер­жании в клетках сахара (плоды вишни, черешни, винограда) и обильном увлажнении (частые дожди) тургор может быть настолько большим, что клетки лопаются.

Обратное явление наблюдается при плазмолизе. Если жи­вую растительную клетку поместить в гипертонический рас­твор сахара или соли (более крепкий, чем клеточный сок), то вода будет выходить из клетки наружу, так как осмотиче­ская (притягивающая) сила такого раствора больше осмоти­ческой силы клеточного сока.

Особенно велико осмотическое давление у растений, про­израстающих в пустынях и на солончаках. Во многих слу­чаях оно достигает 50 и даже 100 атм. атм). По количественным показателям, основанным на концентра­ции, осмотическое давление у некоторых растений во много раз превышает давление пара в самых мощных локомотивах. В действительности клеткам приходится испытывать лишь разницу осмотических давлений клеточного сока и почвен­ных растворов, концентрация которых в почвах пустынь и солончаках большая.

Процесс поступления веществ в клетку называется эндоцитозом. Различают пиноцитоз и фагоцитоз.
Фагоцитоз (греч. фаго – пожирать) – поглощение клеткой твердых органических веществ. Оказавшись около клетки, твердая частица окружается выростами мембраны, или под ней образуется впячивание мембраны. В результате частица оказывается заключенной в мембранный пузырек внутри клетки. Такой пузырек называют фагосомой. Термин «фагоцитоз» был предложен И. И. Мечниковым в 1882 г. Фагоцитоз свойствен простейшим, кишечнополостным, лейкоцитам, а также клеткам капилляров костного мозга, селезенки, печени, надпочечников.
Второй способ поступления веществ в клетку называют пиноцитозом (греч. пино – пью) – это процесс поглощения клеткой мелких капель жидкости с растворенными в ней высокомолекулярными веществами. Осуществляется путем захвата этих капель выростами цитоплазмы. Захваченные капли погружаются в цитоплазму и там усваиваются. Явление пиноцитоза свойственно животным клеткам и одноклеточным простейшим.
Еще один способ поступления веществ в клетку – осмос – прохождение воды через избирательно проницаемую мембрану клетки. Вода переходит из менее концентрированного раствора в более концентрированный. Вещества могут также проходить через мембрану путем диффузии – так транспортируются вещества, способные растворяться в липидах (простые и сложные эфиры, жирные кислоты и т. д.) . Путем диффузии по градиенту концентрации по специальным каналам мембраны идут некоторые ионы (например, ион калия выходит из клетки) .
Кроме того, транспорт веществ через мембрану осуществляет натрий-калиевый насос: он перемещает ионы натрия из клетки и ионы калия в клетку против градиента концентраций с затратой энергии АТФ.
Фагоцитоз, пиноцитоз и натрий-калиевый насос – это примеры активного транспорта, а осмос и диффузия – пассивного транспорта

ВОДНЫЙ БАЛАНС РАСТЕНИЙ

Соотношение между количеством воды, которое растения получают, и количеством воды, которое они за тот же период времени расходуют.

Водный баланс и завядание. Одним из наиболее динамичных процессов в растении является водный обмен, который находится в тесной корреляций с другими процессами жизнедеятельности растения. Водный баланс - это поступление и расходование воды растением. При умеренной транспирации и достаточном поступлении воды в растение создается благоприятный водный баланс. В ясный солнечный день это равновесие нарушается и в растении возникает водный дефицит, который обычно составляет 5-10%. Такой дефицит считается вполне нормальным и не приносит особого вреда растению.

При интенсивной транспирации или иссушении почвы, когда поступление воды в растение прекращается, происходит значительная потеря растительными клетками воды, которая не пополняется поглощением ее из почвы, в результате чего образуется водный дефицит, часто наблюдаемый в наиболее жаркие часы суток у растений.

При водном дефиците листья теряют тургор, завядают, повисают.

Некоторые растения, имеющие в органах большое количестве механических тканей, например бессмертники (род. Helichrysum), не изменяют своего внешнего вида при водном дефиците, при значительной потере воды и даже при гибели.

Наблюдения показали, что обычно на рассвете внутренний градиент в растении и почве почти выравнивается, уравновешиваются водные потенциалы растения и почвы. В утренние часы, когда листья начинают транспирировать, водный потенциал становится несколько меньшим, чем на рассвете, однако поступление воды в растение начинается; когда создается необходимый градиент водных потенциалов от листьев к поверхности раздела корень-почва.

Завядание бывает временным и длительным.

Дата добавления: 2015-02-02 | Просмотры: 1801 | Нарушение авторских прав

| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 32 | | |

1.5.2. Системогенез

1.6. Типы регуляции функций организма и их надежность

1.7. Гомеостазис

1.7.1. Понятия

1.7.2. Надежность физиологических систем, обеспечивающих гомеостазис

1.8. Соотношение структуры и функции

Глава 2

2.2. Функции нейронов

2.3. Функции органелл нейрона

2.4. Функциональные структуры клеточной мембраны

2.5. Функции клеточной мембраны нейрона

2.6. Механизмы транспорта веществ через клеточную мембрану нейрона

2.6.1. Классификация транспорта веществ и его значение

2.6.2. Первичный транспорт

2.6.4. Ионные каналы

2.6.5. Основные свойства нервной клетки

Глава 3 возбудимость и возбуждение нейронов цнс

3.1. Созревание цнс в онтогенезе

3.1.1. Закладка нервной системы

3.1.2. Развитие спинного мозга и спинномозговых ганглиев

3.1.3. Развитие продолговатого, заднего, среднего и промежуточного мозга

3.1.4. Развитие конечного мозга

3.2. Открытие «животного электричества» и его сущность

3.3. Мембранный потенциал покоя

3.3.1. Общая характеристика и непосредственная причина формирования

3.3.2. Роль проницаемости клеточной мембраны и ее поверхностных зарядов

3.3.3. Роль ионных насосов в формировании пп

3.4. Мембранный потенциал действия

3.5. Исследование ионных токов. Запас ионов в клетке

3.6. Локальный потенциал. Оценка проницаемости клеточной мембраны

3.7. Изменения возбудимости клетки во время ее возбуждения. Лабильность

3.8. Оценка возбудимости ткани и клетки (законы раздражения)

Глава 4 взаимодействие нейронов цнс

4.1. Проведение возбуждения по нервным волокнам

4.2. Особенности физиологии нервов детей

4.3. Физиология синапсов цнс

4.3.1. Структурно-функциональная характеристика синапсов

4.3.2. Механизм передачи сигнала в химических синапсах

4.3.3. Особенности проведения возбуждения в химических синапсах

4.3.4. Электрические синапсы цнс

4.4. Медиаторы и рецепторы цнс

4.5. Роль различных элементов нейрона в возникновении возбуждения

4.6. Распространение возбуждения в цнс

4.7. Свойства нервных центров

4.8. Торможение в цнс

4.8.2. Пресинаптическое торможение. Роль различных видов торможения

4.9. Координационная деятельность цнс

4.10. Интегрирующая роль нервной системы

Глава 5

5.1.2. Неонатальный период

5.1.3. Грудной возраст и другие возрастные периоды

5.2. Физиология спинного мозга

5.2.1. Структурно-функциональная характеристика

5.2.4. Механизм шагательного рефлекса

5.2.5. Регуляция тонуса мышц

5.3. Двигательные системы ствола мозга

А. В стволе мозга находятся ядра ш-хп пар черепных нервов.

5.4. Функции ретикулярной формации

5.5. Системы связей ствола мозга

5.6. Мозжечок

5.7. Промежуточный мозг

5.8. Базальные ганглии

5.9. Лимбическая система

5.10. Функции коры большого мозга 5.10.1. Структурно-функциональная организация коры

5.10.2. Локализация функций в коре большого мозга

5.10.3. Ассоциативные области коры

5.11. Нейрофизиологические

Глава 6 высшая нервная деятельность

6.1. Понятие о высшей нервной деятельности. Развитие представлений о высшей нервной деятельности

6.2. Методы исследования высшей нервной деятельности. Электроэнцефалограмма детей

6.4. Созревание условных рефлексов в онтогенезе и их характеристика

6.4.1. Созревание условных рефлексов в раннем онтогенезе

6.4.2. Характеристика условных рефлексов

6.5. Механизм образования условных рефлексов

6.6. Память*

6.6.1. Общая характеристика

6.6.2. Мгновенная и кратковременная память

6.6.3. Долговременная память

6.6.4. Роль отдельных структур мозга в формировании памяти

6.6.5. Нарушения памяти

6.7. Формы научения

6.8. Торможение условных рефлексов

6..9. Учение о типах высшей нервной деятельности

6.9.1. Характеристика основных типов внд животных и человека и методов их определения

Неуравновешенный (холерик)

6.9.2. Типологические варианты личности детей

6.9.3. Особенности внд подростков (свойства нервной системы)

6.9.4. Основные положения по формированию типологических особенностей внд детей

6.9.5. Развитие свойств нервных процессов и влияние на них генотипа и среды

6.9.6. Роль генотипа и среды в формировании личности

6.10. Анализаторы и приспособительное поведение организма

6.10.1. Структурно-функциональная характеристика и роль анализаторов, регуляция их деятельности

6.10.2. Свойства анализаторов и приспособление организма к окружающей среде

6.10.3. Кодирование информации в анализаторах

6.11. Формы психической деятельности

6.12. Эмоции (чувства) и их развитие в онтогенезе

6.13. Электрофизиологические корреляты психической деятельности детей

6.13.1. Психическая деятельность и электроэнцефалограмма

6.13.2. Психическая деятельность и вызванные потенциалы

6.14. Особенности когнитивных процессов

6.15.1. Деятельность и мышление человека. Нарушения мышления у детей

6.15.2. Вторая сигнальная система. Этапы развития познавательной способности у детей

6.15.3. Открытие центров речи. Восприятие и воспроизведение речи

6.15.4. Развитие речи и пластичность речевой функции в онтогенезе

6.15.6. Латерализация функций

6.15.7. Социально детерминированное сознание*

6.15.8. Осознаваемая и подсознательная деятельность мозга

6.16. Гнозис и праксис и их нарушения

6.17. Бодрствование и сон. Сновидения

6; 17.1. Сон и сновидения, оценка глубины сна, значение сна

6.17.2. Механизмы бодрствования и сна

6.18. Принципы организации поведенческих реакций

6.19. Этапы формирования внд у детей

Глава 1. Регулирующие системы организма и их взаимодействие 6

Глава 2. Основы жизнедеятельности нейронов 65

Глава 3. Возбудимость и возбуждение нейронов цнс 94

Глава 4. Взаимодействие нейронов цнс 134

Глава 5. Структуры и функции отделов мозга (иерархия

Глава 6. Высшая нервная деятельность 240

Смирнов Виктор Михайлович Нейрофизиология и высшая нервная деятельность детей и подростков Учебное пособие

105043, Москва, ул. 8-я Парковая, 25.

3.3. Мембранный потенциал покоя

3.3.1. Общая характеристика и непосредственная причина формирования

Потенциал покоя (1111) - разность электрических потенциалов между наружной и внутренней сторонами клеточной мембраны. Его

величина в нервных клетках составляет 60-80 мВ. При регистрации ПП луч осциллографа во время прокола мембраны клетки микро­электродом скачком отклоняется и показывает отрицательный за­ряд внутри клетки (рис. 3.1).

ПП играет исключительно важную роль в жизнедеятельности самого нейрона и организма в целом. В частности, он составляет основу для перера ботки информации в нервной клетке, обеспечи­вает регуляцию деятельности внутренних органов и опорно-двигательного аппарата посредством запуска процессов возбуж­дения и сокращения в мышце. Согласно мембранно-ионной тео­рии (Бернштейн, Ходжкин, Хаксли, Катц), непосредственной при­чиной формирования ПП является неодинаковая концентрация анионов и катионов внутри и вне клетки (табл. 3.1).

В нейронах концентрация ионов К + внутри клетки в 20-40 раз больше, чем вне клетки; концентрация ионов Na + вне клетки в 10-12 раз больше, чем в клетке. Ионов СГ вне клетки в 10-20 раз больше, чем внутри клетки. В клетке имеется небольшое количество ионов Mg 2+ . Ион Са 2+ в клетке находится в основном в свя­занном состоянии с АТФ, цит­ратом, глутаматом. Резервуа­ром для ионов Са 2+ является эндоплазматический ретику-лум. В свободном состоянии кальций находится в основном вне клетки; в гиалоплазме его

очень мало. Это обусловлено отчасти активным транспортом ио­нов Са 2+ наружу через клеточную мембрану, отчасти поглощени­ем его эндоплазматическим ретикулумом и другими органеллами, например митохондриями. В клетке находятся также крупномоле­кулярные анионы, главным образом это отрицательно заряжен­ные белковые молекулы, например глутамат, аспартат, а также органические фосфаты. Различные ионы распределены неравно­мерно по обе стороны клеточной мембраны, во-первых, вследст­вие неодинаковой проницаемости клеточной мембраны для раз­личных ионов, во-вторых, в результате работы ионных насосов, транспортирующих ионы в клетку и из клетки вопреки концен­трационному и электрическому градиентам. По поводу определе­ния «проницаемость» и «проводимость» единого мнения пока не сложилось.

3.3.2. Роль проницаемости клеточной мембраны и ее поверхностных зарядов

А. Терминология. В настоящее время различные авторы по-разному трактуют термины «проницаемость» и «проводимость». Под проницаемостью клеточной мембраны мы понимаем ее спо­собность пропускать воду и частицы - заряженные (ионы) и неза­ряженные согласно законам диффузии и фильтрации. Проницае­мость клеточной мембраны определяется следующими факторами: 1) наличием в составе мембраны различных ионных каналов -управляемых (с воротным механизмом) и неуправляемых (каналы утечки); 2) размерами каналов и размерами частиц; 3) растворимо­стью частиц в мембране (клеточная мембрана проницаема для рас­творимых в ней липидов и непроницаема для пептидов).

Термин «проводимость» следует использовать только приме­нительно к заряженным частицам. Следовательно, под проводи­мостью мы понимаем способность заряженных частиц (ионов) проходить через клеточную мембрану согласно электрохимиче­скому градиенту (совокупность электрического и концентрацион­ного градиентов).

Как известно, ионы, подобно незаряженным частицам, перехо­дят через мембрану из области с высокой концентрацией в об­ласть с низкой концентрацией. При большом градиенте концен­трации и хорошей проницаемости мембраны, разделяющей соот­ветствующие растворы, проводимость ионов может быть высо­кая, при этом наблюдается односторонний ток ионов. Когда кон­центрация ионов по обе стороны мембраны уравняется, проводи­мость ионов уменьшится, односторонний ток ионов прекратится, хотя проницаемость сохранится прежней - высокой. Кроме того, проводимость иона при неизменной проницаемости мембраны зависит и от заряда иона: одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются, т.е. важную роль в проводимости иона играет его электрический заряд. Возможна ситуация, когда при хорошей проницаемости мембраны проводимость ионов че­рез мембрану оказывается низкой или нулевой, - в случае отсут­ствия движущей силы (концентрационного и /или электрического градиентов).

Таким образом, проводимость иона зависит от его электрохи­мического градиента и от проницаемости мембраны: чем они больше, тем лучше проводимость иона через мембрану. Перемеще­ния ионов в клетку и из клетки согласно концентрационному и электрическому градиентам в состоянии покоя клетки осуществля­ются преимущественно через неуправляемые (без воротного меха­низма) каналы (каналы утечки). Неуправляемые каналы всегда от­крыты, они практически не меняют своей пропускной способности при электрическом воздействии на клеточную мембрану и ее воз­буждении. Неуправляемые каналы подразделяются на ионоселек-тивные каналы (например, калиевые медленные неуправляемые каналы) и иононеселективные каналы. Последние пропускают различные ионы: К + , Na + , С1 _ .

Б. Роль проницаемости клеточной мембраны и различных ионов в формировании 1111 (рис. 3.2.). Сосуд разделен полупроницаемой мем­браной. Обе его половины заполнены раствором K 2 SO 4 различной концентрации (О и С2), причем Ci < С2. Мембрана проницаема для иона К + и непроницаема для S04 2 ". Ионы К + перемещаются согласно

концентрационному градиенту из рас­твора Сг в раствор Ci. Поскольку ионы SO 4 ~ не могут пройти в раствор С], где их концентрация тоже ниже, мембрана поляризуется и между двумя ее по­верхностями возникает разность элек­трических потенциалов, соответст­вующая равновесному калиевому по­тенциалу (Ек).

Ионы Na + и К + в живой клетке, на­ходящейся в состоянии покоя, также перемещаются через мембрану соглас­но законам диффузии, при этом К + из клетки выходит в значительно боль­шем количестве, чем входит Na + в клетку, поскольку проницаемость кле­точной мембраны для К + примерно в 25 раз больше проницаемости для Na + .

Органические анионы из-за своих больших размеров не могут выхо­дить из клетки, поэтому внутри клет­ки в состоянии покоя отрицательных ионов оказывается больше, чем по-

ложительных. По этой причине клетка изнутри имеет отрица­тельный заряд. Интересно, что во всех точках клетки отрицатель­ный заряд практически одинаков. Об этом свидетельствует оди­наковая величина ПП при введении микроэлектрода на разную глубину внутрь клетки, как это имело место в опытах Ходжкина, Хаксли и Катца. Заряд внутри клетки является отрицательным как абсолютно (в гиалоплазме клетки содержится больше анио­нов, чем катионов), так и относительно наружной поверхности клеточной мембраны.

Калий является главным ионом, обеспечивающим формирова­ние ПП. Об этом свидетельствуют результаты опыта с перфузией внутреннего содержимого гигантского аксона кальмара солевыми растворами. При уменьшении концентрации ионов К + в перфуза-те ПП снижается, при увеличении их концентрации ПП повыша­ется. В состоянии покоя клетки устанавливается динамическое равновесие между числом выходящих из клетки и входящих в клетку ионов К + . Электрический и концентрационный градиенты противодействуют друг другу: согласно концентрационному гра­диенту К + стремится выйти из клетки, отрицательный заряд внут­ри клетки и положительный заряд наружной поверхности клеточ­ной мембраны препятствуют этому. Когда концентрационный и электрический градиенты уравновесятся, число выходящих из клетки ионов К + сравнивается с числом входящих ионов К + в клетку. В этом случае на клеточной мембране устанавливается так называемый равновесный потенциал.

Равновесный потенциал для иона можно рассчитать по формуле Нернста. Концентрация положительно заряженного иона, находя­щегося снаружи, в формуле Нернста записывается в числителе, а иона, находящегося внутри клетки, - в знаменателе. Для отрица­тельно заряженных ионов расположение противоположное.

Е _ЛГ . 1п М,

~~ ZF [ ion \ "

где Е- тп - потенциал, создаваемый данным ионом; R - газовая по­стоянная (8,31 Дм); Т - абсолютная температура (273+37°С); Z -валентность иона; F - постоянная Фарадея (9,65 х 10 4); [гол],- - кон­центрация иона внутри клетки inside; [ ion ] 0 - концентрация иона во внешней среде клетки outside. Равновесный потенциал иона Na + у нервных клеток Еы я - +55 мВ, иона калия Ек - -70 мВ.

Вклад Na + и С1~ в создание ПП. Проницаемость клеточной мем­браны в покое для иона Na + очень низкая, намного ниже, чем для иона К + , тем не менее она имеется, поэтому ионы Na + согласно концентрационному и электрическому градиентам стремятся и в небольшом количестве проходят внутрь клетки. Это ведет к умень­шению ПП, так как на внешней поверхности клеточной мембраны суммарное число положительно заряженных ионов уменьшается, хотя и незначительно, а часть отрицательных ионов внутри клетки нейтрализуется входящими в клетку положительно заряженными ионами Na + . Вход иона Na + внутрь клетки снижает ПП. Влияние СГ на величину ПП противоположно и зависит от проницаемости кле­точной мембраны для ионов СГ. Дело в том, что ион СГ, согласно концентрационному градиенту, стремится и проходит в клетку. Препятствует входу иона СГ в клетку электрический градиент, по­ скольку заряд внутри клетки отрицательный, как и заряд СГ. На­ ступает равновесие сил концентрационного градиента, способст­вующего входу иона СГ в клетку, и электрического градиента, пре­пятствующего входу иона СГ в клетку. Поэтому внутриклеточная концентрация ионов СГ значительно меньше внеклеточной. При поступлении иона СГ внутрь клетки число отрицательных зарядов вне клетки несколько уменьшается, а внутри клетки увеличивается: ион СГ добавляется к крупным, белковой природы анионам, нахо­дящимся внутри клетки. Эти анионы из-за своих больших размеров не могут пройти через каналы клеточной мембраны наружу клетки - в интерстиций. Таким образом, ион СГ, проникая внутрь клетки, увеличивает ПП. Частично, как и вне клетки, ионы Na + и С1~ внутри клетки нейтрализуют друг друга. Вследствие этого со­вместное поступление ионов Na + и С1~ внутрь клетки не сказывается существенно на величине ПП.

В. Определенную роль в формировании ПП играют поверх­ностные заряды самой клеточной мембраны и ионы Са 2+ . На­ружная и внутренняя поверхности клеточной мембраны несут собственные электрические заряды, преимущественно с отрица­тельным знаком. Это полярные молекулы клеточной мембра­ны: гликолипиды, фосфолипиды, гликопротеиды. Фиксиро­ванные наружные отрицательные заряды, нейтрализуя поло­жительные заряды внешней поверхности мембраны, снижают ПП. Фиксированные внутренние отрицательные заряды кле­точной мембраны, напротив, суммируясь с анионами внутри клетки, увеличивают ПП.

Роль ионов Са 2+ в формировании ПП заключается в том, что они взаимодействуют с наружными отрицательными фиксиро­ванными зарядами мембраны клетки и нейтрализуют их, что ве­дет к увеличению и стабилизации ПП.

Таким образом, ПП - это алгебраическая сумма не только всех зарядов ионов вне и внутри клетки, но также алгебраическая сумма отрицательных внешних и внутренних поверхностных за­рядов самой мембраны.

При проведении измерений потенциал окружающей клетку среды принимают равным нулю. Относительно нулевого потен­циала внешней среды потенциал внутренней среды нейрона, как отмечалось, составляет величину порядка -60-80 мВ. Поврежде­ние клетки приводит к повышению проницаемости клеточных мембран, в результате чего различие проницаемости для ионов К + и Na + уменьшается, ПП при этом снижается. Подобные из­менения встречаются при ишемии ткани. У сильно поврежден­ных клеток ПП может снизиться до уровня донанновского рав­новесия, когда концентрация внутри и вне клетки будет опреде­ляться только избирательной проницаемостью клеточной мембраны в состоянии покоя клетки, что может привести к на­рушению электрической активности нейронов. Однако и в нор­ме происходит перемещение ионов согласно электрохимическо­му градиенту, однако ПП не нарушается.

"

ПРОНИЦАЕМОСТЬ - способность клеток и тканей поглощать, выделять и транспортировать химические вещества, пропуская их через клеточные мембраны, стенки сосудов и клетки эпителия. Живые клетки и ткани находятся в состоянии непрерывного обмена хим. веществами с окружающей средой. Основным барьером (см. Барьерные функции) на пути движения веществ является клеточная мембрана. Поэтому исторически механизмы П. исследовались параллельно с изучением структуры и функции биологических мембран (см. Мембраны биологические).

Различают пассивную П., активный транспорт веществ и особые случаи П., связанные с фагоцитозом (см.) и пиноцитозом (см.).

В соответствии с мембранной теорией П. в основе пассивной П. лежат различные виды диффузии вещества через клеточные мембраны (см. Диффузия

где dm - количество вещества, диффундирующего за время dt через площадь S; dc/dx - градиент концентрации вещества; D - коэффициент диффузии.

Рис. 1. Молекулярная организация ионофорного антибиотика (валиномицина): а - структурная формула молекулы валиномицина, содержащей шесть правовращающих (D) и шесть левовращающих (L) аминокислот, все боковые группы [-СН 3 -СН (СН 3) 2 ] гидрофобны; б - схематическое изображение пространственной конфигурации комплекса валиномицина с ионом калия (в центре). Часть карбонильных групп комплекса образует водородные связи с атомами азота, а другие - координационные связи с катионом (ионом калия). Гидрофобные группы формируют внешнюю гидрофобную сферу комплекса и обеспечивают его растворимость в углеводородной фазе мембраны; 1 - атомы углерода, 2 - атомы кислорода, 3 - катион (ион калия), 4- атомы азота, 5 - водородные связи, 6 - координационные связи. Ион калия, «захваченный» молекулой валиномицина, переносится этой молекулой через мембрану клетки и высвобождается. Таким путем обеспечивается избирательная проницаемость клеточной мембраны для ионов калия.

При исследовании П. клетки для растворенного вещества вместо градиента концентрации употребляют понятие разности концентраций диффундирующего вещества по обе стороны мембраны, а вместо коэффициента диффузии - коэффициент проницаемости (Р), зависящий также от толщины мембраны. Одним из возможных путей проникновения веществ в клетку является растворение их в липидах клеточных мембран, что подтверждается существованием прямой пропорциональной зависимости между коэффициентом проницаемости большого класса хим. соединений и коэффициентом распределения вещества в системе масло - вода. В то же время вода не подчиняется этой зависимости, скорость ее проникновения значительно выше и не пропорциональна коэффициенту распределения в системе масло - вода. Для воды и растворенных в ней низкомолекулярных веществ наиболее вероятным способом П. является прохождение через мембранные поры. Т. о., диффузия веществ через мембрану может происходить путем растворения этих веществ в липидах мембраны; путем прохождения молекул через полярные поры, образуемые полярными, заряженными группами липидов и белков, а также путем прохождения через незаряженные поры. Особыми видами являются облегченная и обменная диффузии, обеспечиваемые белками и жирорастворимыми веществами-переносчиками, которые способны связывать переносимое вещество по одну сторону мембраны, диффундировать с ним через мембрану и освобождать его по другую сторону мембраны. Скорость переноса вещества через мембрану в случае облегченной диффузии значительно выше, чем при простой диффузии. Роль специфических переносчиков ионов могут выполнять некоторые антибиотики (валиномицин, нигерицин, моненсин и ряд других), получившие название ионофорных (см. Ионофоры). Расшифрована молекулярная организация комплексов ионофорных антибиотиков с катионами. В случае валиномицина (рис. 1) показано, что после связывания с катионом калия молекула пептида изменяет конформацию, приобретая вид браслета с внутренним диаметром ок. 0,8 нм, в к-ром ион калия удерживается в результате ион-дипольных взаимодействий.

Распространенным видом пассивной П. клеточных мембран для полярных веществ является П. через поры. Хотя непосредственное наблюдение пор в липидном слое мембраны представляет трудную задачу, экспериментальные данные свидетельствуют об их реальном существовании. В пользу реального существования пор свидетельствуют также данные об осмотических свойствах клеток. Величина осмотического давления в растворах, окружающих клетку, может быть рассчитана по формуле:

π=σ CRT,

где π - осмотическое давление; С - концентрация растворенного вещества; R - газовая константа; Т - абсолютная температура; σ - коэффициент отражения. Если скорость прохождения через мембрану молекулы растворенного вещества соизмерима со скоростью прохождения молекул воды, то величины сил будут близки к нулю (осмотическое изменение объема клетки отсутствует); если клеточная мембрана непроницаема для данного вещества, то величина σ стремится к 1 (осмотическое изменение объема клетки максимально). Скорость проникновения молекул через клеточную мембрану зависит от размеров молекулы и, таким образом, путем подбора молекул определенного размера и наблюдения за изменением объема клеток в растворе данного вещества можно определить размеры клеточных пор. Напр., мембрана аксона кальмара слабопроницаема для молекул глицерина, имеющих в радиусе ок. 0,3 нм, но проницаема для веществ с меньшими размерами молекул (табл.). Аналогичные эксперименты с другими клетками показали, что размеры пор в клеточных мембранах, в частности в мембранах эритроцитов, кишечной палочки, клеток эпителия кишечника и др., достаточно точно укладываются в пределах 0,6-0,8 нм.

Для живых клеток и тканей характерен и другой способ проникновения веществ в клетку и выхода из нее - активный транспорт веществ. Активный транспорт - это перенос вещества через клеточную (или внутриклеточную) мембрану (трансмембранный активный транспорт) или через слой клеток (трансцеллюлярный активный транспорт), протекающий против электрохимического градиента (см. Градиент). т. е. с затратой свободной энергии организма (см. Обмен веществ и энергии). Молекулярные системы, отвечающие за активный транспорт веществ, находятся в клеточной (или внутриклеточной) мембране. В цитоплазматических мембранах клеток, участвующих в активном транспорте ионов,- мышечных клетках, нейронах, эритроцитах, клетках почек - в значительных количествах находится фермент Na+, Независимая АТФ-аза, активно участвующий в механизмах переноса ионов (см. Транспорт ионов). Механизм функционирования этого фермента наиболее изучен на эритроцитах и аксонах, обладающих ярковыраженной способностью накапливать ионы калия и удалять (откачивать) ионы натрия. Предполагается, что эритроциты содержат молекулярное устройство - калиево-натриевый насос (калий-натриевая помпа), обеспечивающее избирательное поглощение ионов калия и избирательное удаление из клетки ионов натрия, а основным элементом этого насоса является Na + , К + -АТФ-аза. Изучение свойств фермента показало, что фермент активен только в присутствии ионов калия и натрия, причем ионы натрия активируют фермент со стороны цитоплазмы, а ионы калия - со стороны окружающего раствора. Специфическим ингибитором фермента является сердечный гликозид уабаин. Обнаружены и другие транспортные АТФ-азы, в частности, транспортирующие ионы Са +2 .

В мембранах митохондрий известна молекулярная система, обеспечивающая откачку ионов водорода,- фермент Н + -АТФ-аза, а в мембранах саркоплазматического ретикулума - фермент Са ++ -АТФ-аза. Митчелл (P. Mitchell) - автор хемиосмотической теории окислительного фосфорилирования в митохондриях (см. Фосфорилирование) - ввел понятие «вторичный транспорт веществ», который осуществляется за счет энергии мембранного потенциала и (или) градиента pH. Если для ионных АТФ-аз противоградиентное перемещение ионов и утилизация АТФ обеспечиваются одной и той же ферментной системой, то в случае вторичного активного транспорта эти два события обеспечиваются разными системами и могут быть разделены во времени и пространстве.

Проникновение в клетки крупных макромолекул белка, нуклеиновых к-т. клеточных ферментов и целых клеток осуществляется по механизму фагоцитоза (захвата и поглощения клеткой крупных твердых частиц) и пиноцитоза (захвата и поглощения частью клеточной поверхности окружающей жидкости с растворенными в ней веществами).

П. клеточных мембран имеет больше значение для функционирования клеток и тканей.

Активный транспорт ионов и сопутствующее ему поглощение воды в клетках почечного эпителия происходит в проксимальных канальцах почки (см. Почки). Через почки взрослого человека ежедневно проходит до 1800 л крови. Белки при этом отфильтровываются и остаются в крови, 80% солей и воды, а также вся глюкоза поступают обратно в кровяное русло. Считается, что первопричиной этого процесса является трансцеллюлярный активный транспорт ионов натрия, обеспечиваемый Na+ K+-зависимой АТФ-азой, локализованной в клеточных мембранах базального эпителия. Если в русле почечного проксимального канальца концентрация ионов натрия составляет ок. 100 ммоль/л, то внутри клетки она не превышает 37 ммолъ/л; вследствие этого пассивный поток ионов натрия направлен внутрь клетки. Пассивному проникновению катионов в цитоплазму способствует также наличие мембранного потенциала (внутренняя поверхность мембраны заряжена отрицательно). Т. о. внутрь клетки ионы натрия проникают пассивно в соответствии с концентрационным и электрическим градиентами (см. Градиент). Выход же ионов из клетки в плазму крови осуществляется против концентрационного и электрического градиентов. Установлено, что именно в базальной мембране и локализован натрий-калиевый насос, обеспечивающий удаление ионов натрия. Предполагается, что анионы хлора движутся вслед за ионами натрия по межклеточному пространству. В результате этого осмотическое давление плазмы крови возрастает, и вода из русла канальца начинает поступать в плазму крови, обеспечивая реабсорбцию соли и воды в почечных канальцах.

Для изучения пассивной и активной П. используются различные методы. Значительное распространение получил метод меченых атомов (см. Изотопы , Радиоактивные препараты , Радиоизотопное исследование). Для изучения ионной П. клеток используются изотопы 42 K, 22 Na и 24 Na, 45 Ca, 86 Rb, 137 Cs, 32 P и др.; для изучения П. воды - дейтериевая или тритиевая вода, а также вода, меченная по кислороду (18O); для изучения П. сахаров и аминокислот - соединения, меченные по углероду 14 C или сере 35 S; для изучения П. белков - иодированные препараты, меченные по 1 31 I.

Широко применяются при исследовании П. витальные красители. Сущность метода заключается в наблюдении под микроскопом скорости проникновения молекул красителя внутрь клетки. Для большинства витальных красителей (нейтральный красный, метиленовый синий, родамин и др.) наблюдения проводятся в видимой части спектра. Используются также флюоресцирующие соединения, и среди них флюоресцеин натрия, хлортетрациклин, мурексид и др. При исследовании мышц было показано, что П. молекул красителей зависит не только от свойств клеточной мембраны, но и от сорбирующей способности внутриклеточных структур, чаще всего белков и нуклеиновых к-т, с к-рыми красители связываются.

Для изучения П. воды и растворенных в ней веществ применяют осмотический метод. При этом с помощью микроскопа или измерения светорассеяния суспензии частиц наблюдают за изменением объема клеток в зависимости от тоничности окружающего р-ра. Если клетка находится в гипертоническом р-ре, то вода из нее переходит в раствор и клетка сжимается. Противоположный эффект наблюдается в гипотоническом р-ре.

Все чаще для изучения П. клеточных мембран применяют потенциометрические методы (см. Микроэлектродный метод исследования , Электропроводность биологических систем); широкий набор ионоспецифичных электродов позволяет исследовать кинетику транспорта многих неорганических ионов (калия, натрия, кальция, водорода и др.), а также некоторых органических ионов (ацетатов, салицилатов и др.). Все виды П. клеточных мембран в той или иной степени характерны для многоклеточных тканевых мембранных систем - стенок кровеносных сосудов, эпителия почек, слизистой оболочки кишечника и желудка. Вместе с тем для П. сосудов характерны некоторые особенности, проявляющиеся в нарушении сосудистой П. (см. ниже).

Патологическая физиология сосудистой проницаемости

Термином «сосудистая проницаемость» пользовались для обозначения гистогематического и транскапиллярного обмена, распределения веществ между кровью и тканями, тканевой П., гемолимфатического перехода веществ и других процессов. Некоторые исследователи применяют этот термин для обозначения трофической функции капилляро-соединительнотканных структур. Неоднозначность использования термина было одной из причин противоречивости взглядов по ряду вопросов, особенно касающихся регуляции сосудистой П. В 70-х гг. 20 в. термин «сосудистая проницаемость» стали использовать гл. обр. для обозначения избирательной проницаемости, или барьернотранспортной функции, стенок кровеносных микрососудов. Имеется тенденция к отнесению к сосудистой П. также и П. стенок не только микрососудов (кровеносных и лимфатических), но и крупных сосудов (вплоть до аорты).

Изменения сосудистой П. наблюдаются гл. обр. в форме повышения избирательной П. для макромолекул и клеток крови. Типичным примером этого является экссудация (см.). Понижение сосудистой П. связывают в основном с белковым пропитыванием и последующим уплотнением сосудистых стенок, что наблюдается, напр., при гипертонической болезни (см.).

Существует мнение о возможности нарушения П. сосудистой стенки преимущественно в направлении интерстиция или из интерстиция в кровь. Однако преимущественное движение веществ в ту или другую сторону относительно сосудистой стенки еще не доказывает его связь с состоянием барьерно-транспортной функции сосудистой стенки.

Принципы изучения нарушений сосудистой проницаемости

Оценку состояния сосудистой П. необходимо проводить с учетом того, что сосудистая стенка обеспечивает разграничение и функциональную связь двух смежных сред (крови и внутритканевой среды), являющихся основными компонентами внутренней среды организма (см.). Обмен между этими смежными средами в целом осуществляется за счет микрогемоциркуляции (см. Микроциркуляция), а сосудистая стенка с ее барьерно-транспортной функцией выступает лишь в качестве основы органной специализации гистогематического обмена. Поэтому метод изучения состояния сосудистой П. можно считать адекватным только тогда, когда он позволяет оценивать качественные параметры гистогематического обмена с учетом их органоспецифичности и независимо от состояния органной микрогемоциркуляции и характера обменных процессов, формирующихся вне сосудистой стенки. С этой точки зрения наиболее адекватным из существующих методов является электронно-микроскопический метод изучения сосудистой П., позволяющий прямым способом наблюдать пути и механизмы проникновения веществ через сосудистую стенку. Особенно плодотворным оказалось сочетание электронной микроскопии с так наз. трассирующими индикаторами, или трейцерами, метящими пути своего движения через сосудистую стенку. В качестве таких индикаторов могут быть использованы любые нетоксические вещества, выявляемые с помощью электронной микроскопии или специальных приемов (гистохимически, радиоавтографически, иммуноцитохимически и др.). С этой целью применяют железосодержащий белок ферритин, различные ферменты с пероксидазной активностью, коллоидный уголь (очищенную черную тушь) и т. д.

Из непрямых методов изучения состояния барьерно-транспортной функции стенок кровеносных сосудов наиболее широкое распространение получила регистрация проникновения через сосудистую стенку естественных или искусственных индикаторов, слабо или вообще не проникающих через стенку в условиях нормы. При нарушении микрогемоциркуляции, что часто наблюдается при нарушении сосудистой П., эти методы могут быть малоинформативными, и тогда следует сочетать их с методами контроля состояния микрогемоциркуляции, напр. с помощью биомикроскопии или легкодиффундирующих индикаторов, гистогематический обмен которых не зависит от состояния сосудистой П. и тканевого метаболизма. Недостатком всех непрямых методов, основанных на регистрации накопления индикаторных веществ за пределами сосудистого русла, является необходимость учета массы факторов, способных существенно повлиять на уровень индикатора в изучаемом участке. Кроме того, эти методы довольно инерционны и не позволяют изучать кратковременные и обратимые изменения сосудистой П., особенно в сочетании с изменением микрогемоциркуляции. Эти трудности удается частично преодолеть с помощью метода меченых сосудов, основанного на определении проникновения в сосудистую стенку слабодиффундирующего индикатора, накапливающегося в стенке и окрашивающего ее. Окрашенные (меченые) участки выявляются с помощью светового микроскопа и являются доказательством нарушения П. эндотелия. В качестве индикатора может быть использован коллоидный уголь, образующий легко выявляемые темные скопления в местах грубого нарушения эндотелиального барьера. Изменения активности микровезикулярного транспорта этим методом не регистрируются и необходимо применять другие индикаторы, переносимые через эндотелий микровезикулами.

Возможности изучения нарушений сосудистой П. в условиях клиники более ограниченны, т. к. большинство методов, основанных на использовании микромолекулярных легко диффундирующих индикаторов (в т. ч. и радиоизотопов), не позволяют однозначно судить о состоянии барьерно-транспортной функции стенок кровеносных сосудов.

Сравнительно широко применяют метод, основанный на определении количественных различий в содержании белка в пробах артериальной и венозной крови, взятых одновременно (см. Лендиса проба). При вычислении процента потери белка кровью в процессе ее перехода из артериального русла в венозное необходимо знать процент потери воды, который определяется по разнице в гематокрите артериальной и венозной крови. В своих исследованиях на здоровых людях В. П. Казначеев и А. А. Дзизинский (1975) в качестве показателей нормальной П. сосудов верхней конечности вывели следующие величины: для воды в среднем 2,4-2,6%, для белка 4-4,5% , т. е. при прохождении по сосудистому руслу 100 мл крови в лимф. русло поступает ок. 2,5 мл воды и 0,15-0,16 г белка. Следовательно, за сутки в организме человека должно образовываться не менее 200 л лимфы, что в десятки раз превышает реальную величину суточной лимфопродукции в организме взрослого человека. Очевидно, что недостатком метода является допущение, согласно к-рому различия в гематокрите артериальной и венозной крови объясняются лишь изменением содержания в крови воды за счет ее выхода за пределы сосудистого русла.

В клин. практике о состоянии регионарной сосудистой П. нередко судят по наличию внутритканевых или полостных скоплений свободной жидкости, богатой белком. Однако при оценке состояния сосудистой П., напр. в брюшной полости, может быть сделано ошибочное заключение, поскольку обменные микрососуды этих органов и тканей в норме характеризуются высокой П. для макромолекул благодаря прерывистости или пористости их эндотелия. Увеличение фильтрационного давления в таких случаях ведет к образованию богатого белком выпота. Особенно проницаемы для белковых молекул венозные синусы и синусоиды.

Следует отметить, что повышенный выход плазменных белков в ткань и развитие тканевого отека (см.) не всегда сопутствуют повышению сосудистой П. Микрососуды (капилляры и венулы), эндотелий которых в норме слабопроницаем для макромолекул, приобретают эндотелиальные дефекты; через эти дефекты легко выходят в подэндотелиальное пространство введенные в кровоток индикаторы - макромолекулы и микрочастицы. Однако признаки тканевого отека при этом отсутствуют - так наз. безотековая форма нарушения сосудистой проницаемости. Подобное явление наблюдается, напр., в мышцах животных при развитии в них нейродистрофического процесса, связанного с перерезкой двигательного нерва. Сходные изменения в тканях человека описаны, напр., при старении и сахарном диабете, когда образуются так наз. ацеллюлярные капилляры, т. е. обменные микрососу ды с частично или полностью слущенными эндотелиальными клетками (признаки тканевого отека при этом также отсутствуют). Все эти факты говорят, с одной стороны, об относительности связи тканевых отеков с повышением сосудистой П., а с другой - о существовании внесосудистых механизмов, ответственных за распределение воды и веществ между кровью и тканями.

Факторы нарушения сосудистой проницаемости

Факторы нарушения сосудистой проницаемости условно делят на две группы: экзогенные и эндогенные. Экзогенные факторы нарушения сосудистой П. различной природы (физической, химической и др.) в свою очередь делятся на факторы, непосредственно влияющие на сосудистую стенку и ее барьерно-транспортную функцию напр., гистамин, введенный в сосудистое русло, различные токсины и т. п.), и факторы нарушения П. непрямого действия, эффект которых опосредуется через эндогенные факторы.

К уже известным эндогенным факторам нарушения сосудистой П. (гистамин, серотонин, кинины) стали относить большое число других, в частности простагландины (см.), причем последние не только повышают сосудистую П., но и усиливают действие других факторов; многие из эндогенных факторов продуцируются различными ферментными системами крови (системой фактора Хагемана, системой комплемента и др.).

Повышают сосудистую П. и иммунные комплексы. Из фактора, ответственного за «отсроченное» повышение сосудистой П. при развитии феномена Артюса, Йосинага (1966) выделил псевдоглобулин; Куроянаги (1974) открыл новый фактор П., обозначенный им как Ig-PF. По своим свойствам он существенно отличается от гистамина, кининов, анафилатоксина и калликреина, действует дольше, чем гистамин и брадикинин, угнетается витаминами K1 и K2.

Многие факторы нарушения сосудистой П. продуцируются лейкоцитами. Так, с поверхностью нейтрофилов связана протеаза, образующая из белков плазмы нейтральный пептидный медиатор, повышающий соудистую П. Белковый субстрат протеазы имеет мол. вес (массу) 90 000 и отличается от кининогена.

В лизосомах и специфических гранулах клеток крови содержатся катионные белки, способные нарушать сосудистую П. Их действие опосредуется гистамином тучных клеток.

Различные эндогенные факторы нарушения сосудистой П. действуют в тканях одновременно или последовательно, вызывая в. сосудистой П. фазовые сдвиги. В связи с этим выделяют ранние, отсроченные и позд ние изменения сосудистой П. Ранняя фаза - фаза действия гистамина (см.) и серотонина (см.). Вторая фаза развивается после периода мнимого благополучия, спустя 1-3 часа после первичного повреждения - замедленная, или отсроченная фаза; ее развитие обусловливается действием кининов (см.) или простагландинов. Развитие этих двух фаз зависит от уровня комплемента и угнетается антикомплементарной иммунной сывороткой. Через сутки после повреждения развивается третья фаза, связываемая с действием цито- и протеолитических ферментов, освобождающихся из лизосом лейкоцитов и лимфоцитов. В зависимости от природы первичного повреждающего агента количество фаз может быть разным. В раннюю фазу сосудистая П. нарушается гл. обр. на уровне венул, в последующие фазы процесс распространяется на капиллярное русло и артериолы.

Рецепция факторов проницаемости сосудистой стенкой. Эндогенные факторы нарушения П. представляют наиболее важную группу причин нарушения сосудистой П. Отдельные из них находятся в тканях в готовом виде (гистамин, серотонин) и под влиянием различных патогенных воздействий освобождаются из депо, в роли которых выступают тучные клетки и клетки крови (базофилы, тромбоциты). Другие факторы являются продуктом разных биохим. систем как в месте первичного повреждения, так и на расстоянии от него.

Вопросы происхождения факторов П. сами по себе важны для решения практических задач профилактики и лечения нарушений сосудистой П. Однако появление фактора П. еще не достаточно для нарушения сосудистой П. Для того чтобы фактор П. стал действительно фактором нарушения сосудистой П., он должен быть «замечен», т. е. рецептирован, сосудистой стенкой (если только он не обладает деструктурирующей способностью подобно цитолитическим агентам). Известно, напр., что гистамин, введенный в общий кровоток, нарушает сосудистую П. лишь в определенных органах и тканях, тогда как в других тканях (головной мозг, легочная ткань, эндоневрий и др.) он не эффективен. У лягушек введение в сосудистое русло серотонина и брадикинина вообще не вызывает нарушения сосудистой П. Однако причины неэффективности гистамина в обоих случаях различны.

По современным данным, эндотелий обменных микрососудов теплокровных животных и человека обладает чувствительностью к большому числу разнообразных агентов, т. е. характеризуется высокой рецепторной способностью. Что касается гистамина - одного из основных факторов П., вызывающего острое и значительное (хотя и кратковременное) нарушение сосудистой П., то экспериментальные данные говорят о наличии в эндотелии двух типов гистаминовых рецепторов H1 и H2, играющих разную роль в механизме действия гистамина. Именно стимуляция H1-рецепторов приводит к нарушению сосудистой П., характерному для действия гистамина.

При действии некоторых эндогенных факторов П., в частности гистамина, наблюдается тахифилаксия (см.) и повторное применение (через 30 мин.) агента уже не нарушает сосудистую П. Подобная временная нечувствительность эндотелия микро-сосудов не объясняется временной блокадой соответствующих рецепторов, хотя в некоторых случаях это и может быть. В случае с гистамином механизм тахифилаксии, по нек-рым сведениям, имеет внерецепторную локализацию. Это доказывается, в частности, фактом развития перекрестной тахифилаксии, когда применение гистамина ведет к развитию устойчивости эндотелия не только к самому гистамину, но и к солям лантана, действующим в обход рецепторов. Возникновение перекрестной тахифилаксии может быть одной из причин неэффективности отдельных факторов П., действующих одновременно или последовательно.

Ультраструктурные основы и эффекторные механизмы нарушения сосудистой проницаемости

Рис. 2. Пути и механизмы транскапиллярного обмена веществ в условиях нормы (а) и патологии (б): 1 - трансцеллюлярная диффузия; 2 - диффузия и ультрафильтрация в области плотных межклеточных соединений; 3 - диффузия и ультрафильтрация в области простых межклеточных соединений; 4 - микровезикулярный транспорт в обход плотных межклеточных соединений; 3а и 4а - патологические межклеточные каналы типа «гистаминовых щелей»; 5 - микровезикулярный транспорт; 6 - образование трансцеллюлярного канала путем слияния микровезикул; 7 - фагоцитарные вакуоли в перицитах; 8 - микрочастицы индикатора сосудистой проницаемости (БМ - базальная мембрана, ЭН1, ЭН2, ЭН3 - эндотелиоциты, ПЦ - перициты).

Электронно-микроскопическими исследованиями выявлено, что морфол. основой повышения сосудистой П. является образование широких каналов в области межклеточных соединений в эндотелии (рис. 2). Такие каналы, или «течи», часто называют гистаминовыми щелями, т. к. их образование типично для действия на сосудистую стенку гистамина и впервые подробно изучено именно при его действии. Гистаминовые щели образуются гл. обр. в стенках венул тех органов и тканей, где отсутствуют малопроницаемые гистогематические барьеры типа гематоэнцефалического и др. Локальные расхождения межклеточных контактов обнаружены при нейрорегуляторных расстройствах, механических, термических, химических и других видах повреждений тканей, при действии различных биорегуляторов (серотонина, брадикинина, простагландинов Е1 и Е2 и т. д.). Нарушение межклеточных контактов возникает, хотя и с большим трудом, в капиллярах и артериолах и даже в более крупных сосудах. Легкость образования гистаминовых щелей прямо пропорциональна исходной структурной слабости межклеточных соединений, к-рая возрастает при переходе от артериол к капиллярам и от капилляров к венулам, достигая максимума на уровне посткапиллярных (перицитарных) венул.

Неэффективность гистамина в нарушении сосудистой П. некоторых органов хорошо объясняется именно с точки зрения развития плотных соединений в эндотелии микрососудов этих органов, напр. мозга.

В теоретическом и практическом отношении важен вопрос об эффекторных механизмах, лежащих в основе образования структурных дефектов типа гистаминовых щелей. Эти ультраструктурные сдвиги типичны именно для начальной фазы острого воспаления (см.), когда, по данным И. И. Мечникова (1891), повышение сосудистой П. биологически целесообразно, т. к. благодаря этому обеспечивается повышенный выход фагоцитов к очагу повреждения. Можно добавить, что повышенный выход плазмы в таких случаях также целесообразен, т. к. при этом в очаг доставляются антитела и средства неспецифической защиты. Т. о., повышение сосудистой П. в очаге воспаления можно рассматривать как специфическое состояние барьерно-транспортной функции стенок микро-сосудов, адекватное новым условиям существования ткани, а изменение сосудистой П. при воспалении и сходных ситуациях - не как нарушение, а как новое функциональное состояние, способствующее восстановлению нарушенного тканевого гомеостаза. Следует учитывать, что в некоторых органах (печень, селезенка, костный мозг), где в соответствии с особенностями органных функций существует непрерывный обменный поток клеток и макромолекул, межклеточные «течи» являются нормальными и постоянными образованиями, представляющими собой утрированные гистаминовые щели, но в отличие от истинных гистаминовых щелей способны к длительному существованию. Истинные гистаминовые щели образуются в первые же секунды после воздействия на эндотелий медиаторов острого воспаления и в большинстве своем через 10-15 мин. закрываются. Механизм образования гистаминовых щелей имеет защитный, филогенетически обусловленный характер и связан со стереотипной реакцией на клеточном уровне, запускаемой стимуляцией разных типов рецепторов.

Природа этой стереотипной реакции долго оставалась неизученной. И. И. Мечников считал, что повышение сосудистой П. при воспалении связано с сокращением эндотелиальных клеток. Однако позже было установлено, что эндотелиоциты в сосудах теплокровных не относятся к категории клеток, активно меняющих свою форму подобно мышечным. Роули (D. A. Rowley, 1964) высказал предположение, что расхождение эндотелиоцитов является следствием повышения внутрисосудистого давления и связанного с этим перерастяжения эндотелия. Прямые измерения доказали неприемлемость этой гипотезы в отношении венул и капилляров, однако для артериальных сосудов она имеет определенную ценность, т. к. при нарушении тонической активности мышечной оболочки высокое внутрисосудистое давление действительно способно вызвать перерастяжение эндотелия и повреждение межклеточных контактов. Но и в этом случае появление гистаминовых щелей в интиме не всегда связано с действием трансмурального давления. Робертсон и Кайраллах (A. L. Robertson, P. A. Khairallah, 1972) в опытах на изолированном сегменте брюшной аорты кролика показали, что широкие щели в эндотелии образуются под влиянием ангиотензина II в местах округления и укорочения эндотелиоцитов. Сходные морфол. сдвиги обнаружены и в эндотелии обменных микрососудов кожи при местном применении ангиотензина II, простагландина Е1 и сывороточных триглицеридов.

О. В. Алексеев и А. М. Чернух (1977) обнаружили у эндотелиоцитов обменных микрососудов способность, к быстрому увеличению содержания в цитоплазме микрофибриллярных структур, сходных по своим морфол. признакам с актиновыми микронитями. Этот обратимый феномен (так наз. феномен оперативной структурализации микрофибриллярного аппарата) развивается под влиянием факторов, вызывающих образование широких межклеточных щелей. Обратимость феномена в случае применения гистамина затрудняет его выявление и хорошо объясняет кратковременность и обратимость существования гистаминовых щелей. С помощью цитохалазина-Б, блокирующего образование актиновых микро-фибрилл, выявляется патогенетическое значение данного феномена в механизме образования межклеточных гистаминовых щелей. Эти факты говорят о наличии у эндотелиоцитов скрытой способности к сокращению, реализующейся в условиях, когда прежний уровень сосудистой П. оказывается неадекватным и требуется сравнительно быстрое и обратимое его изменение. Изменение сосудистой П. выступает, т. о., как особый акт биол. регуляции, обеспечивающий адаптацию барьерно-транспортной функции сосудистого эндотелия в соответствии с новыми местными потребностями, остро возникшими в связи с изменением условий жизнедеятельности ткани.

Наличие в тканях механизма изменения сосудистой П. можно отнести к так наз. факторам риска, т. к. срабатывание этого механизма в неадекватных условиях может стать причиной нарушения тканевого гомеостаза и органной функции, а не проявлением действия адаптационно-защитных механизмов. Основные пути нарушения сосудистой П. представлены на схеме. В основе изменения сосудистой П. лежат механизмы, не только приводящие к образованию межклеточных каналов (гистаминовых щелей), но и влияющие на активность клеточной поверхности (т. е. на микровезикуляцию и микровезикулярный транспорт, вакуолизацию и микропузыреобразование). Результатом может быть перфорация эндотелиоцитов с образованием более или менее обширных и долговременных трансцеллюлярных каналов.

Большое значение в механизмах нарушения сосудистой П. придается локальным изменениям поверхностного электрического заряда, особенно на мембранах, закрывающих поры в фенестрированных капиллярах (напр., почечных клубочков). По нек-рым данным, одно только изменение заряда может быть основой повышения выхода белков из клубочковых капилляров. Т. о. доказывается ограниченность теории пор, в соответствии с к-рой П. зависит лишь от размера и соотношения гипотетических крупных и мелких пор в стенках сосудов. В условиях патологии эффект повышения пористости эндотелия может достигаться разными путями: образованием межклеточных каналов типа гистаминовых щелей; усилением микровезикулярного и интравакуолярного транспорта; перфорацией эндотелиоцитов на основе усиления микровезикуляции, вакуолизации или микропузыреоб разования в эндотелии; микроочаговой деструкцией эндотелиоцитов; слущиванием эндотелиоцитов; изменением физ.-хим. свойств поверхности эндотелиоцитов и др. (см. Микроциркуляция ]]). Этот же эффект может быть достигнут и за счет внестеночных механизмов, в частности за счет изменения связывательной способности макромолекул крови, с к-рыми взаимодействуют почти все известные индикаторы, используемые для оценки состояния сосудистой П. В условиях патологии чаще всего одновременно или последовательно действуют разные из перечисленных механизмов. Так, напр., гистамин повышает пористость сосудистой стенки за счет образования гистаминовых щелей в эндотелии венул, а также путем влияния на поверхность эндотелиоцитов и связанные с ее активностью транспортные процессы и ультраструктурные трансформации (образование трансцеллюлярных пор, фенестр, микроканальцев и др.). Необходимо учитывать, что при этом часто меняется толщина эндотелиоцитов и глубина межклеточных щелей, что может оказывать существенное влияние на проницаемость сосудистой стенки как диффузионного барьера. Совершенно не изучен вопрос о поведении в условиях патологии биохим. механизмов, препятствующих или, наоборот, способствующих проникновению через сосудистую стенку веществ, особенно биологически активных. Известно, напр., что эндотелиоциты мозговых капилляров в норме обладают ферментативной активностью, разрушающей серотонин и тем самым препятствующей его проникновению как из крови в мозг, так и в обратном направлении. Эндотелий легочных капилляров содержит кининазу II, локализуемую в микропиноцитозных везикулах и обеспечивающую разрушение брадикинина и одновременно превращение ангиотензина I в ангиотензин II (гипертензии). Т. о., эндотелий осуществляет своеобразный контроль баланса гуморальных биорегуляторов, активно влияет на гистогематический обмен этих агентов.

Направленное вмешательство осуществляется на трех уровнях (см. схему). Первый уровень - воздействие на процесс образования причинных (рецептируемых) факторов - практически не используется, хотя имеются отдельные медикаментозные средства, способные действовать именно на этом уровне. Напр., резерпин влияет на депонирование факторов нарушения П. в тучных клетках, представляющих собой основной источник медиаторов острого воспаления (гистамина и серотонина); антипростагландиновые средства угнетают синтез простагландинов - ацетилсалициловая кислота и др.

Второй уровень является основным в практике разработки средств профилактики и лечения нарушений сосудистой П. Он соответствует процессу рецепции причинного фактора. Используется значительное число антигистаминовых, антисеротониновых и антибрадикининовых препаратов, предупреждающих нарушения сосудистой П., вызываемые соответствующими медиаторами. Достоинством и в то же время недостатком данных препаратов, действующих путем блокады специфических рецепторов, является их высокая специфичность. Такая специфичность делает их неэффективными в условиях множественности этиол. факторов, действующих одновременно или последовательно, что обычно наблюдается в клин. практике. Важно и то, что исключение действия одного фактора или нескольких, определяющих развитие одной фазы нарушения сосудистой П., не исключает развитие последующих фаз. Эти недостатки могут быть преодолены путем вмешательства на третьем уровне.

Третий уровень - воздействие на внутриклеточные (субклеточные) эффекторные механизмы, через которые непосредственно реализуется действие факторов П., причем единые для действия различных патогенных агентов. Реальность и эффективность такого подхода удается продемонстрировать в эксперименте путем применения вещества (цитохалазина-Б), угнетающего феномен оперативной структурализации микрофибриллярного аппарата в эндотелиоцитах (образование актинового геля и актиновых микрофибрилл).

В клин. практике с целью нормализации повышенной сосудистой П. используют витамин Р (см. Биофлавоноиды) и соли кальция. Однако эти препараты не могут рассматриваться как специфические леч. средства при нарушении сосудистой П., хотя они и оказывают общеукрепляющее влияние на гистогематические барьеры, мембраны и стенку сосудов в частности.

Для повышения сосудистой П. могут быть использованы различные эндогенные факторы П., напр. гистамин, или вещества, освобождающие их из тканевых депо.

Библиография: Алексеев О. В. Микроциркуляторный гомеостаз, в кн.: Гомеостаз, под ред. П. Д. Горизонтова, с. 278, М., 1976; Антонов В. Ф. Липиды и ионная проницаемость мембран, М., 1982; Биологические мембраны, под ред. Д. С. Парсонса, пер. с англ., М., 1978; Д е Робер тис Э., Новинский В. и С а э с Ф. Биология клетки, пер. с англ., М., 1967; Живая клетка, пер. с англ., под ред. Г. М. Франка, с. 130, М., 1962; К а з-начеевВ.П. и Д з и з и н с к и й А. А. Клиническая патология транскапиллярного обмена, М., 1975; Лайт фут Э. Явления переноса в живых системах, пер. с англ., М., 1977; Л а к ш м ин а р а я н а й а х Н. Мембранные электроды, пер. с англ., Л., 1979; Лев А. А. Моделирование ионной избирательности клеточных мембран, Л., 1976; Овчинников Ю. А., Иванов В. Т. и III к р о б А. М. Мембранно-активные комплексоны, М., 1974; Структура и функция клетки, пер. с англ., под ред. Г. М. Франка, с. 173, М., 1964; Трошин А. С. Проблема клеточной проницаемости, М. - Л., 1956; Чернух А. М., Александров П. Н. и Алексеев О. В. Микроциркуляция, М., 1975; Di Rosa М., Giroud J. Р. а. W 1 1-loughby D. A. Studies of the media-tors of the acute inflammatory response induced ln rats in different sites by carra-geenan and turpentine, J. Path., v. 104, p. 15, 1971; M a j n о G. а. P а 1 a-de G. E. Studies on inflammation, I. The effect of histamine and serotonin on vascu-lar permeability, an electron microscopic study, J. biophys. biochem. Cytol., v. 11, p. 571, 1961; M a j n о G., S h e a S. M. a. Leventhal M. Endothelial cont-raction induced by histamine-type medi-ators, J. Cell Biol., v. 42, p. 647, 1969: Shimamoto T. Contraction of endothelial cells as a key mechanism in athero-genesis and treatment of atherosclerosis with endothelial cell relaxants, в кн.: Atherosclerosis III, ed. by G. Schettler a. A. Weizel, p. 64, В.-N. Y., 1974.

B. Ф. Антонов; О. В. Алексеев (пат. физ.).

Клеточные мембраны разделяют различные по составу компартменты

Липидный бислой биологических мембран обладает очень низкой проницаемостью для большинства биологических молекул и ионов

Большинство веществ проходит через мембрану при участии

Транспорт ионов и других метаболитов через мембрану контролирует электрические и метаболические функции клетки

Биологические мембраны представляют собой избирательно проницаемые барьеры, которые окружают клеточные компартменты. Плазматическая мембрана отделяет содержимое клетки от внешней среды, а в клетках эукариот специализированные компартменты отделены от цитозоля дополнительными мембранами.

Клеточные компартменты существенно различаются по составу мембран и внутренней-среды. В ходе эволюции клетки выработали механизм для поддержания и регулирования состава среды в каждом компартменте.

Поддержание определенной концентрации растворенных веществ по обеим сторонам мембраны является необходимым условием существования гомеостаза, который представляет собой способность клетки к поддержанию относительного постоянства состава внутренней среды, обеспечивающей протекание жизненно необходимых метаболических процессов.

В результате гомеостатической регуляции концентрации ионов в цитозоле по обеим сторонам мембраны создается относительное осмотическое давление, которое регулирует клеточный объем. Более того, быстро наступающие изменения в транспорте ионов через мембраны носят временный характер и используются клеткой как механизм адаптации к изменившимся обменным процессам и для обработки информации (например, сигналов стресса), а также для транспорта в клетку питательных веществ или удаления из нее продуктов обмена.

Поскольку внутренняя часть липидного бислоя обладает гидрофобными свойствами, она непроницаема для полярных, гидрофильных и крупных биологических молекул. Каким образом неорганические ионы, а также заряженные молекулы и водорастворимые соединения селективно проходят через клеточные мембраны?

Сейчас мы знаем, что транспорт ионов и метаболитов через мембраны клеточных компартментов происходит с участием мембранных белков. Транспортные белки локализованы в плазматической мембране, а также в мембранах внутриклеточных органелл, например эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи, эндосом, лизосом и митохондрий. Для каждого типа мембран, так же как и для каждого типа клеток, характерен определенный набор транспортных белков.

Далее в отдельных статьях на сайте мы рассмотрим мембранные белки , которые принимают участие в транспорте ионов и небольших молекул, таких как глюкоза. Вначале мы остановимся на основных классах мембранных транспортных белков, а затем более подробно расскажем о строении и функции отдельных белков. Мы также обсудим вопросы совместного функционирования различных типов транспортных белков в клетке.

Большая часть статей на сайте посвящена транспорту ионов через мембрану . Клетка использует мембранные белки для поддержания определенной концентрации ионов во внутренней среде. Эта концентрация отличается от той, в которой они находятся во внеклеточной среде.

Различие в концентрации является причиной того, что в покоящихся клетках животных внутриклеточная среда заряжена отрицательно по отношению к внешней среде. Эти различия в концентрации и заряде создают электрохимический градиент, который клетка использует для запасания потенциальной энергии. Регуляция электрохимического градиента на мембране позволяет клетке осуществлять ряд основных функций, таких как выработка энергии, а также обрабатывать электрические сигналы поступающие в клетку и выходящие из нее.

В отдельных статьях на сайте также рассмотрены некоторые методы , позволяющие изучать мембраны. Поток заряженных частиц (ионный ток) через мембрану регистрируется электрофизиологическими методами. Этими методами можно исследовать как клетку целиком, так и фрагменты ее мембраны. Они также позволяют оценивать влияние различных воздействий, например изменение ионного состава, эффекты ингибиторов или активаторов транспорта.

Впервые ионные каналы были идентифицированы и выделены благодаря использованию природных токсинов (ядов), которые являются ингибиторами их функций. Эти токсины были также использованы в качестве инструмента для изучения функционирования каналов. Взаимосвязь между структурой и функцией каналов изучалась с использованием рекомбинантных транспортных белков, сайт-специфического мутагенеза, техники интеграции очищенных белков в искусственные мембраны и экспрессии транспортных белков в гетерологичных клетках.

Выяснение атомарной структуры части транспортных белков во многом способствовало пониманию их функционирования. Наряду с выяснением деталей мембранного связывания и транспорта метаболитов эти «фотографии» структуры помогают построить общие модели процессов трансмембранного транспорта.