2 курс / Нормальная физиология / Физиология_человека_Семенович_А_А_,_Переверзев_В_А_,_Зинчук_В_В

Функции клеточных мембран и механизмы их реализа$ ции. К основным функциям клеточных мембран относят!

ся: 1) создание оболочки (барьера), отделяющего цитозоль от окружающей среды, и определение границ и формы клетки;

2)обеспечение межклеточных контактов, сопровождающихся слипанием мембран (адгезия). Межклеточная адгезия важна для объединения однотипных клеток в ткань, образования гис! тогематических барьеров, осуществления иммунных реакций;

3)обнаружение сигнальных молекул и взаимодействие с ними, а также передача сигналов внутрь клетки; 4) обеспечение мем! бранными белками!ферментами катализа биохимических реакций, идущих в примембранном слое. Некоторые из этих белков выполняют также и роль рецепторов. Связь лиганда с таким рецептором активирует его ферментативные свойства;

5)обеспечение поляризации мембраны, генерация разности электрических потенциалов между наружной и внутренней стороной мембраны; 6) создание иммунной специфичности клетки за счет наличия в структуре мембраны антигенов. Роль антигенов, как правило, выполняют выступающие над поверх! ностью мембраны участки белковых молекул и связанные с ними молекулы углеводов. Иммунная специфичность имеет значение при объединении клеток в ткань и взаимодействии с клетками, осуществляющими иммунный надзор в организме;

7)обеспечение избирательной проницаемости веществ через мембрану и транспорта их между цитозолем и окружающей средой (см. ниже).

Приведенный перечень функций клеточных мембран сви! детельствует о том, что они принимают многогранное участие в механизмах нейрогуморальных регуляций в организме. Без знания ряда явлений и процессов, обеспечиваемых мембран! ными структурами, невозможно понимание и осознанное вы! полнение некоторых диагностических процедур и лечебных мероприятий. Например, для правильного применения многих лекарственных веществ необходимо знание того, в какой мере каждое из них проникает из крови в тканевую жидкость и в ци!

тозоль.

Диффузия и транспорт веществ через клеточные мембраны. Переход веществ через клеточные мембраны осу!

ществляется за счет разных видов диффузии, или активного транспорта.

41

Простая диффузия осуществляется за счет градиентов концентрации определенного вещества, электрического заря! да или осмотического давления между сторонами клеточной мембраны. Например, среднее содержание ионов натрия в плазме крови составляет 140 мМ/л, а в эритроцитах – при! близительно в 12 раз меньше. Эта разность концентрации (градиент) создает движущую силу, которая обеспечивает пе! реход натрия из плазмы в эритроциты. Однако скорость такого перехода мала, так как мембрана имеет очень низкую прони! цаемость для ионов Na+. Гораздо больше проницаемость этой мембраны для калия. На процессы простой диффузии не за! трачивается энергия клеточного метаболизма. Прирост скоро! сти простой диффузии прямо пропорционален градиенту кон! центрации вещества между сторонами мембраны.

Облегченная диффузия, как и простая, идет по градиенту концентрации, но отличается от простой тем, что в переходе ве! щества через мембрану обязательно участвуют специфические молекулы!переносчики. Эти молекулы пронизывают мембрану (могут формировать каналы) или, по крайней мере, с ней связа! ны. Транспортируемое вещество должно связаться с перенос! чиком. После этого переносчик меняет свою локализацию в мембране или свою конформацию таким образом, что доставля! ет вещество на другую сторону мембраны. Если для трансмем! бранного перехода вещества необходимо участие переносчика, то вместо термина “диффузия” часто используют термин

транспорт вещества через мембрану.

При облегченной диффузии (в отличие от простой), если происходит увеличение градиента трансмембранной концентрации вещества, то ско! рость перехода его через мембрану возрастает лишь до момента, пока не будут задействованы все мембранные переносчики. При дальнейшем увеличении такого градиента скорость транспорта будет оставаться неиз! менной; это называют явлением насыщения. Примерами транспорта ве! ществ путем облегченной диффузии могут служить: перенос глюкозы из крови в мозг, реабсорбция аминокислот и глюкозы из первичной мочи в кровь в почечных канальцах.

Обменная диффузия – транспорт веществ, при котором может происходить обмен молекулами одного и того же ве! щества, находящимися по разные стороны мембраны. Концен! трация вещества с каждой стороны мембраны остается при этом неизменной.

42

Разновидностью обменной диффузии является обмен моле! кулы одного вещества на одну или более молекул другого ве! щества. Например, в гладкомышечных волокнах сосудов и бронхов одним из путей удаления ионов Са2+ из клетки явля! ется обмен их на внеклеточные ионы Na+. На три иона входя! щего натрия из клетки удаляется один ион кальция. Создается взаимообусловленное движение натрия и кальция через мем! брану в противоположных направлениях (этот вид транспорта называют антипортом). Таким образом клетка освобожда! ется от избыточного Са2+, а это является необходимым усло! вием для расслабления гладкомышечного волокна. Знание ме! ханизмов транспорта ионов через мембраны и способов влия! ния на этот транспорт – непременное условие не только для понимания механизмов регуляции жизненных функций, но и правильного выбора лекарственных препаратов для лечения большого числа заболеваний (гипертонической болезни, бронхиальной астмы, сердечных аритмий, нарушений водно! солевого обмена и др.).

Активный транспорт отличается от пассивного тем, что идет против градиентов концентрации вещества, используя энергию АТФ, образующуюся за счет клеточного метаболиз! ма. Благодаря активному транспорту могут преодолеваться си! лы не только концентрационного, но и электрического гради! ента. Например, при активном транспорте Na+ из клетки на! ружу преодолевается не только концентрационный градиент (снаружи содержание Na+ в 10–15 раз больше), но и сопро! тивление электрического заряда (снаружи клеточная мембра! на у абсолютного большинства клеток заряжена положитель! но, и это создает противодействие выходу положительно заря! женного Na+ из клетки).

Активный транспорт Na+ обеспечивается белком Na+, K+! зависимой АТФазой. В биохимии окончание “аза” добавляется к названию белка в том случае, если он обладает ферментатив! ными свойствами. Таким образом, название Na+, K+!зависи! мая АТФаза означает, что это вещество – белок, который рас! щепляет аденозинтрифосфорную кислоту только при обяза! тельном наличии взаимодействия с ионами Na+ и K+. Энер! гия, освобождаемая в результате расщепления АТФ, идет на вынос из клетки трех ионов натрия и транспорт внутрь клетки двух ионов калия.

43

Имеются также белки, осуществляющие активный транс! порт ионов водорода, кальция и хлора. В волокнах скелетных мышц Ca2+!зависимая АТФаза встроена в мембраны сарко! плазматического ретикулума, который образует внутрикле! точные емкости (цистерны, продольные трубочки), накапли! вающие Ca2+. Кальциевый насос за счет энергии расщепле! ния АТФ переносит ионы Ca2+ из саркоплазмы в цистерны ре! тикулума и может создавать в них концентрацию Ca2+, приближающуюся к 10–3 М, т.е. в 10 000 раз большую, чем в саркоплазме волокна.

Вторично1активный транспорт характеризуется тем, что перенос вещества через мембрану идет за счет градиента концентрации другого вещества, для которого имеется меха! низм активного транспорта. Чаще всего вторично!активный транспорт происходит за счет использования градиента на! трия, т.е. Na+ идет через мембрану в сторону его меньшей кон! центрации и тянет за собой другое вещество. При этом обычно используется встроенный в мембрану специфический белок! переносчик.

Например, транспорт аминокислот и глюкозы из первичной мочи в кровь, осуществляемый в начальном участке почечных канальцев, про! исходит благодаря тому, что белок!переносчик мембраны канальцевого эпителия связывается с аминокислотой и ионом натрия и только тогда из! меняет свое положение в мембране таким образом, что переносит амино! кислоту и натрий в цитоплазму. Для наличия такого транспорта необхо! димо, чтобы снаружи клетки концентрация натрия была гораздо больше, чем внутри.

Для понимания механизмов гуморальных регуляций в орга! низме необходимо знание не только структуры и проницаемос! ти клеточных мембран для различных веществ, но и структуры и проницаемости более сложных образований, находящихся

между кровью и тканями различных органов.

Физиология гистогематических барьеров (ГГБ). Гисто! гематические барьеры – это совокупность морфологических, физиологических и физико!химических механизмов, функцио! нирующих как единое целое и регулирующих взаимодействия крови и органов. Гистогематические барьеры участвуют в со! здании гомеостаза организма и отдельных органов. Благодаря наличию ГГБ каждый орган живет в своей особой среде, кото! рая может значительно отличаться от плазмы крови по составу

44

отдельных ингредиентов. Особенно мощные барьеры сущест! вуют между кровью и мозгом, кровью и тканью половых желез, кровью и камерной влагой глаза. Непосредственный контакт с кровью имеет слой барьера, образованный эндотелием крове! носных капилляров, далее идет базальная мембрана с перици! тами (средний слой) и затем – адвентициальные клетки орга! нов и тканей (наружный слой). Гистогематические барьеры, изменяя свою проницаемость для различных веществ, могут ограничивать или же облегчать их доставку к органу. Для ряда токсичных веществ они непроницаемы. В этом проявляется их

защитная функция.

Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) – это совокуп! ность морфологических структур, физиологических и физико! химических механизмов, функционирующих как единое целое

ирегулирующих взаимодействие крови и ткани мозга. Морфо! логической основой ГЭБ является эндотелий и базальная мембрана мозговых капилляров, интерстициальные элементы

игликокаликс, нейроглия, своеобразные клетки которой (аст! роциты) охватывают своими ножками всю поверхность капил! ляра. В барьерные механизмы входят также транспортные системы эндотелия капиллярных стенок, включающие пино! и экзоцитоз, эндоплазматическую сеть, образование каналов, ферментные системы, модифицирующие или разрушающие поступающие вещества, а также белки, выполняющие функ! цию переносчиков. В структуре мембран эндотелия капилля! ров мозга, так же как и в ряде других органов, обнаружены белки аквапорины, создающие каналы, избирательно пропус! кающие молекулы воды.

Капилляры мозга отличаются от капилляров других органов тем, что эндотелиальные клетки образуют непрерывную стенку. В местах контакта наружные слои эндотелиальных клеток сли! ваются, образуя так называемые плотные контакты.

Среди функций ГЭБ выделяют защитную и регулирующую. Он защищает мозг от действия чужеродных и токсичных ве! ществ, участвует в транспорте веществ между кровью и моз! гом и создает тем самым гомеостаз межклеточной жидкости мозга и ликвора.

Гематоэнцефалический барьер обладает избирательной проницаемостью для различных веществ. Некоторые биологи! чески активные вещества (например, катехоламины) практи! чески не проходят через этот барьер. Исключение составляют

45

лишь небольшие участки барьера на границе с гипофизом, эпифизом и некоторыми участками гипоталамуса, где прони! цаемость ГЭБ для всех веществ высокая. В этих областях об! наружены пронизывающие эндотелий щели или каналы, по которым проникают вещества из крови во внеклеточную жид! кость мозговой ткани или в сами нейроны.

Высокая проницаемость ГЭБ в этих областях позволяет биологически активным веществам достигать тех нейронов ги! поталамуса и железистых клеток, на которых замыкается регу! ляторный контур нейроэндокринных систем организма.

Характерной чертой функционирования ГЭБ является ре! гуляция проницаемости для веществ адекватно сложившим! ся условиям. Регуляция идет за счет: 1) изменения площади открытых капилляров, 2) изменения скорости кровотока, 3) изменения состояния клеточных мембран и межклеточно! го вещества, активности клеточных ферментных систем, пино! и экзоцитоза.

Считается, что ГЭБ, создавая значительное препятствие для проникновения веществ из крови в мозг, вместе с тем хо! рошо пропускает эти вещества в обратном направлении из мозга в кровь.

Проницаемость ГЭБ для различных веществ сильно разли! чается. Жирорастворимые вещества, как правило, проникают через ГЭБ легче, чем водорастворимые. Относительно легко проникают кислород, углекислый газ, никотин, этиловый спирт, героин, жирорастворимые антибиотики (хлорамфени! кол и др.).

Нерастворимые в липидах глюкоза и некоторые незаменимые амино! кислоты не могут проходить в мозг путем простой диффузии. Они узнают! ся и транспортируются специальными переносчиками. Транспортная система настолько специфична, что различает стереоизомеры D! и L!глюкозы. D!глюкоза транспортируется, а L!глюкоза – нет. Этот транс! порт обеспечивается встроенными в мембрану белками!переносчиками. Транспорт нечувствителен к инсулину, но подавляется цитохолазином В.

Аналогичным образом транспортируются большие нейтральные ами! нокислоты (например, фенилаланин).

Есть и активный транспорт. Например, за счет активного транспорта против градиентов концентрации переносятся ио! ны Na+, К+, аминокислота глицин, выполняющая функцию тормозного медиатора.

46

Приведенные материалы характеризуют способы проник! новения биологически важных веществ через биологические барьеры. Они необходимы для понимания гуморальных регу! ляций в организме.

Контрольные вопросы и задания

1.Каковы основные условия сохранения жизнедеятельности ор1 ганизма?

2.Каково взаимодействие организма с внешней средой? Дайте определение понятия адаптации к среде существования.

3.Какова внутренняя среда организма и ее составляющие?

4.Что такое гомеостаз и гомеостатические константы?

5.Назовите границы колебаний жестких и пластичных гомео1 статических констант. Дайте определение понятия об их циркад1 ных ритмах.

6.Перечислите важнейшие понятия теории гомеостатических регуляций.

7.Дайте определение раздражения и раздражителей. Как класси1 фицируются раздражители?

8.В чем различие понятия “рецептор” с молекулярно1биологи1 ческой и морфофункциональной точки зрения?

9.Дайте определение понятия лигандов.

10.Что такое физиологические регуляции и замкнутый контур регулирования? Каковы его составляющие?

11.Назовите виды и роль обратных связей.

12.Дайте определение понятия об установочной точке гомео1 статических регуляций.

13.Какие существуют уровни регулирующих систем?

14.В чем заключаются единство и отличительные особенности нервных и гуморальных регуляций в организме?

15.Какие существуют виды гуморальных регуляций? Дайте их ха1 рактеристику.

16.Каково строение и свойства клеточных мембран?

17.Каковы функции клеточных мембран?

18.В чем заключаются диффузия и транспорт веществ через кле1 точные мембраны?

19.Дайте характеристику и приведите примеры активного мем1 бранного транспорта.

20.Дайте определение понятия гистогематических барьеров.

21.Что такое гематоэнцефалический барьер и какова его роль?

47

Глава 3. ФИЗИОЛОГИЯ ЭНДОКРИННОЙ СИСТЕМЫ

3.1. Общая характеристика эндокринной системы

Эндокринная система организма человека представлена эндокринными железами (гипофиз, надпочечники и др.), орга! нами с эндокринной тканью (поджелудочная железа, половые железы) и органами с эндокринной функцией клеток (печень, почки, сердце и др.). Особое место отводится гипоталамусу. Он обеспечивает взаимодействие нервных и эндокринных ме! ханизмов системной регуляции функций организма.

Эндокринные железы, или железы внутренней секреции, в отличие от экзокринных желез не имеют выводных протоков и выводят свой секрет во внутреннюю среду организма, в меж! клеточное пространство, откуда он попадает в кровь, лимфу или ликвор. Продукты деятельности эндокринных желез и кле! ток называют гормонами.

Гормоны – эндогенные химические соединения, обладаю! щие высокой биологической активностью и вызывающие в очень малых концентрациях (10–6–10–12 Ммоль) конкретную биохимическую или биофизическую реакцию в клетке!мишени.

По химической структуре гормоны делят на четыре группы:

1)пептиды и белки (инсулин, гормон роста); 2) производные аминокислот (адреналин, мелатонин); 3) стероиды, производ! ные холестерола (женские и мужские половые гормоны);

4)эйкозаноиды, производные арахидоновой кислоты (проста! гландины, тромбoксаны).

Функционально гормоны делят на три группы: 1) эффек! торные, действующие непосредственно на клетки!мишени;

2)тропные гормоны гипофиза, управляющие выделением гор! монов периферических эндокринных желез; 3) гипофизуправ! ляющие гормоны гипоталамуса, которые регулируют выделе! ние собственных гормонов гипофиза.

Общие свойства гормонов: 1) обладают высокой биологи! ческой активностью и эффективны в низких концентрациях;

2)связываются со специфическими рецепторами, которые ло! кализуются на поверхности клеток, в цитозоле или ядре; 3) мо! гут генерировать образование или выделение из депо внутри! клеточных (вторичных) посредников (циклических мононук!

48

леотидов цАМФ и цГМФ, инозитолфосфатов, диацилглицеро! ла, кальция).

Гормоны циркулируют в крови в свободном (активная фор! ма) и связанном (неактивная форма) состоянии с белками плазмы, форменными элементами или располагаются внутри них. Биологической активностью обладают гормоны в свобод! ном состоянии. Содержание их в крови зависит от скорости продукции, степени связывания, скорости метаболизма в тка! нях (связывания со специфическими рецепторами, разруше! ния или инактивации в клетках!мишенях или гепатоцитах, уда! ления с мочой или с желчью).

Действие гормона на клетку!мишень обусловлено его вза! имодействием со специфическим белком!рецептором. Гормон является лигандом для рецептора. После их взаимодействия происходит усиление (амплификация) сигнала в геометриче! ской прогрессии (число вторичных посредников в десятки, сот! ни, тысячи раз больше числа молекул гормона). Активация ре! цептора всегда включает механизм обратной связи, которая отключает рецептор или удаляет его с поверхности клеток (де! сенситизация/адаптация). Действие гормона на клетку часто дополняется влиянием других гормонов, медиаторов, метабо! литов. При этом в клетках!мишенях может происходить инте! грация сигналов от двух и более рецепторов по типу усиления или торможения.

Рецепторы к гормонам могут локализоваться на мембране клетки (мембранные рецепторы) или внутри нее (внутрикле! точные). Среди мембранных рецепторов различают три се! мейства. Первое – это 7!ТМС!рецепторы, которые посред! ством G!белков включают систему вторичных посредников; второе – 1!ТМС!рецепторы, которые обладают свойствами ферментов и включают каскад ферментативных реакций; третье – лигандзависимые ионные каналы, которые меняют проницаемость мембраны для ионов и вызывают изменение электрического заряда. Через эти рецепторы действуют гор! моны белково!пептидной природы и производные аминокис! лот. Среди внутриклеточных рецепторов выделяют цитоплаз! матические и ядерные. Через них действуют стероидные и ти! реоидные (йодсодержащие) гормоны.

Физиологические эффекты гормонов зависят в значитель! ной мере от их содержания в крови, количества и качества ре! цепторов и пострецепторных структур в клетках!мишенях.

49

3.2. Физиологическая роль эндокринной системы

В организме имеется две основные регуляторные системы – эндокринная и нервная. Роль эндокринной системы заключа! ется в следующем.

1.Регуляция всех видов обмена веществ и поддержа1 ния гомеостаза. Гормоны регулируют обмен органических и неорганических веществ, процессы восстановления изменен! ного равновесия внутренней среды. Например, при гипоглике! мии (снижении уровня глюкозы в крови) из мозгового вещест! ва надпочечников выделяется гормон адреналин, который включает в клетках печени гликогенолиз (превращение глико! гена в глюкозу), и в результате выхода глюкозы в кровь ее уро! вень нормализуется.

2.Обеспечение физиологической адаптации организ1 ма. Гормоны приспосабливают организм к изменяющимся условиям внутренней или внешней среды.

3.Обеспечение полноценного физического, умственно1 го и полового развития. Например, в условиях гипофункции щитовидной железы у детей существует угроза развития кре! тинизма (физического, полового и умственного недоразвития

человека).

Методы оценки состояния функций эндокринной системы у человека подразделяются на:

1)клинические методы, основанные на регистрации внешних признаков нарушения функций эндокринных желез, в том числе и их размеров. Например, объективными признака! ми нарушения функции ацидофильных клеток гипофиза в дет! ском возрасте являются карликовость (рост меньше 120 см) при недостаточном выделении гормона роста или гигантизм (рост больше 2 м) при его избыточном выделении;

2)биохимические и инструментальные методы иссле! дования, базирующиеся на определении уровня самих гормо! нов и их метаболитов в крови, ликворе и моче, скорости их сек! реции, регулируемых ими параметров, исследовании гормо! нальных рецепторов и отдельных эффектов в тканях!мишенях,

атакже размеров железы и ее активности. При проведении биохимических исследований используются традиционные и новейшие химические, хроматографические, радиорецептор! ные и радиоиммунологические методики, а также тестирова! ние на животных или на препаратах клеток в условиях in vitro.

50