MED24INfO

А.              Химический состав плазмолеммы

1. Липиды: фосфолипиды, сфинголипиды, холестерин,

а.              Фосфолипиды. Молекула фосфолипида состоит из полярной (гидрофильной) части (головка) и аполярного (гидрофобного) двойного углеводородного хвоста. В водной фазе молекулы фосфолипидов автоматически агрегируют хвост к хвосту, формируя каркас биологической мембраны (рис. 2-1) в виде двойного слоя (бислой). Таким образом, в мембране хвосты фосфолипидов направлены внутрь бислоя, а головки

Рис. 2-1. Компоненты плазматической мембраны. А — холестерин; В — олигосахарид в составе гликопротеина на наружной поверхности; ChD- интегральные белки; E — молекулы фосфолипидов; F — хвосты жирных кислот в составе фосфолипидов; G — полярные головки фосфолипидов; H — периферический белок [из Poulsen DF, 1993]


обращены кнаружи. В ЭМ мембрана выглядит как трёхслойная структура. Гидрофильные наружный и внутренний слои электроноплотные (тёмные), а гидрофобный средний слой светлый Это объясняется тем, что тетраоксид осмия, используемый для контрастирования, связывается с гидрофильными головками фосфолипидного бислоя, а также с встроенными в мембрану белками.

1. Проницаемость мембраны. Гидрофобный характер сердцевины бислоя определяет возможность (или невозможность) непосредственного проникновения через мембрану различных с физико-химической точки зрения веществ.

(а)              Неполярные вещества (например, холестерин и его производные) свободно проникают через биологические мембраны. По этой причине эндоцитоз (см. I В 3) и экзоцитоз (см. I В 4) полярных соединений (например, пептидных гормонов) происходят при помощи мембранных пузырьков, а секреция стероидных гормонов — без участия таких пузырьков. По этой же причине рецепторы неполярных молекул (например, стероидных гормонов) расположены внутри клетки.
(б)              Полярные вещества (например, белки и ионы) не могут проникать через биологические мембраны. Именно поэтому рецепторы полярных молекул (например, пептидных гормонов) встроены в плазматическую мембрану, а передачу сигнала к другим клеточным комнартментам осуществляют вторые посредники. По этой же причине трансмембранный перенос полярных соединений осуществляют специальные системы, встроенные в биологические мембраны \см. I В I б (I)].

2. Арахидоновая кислота. Из мембранных фосфолипидов освобождается арахи- доновая кислота — предшественник простагландинов, тромбоксанов, лейкотрие- нов и ряда других биологически активных веществ с множеством функций (медиаторы воспаления, вазоактивные факторы, вторые посредники и др.).
3. Липосомы — искусственно приготовленные из фосфолипидов мембранные пузырьки диаметром от 25 нм до I мкм. Липосомы используют как модели биологических мембран, а также для введения внутрь клетки различных веществ (например, генов, лекарственных препаратов); последнее обстоятельство основано на том, что мембранные структуры (в т.н. и липосомы) легко сливаются (за счёт фосфолипидного бислоя).

б.              Сфинголипиды — липиды, содержащие основание с длинной цепью (сфингозин или сходную с ним группу); сфинголипиды в значительном количестве находятся в миелиновых оболочках нервных волокон, слоёв модифицированной плазмолеммы шванновских клеток и олигодендроглиоцитов ЦНС.
Сфинголипидозы — различные болезни, характеризующиеся аномальным метаболизмом сфинголипидов.
Церебральный сфинголипидоз — общее наименование группы наследственных заболеваний, характеризующихся мышечным гипертонусом, прогрессирующим спастическим параличом, потерей зрения (обычно с центральной дегенерацией сетчатки и атрофией зрительного нерва), судорогами и умственными дефектами; сочетается с аномальным отложением сфингомиелина и родственных липидов.
в.              Холестерин (рис. 9-21). Этот стероид имеет чрезвычайно важное значение не только как компонент биологических мембран.

1. Стероидные гормоны. На основе холестерина происходит синтез стероидных гормонов — половых, глюкокортикоидов, минералокортикоидов.

2. Липопротеины. Холестерин циркулирует во внутренней среде организма в составе липопротеинов. Транспорт холестерина осуществляют липопротеины низкой плотности (ЛНП), очень низкой плотности (ЛОНП) и липопротеины высокой плотности (ЛВП). Вероятность атеросклеротического поражения сосудов (в т.ч. ишемическая болезнь сердца — ИБС) прямо пропорциональна уровню общего холестерина сыворотки крови. Чем выраженнее гиперхолестеринемия (точнее, отношение содержания холестерина в ЛНП к содержанию холестерина в ЛВП), тем выше риск развития ИБС.

(а)              При отношении ЛНП к ЛВП более 5:1 риск развития ИБС очень высок.
(б)              Высокий уровень ЛВП предотвращает развитие ИБС. Считают, что ЛВП способствуют удалению холестерина из коронарных сосудов.

2. Белки составляют более 50% массы мембран. Большинство мембранных белков имеет глобулярную структуру.

а.              Интегральные мембранные белки прочно встроены в липидный бислой. Их гидрофильные аминокислоты взаимодействуют с фосфатными группами фосфолипидов, а гидрофобные — с цепями жирных кислот. Примеры интегральных мембранных белков — белки ионных каналов и рецепторные белки (мембранные рецепторы). Молекула белка, проходящая через всю толщу мембраны и выступающая из неё как на наружной, так и на внутренней поверхности, — трансмембранный белок.
б.              Периферические мембранные белки (фибриллярные и глобулярные) находятся на одной из поверхностей клеточной мембраны (наружной или внутренней) и нековалентно связаны с интегральными мембранными белками.

1. Наружная поверхность. Примерами периферических мембранных белков, связанных с наружной поверхностью мембраны, могут служить рецепторные \см. I В 2 (2) (а)] и адгезионные белки (см. главу 4 III А 2).
2. Внутренняя поверхность. Примеры периферических мембранных белков, связанных с внутренней поверхностью мембраны, — белки цитоскелета (например, спек- трины, анкирин), белки системы вторых посредников [см. I В 2 (3)].

3. Углеводы (преимущественно олигосахариды) входят в состав гликопротеинов и гликолипидов мембраны, составляя 2-10% её массы. С углеводами клеточной поверхности взаимодействуют лектины. Цепи олигосахаридов выступают на наружной поверхности мембран клетки и формируют поверхностную оболочку — гликокаликс (см. I Б 4).

Б. Организация плазматической мембраны

1. Общепринята жидкостно-мозаичная модель.
2. Для интегральных белков характерна латеральная подвижность, они могут перераспределяться в мембранах в результате взаимодействия с периферическими белками, элементами цитоскелета, молекулами в мембране соседней клетки и компонентами внеклеточного матрикса.
3. Скопление интегральных белков в одном участке мембраны — кэппинг.
4. Гликокаликс

а.              Толщина » 50 нм.
б.              Состав. Гликокаликс состоит из олигосахаридов, ковалентно связанных с гликопротеинами и гликолипидами плазмолеммы.
в.              Функции

1. Межклеточное узнавание (см. главу 4 III).
2. Межклеточные взаимодействия (см. I В 2).
3. Пристеночное пищеварение. Гликокаликс, покрывающий микроворсинки каёмчатых клеток эпителия кишечника, содержит пептидазы и гликозидазы, завершающие расщепление белков и углеводов.

В.              Функции плазматической мембраны. Избирательная проницаемость (I), межклеточные взаимодействия (2), эндоцитоз (3), экзоцитоз (4).

1. Избирательная проницаемость поддерживает клеточный гомеостаз, оптимальное содержание в клетке ионов, воды, ферментов и субстратов. Пути реализации: пассивный транспорт, облегчённая диффузия, активный транспорт.

а.              Пассивный транспорт — движение небольших неполярных (например, O2, N2) и небольших полярных (например, H2O, CO2) молекул в обоих направлениях по градиенту концентрации или электрохимическому градиенту и без затрат энергии; характеризуется низкой специфичностью.
Диффузия газов при дыхании. Транспорт O2, CO2, N2 и других газов по градиенту их концентрации происходит при дыхании. Определяющий фактор — парциальное давление газов (например, р02 и рС02).
(а)              Внешнее дыхание — двусторонняя диффузия газов между полостью альвеол лёгких и просветом кровеносных капилляров межальвеолярных перегородок (аэрогематический барьер; см. главу 13 Г 3 г).
(б)              Тканевое дыхание — двусторонняя диффузия газов между просветом кровеносных капилляров и клетками внутренних органов (термин тканевое дыхание имеет и более широкое значение — утилизация O2 в метаболизме клеток).
б.              Облегчённая диффузия веществ с участием компонентов мембраны (каналы и/или белки-переносчики), чаще всего в одном направлении (в клетку), происходит по градиенту концентрации и без непосредственных затрат энергии; проявляет специфичность по отношению к транспортируемым молекулам. В ряде случаев одновременно осуществляется сочетанный или обменный транспорт ионов, чаще Na+. Существуют многочисленные белки-переносчики (транспортёры, ионофоры) и ионные каналы.

1. Белки-переносчики

(а)              Глюкоза

1. Переносчики глюкозы — интегральные гликопротеины. Инсулин увеличивает захват глюкозы клетками, вызывая быстрое перемещение этих гликопротеинов из цитоплазмы клетки в плазмолемму. Известно не менее 6 кодируемых генами GLUT трансмембранных переносчиков глюкозы из внеклеточной среды.

1. Нервная ткань и GLUT3. Органы и клетки, имеющие значительную потребность в глюкозе (в первую очередь мозг), содержат переносчик GLUT3.
2. Сперматиды и GLUT5. Экспрессия гена GLUT5 — маркёр созревания сперматозоидов.

[IIIj Всасывание в кишечнике. QLUT5 содержится в щёточной каёмке энтеро- цитов тонкой кишки (также переносчик фруктозы). GLUT2 базолатеральной части энтероцитов реализует выход сахаров из клеток.
[IV] Иисулин-независимый сахарный диабет. Точечная мутация гена GLUT2 (замена валина на изолейцин в позиции 197) — одна из причин развития диабета II типа.

2. Сочетанный транспорт глюкозы и Na+ в тонкой кишке и канальцах почки обеспечивают мембранные гликопротеины, кодируемые генами SGLT. Это главный механизм почечной реабсорбции глюкозы, происходящей в начальном отделе проксимальных извитых канальцев нефрона.

Глюкозурия. Известно несколько мутаций гена SGLT2, приводящих к потере глюкозы в почках (до 60 г в сутки).
(б)              Аминокислоты. Всасывание аминокислот в кишечнике, их реабсорбция в канальцах нефрона, а также поглощение аминокислот-нейромедиаторов ней-
ронами и глиоцитами мозга реализуются при помощи переносчиков, кодируемых генами SLCl и SLСЗ. Идентифицировано не менее десятка переносчиков, специфичных по отношению к р-, двухосновным, нейтральным и отдельным аминокислотам.

1. Дистинурия. Несколько мутаций гена SLC3A1 приводит к избыточной секреции цистина (при некоторых формах также лизина, аргинина и орнитина) и к образованию почечных конкрементов.
2. Глутамат и аспартат (аминокислоты-нейромедиаторы), накапливаясь в межклеточном пространстве ЦНС, могут оказывать цитотоксическое действие. Кодируемый геном SLC1A2 белок-переносчик транспортирует эти аминокислоты в цитоплазму нейронов и глиоцитов.

(в)              Анионообменники — регуляторы внутриклеточного pH — осуществляют обмен Cl" на бикарбонат. Среди переносчиков этой группы хорошо изучены функции гликопротеина — полоса 3 мембраны эритроцитов.
Полоса 3 мембраны эритроцитов — многофункциональный транспортный белок глюкозы, анионов и воды.

1. Респираторный обмен CO2. Анионообменник обеспечивает эффективный обмен Cl' на HCO3*: поступление бикарбоната в эритроциты в обмен на СГ в капиллярах разных органов, обратный процесс — в капиллярах лёгкого (см. Хамбургера закон и Хамбургера феномен).
2. Ar старения клеток. При деградации полосы 3 мембраны эритроцитов образуется т.н. Ar старения клеток — метка, распознаваемая иммунной системой. Эритроциты, несущие эту метку (повреждённые, заканчивающие жизненный цикл, инфицированные плазмодиями малярии), распознаются макрофагами селезёнки и печени и фагоцитируются ими.

(г)              Фосфаты. Система сочетанного транспорта фосфатов и Na+ в почке важна для гомеостаза фосфатов в организме.

1. Реабсорбция фосфатов происходит в проксимальных извитых канальцах нефрона при помощи двух кодируемых генами NPT2 переносчиков.
2. Почечные потери фосфатов при ряде наследуемых болезней (гипофосфатемия, К; гипофосфатемический рахит, 5?, р; гипофосфатемический рахит с гипокальций- урией, гипофосфатемическая болезнь костей), вероятно, обусловлены дефектами генов NPT2.

(д)              Обмен Na+ на H+. Гены SLC9A кодируют белки плазмолеммы NHE (от Na, Н, Exchanger [обменник]), осуществляющие обмен внеклеточного Na+ на внутриклеточный Я+. Мембранные белки NHE — регуляторы внутриклеточного pH.

1. Диуретик амилорид ингибирует NHEl, NHE2 и NHE4 и не оказывает действия на NHE3 и NHE5.

(ii ) NHEl (ген SLC9A1) экспрессируется практически во всех клетках, а в клетках эпителия — в базолатеральных отделах плазмолеммы (в т.ч. в канальцах почки). Амилорид ингибирует, а факторы роста, митогены, нейромедиаторы — активируют деятельность этого обменника. Дефекты гена SLC9A1, скорее всего, приводят к артериальной гипертензии (эссенциальная гипертоническая болезнь).

3. NHE2 экспрессируется в канальцах почки и эпителии слизистой оболочки ЖКТ.
4. NHE3 апикальной мембраны эпителиальных клеток кишечника и канальцев почки важен для трансэпителиального переноса Na+. В отличие от базолатерально расположенного NHE2, NHE3 нечувствителен к амилориду.
5. NHE4 локализован преимущественно в эпителии слизистой оболочки желудка, (vi) NHE5 функционирует как регулятор pH и объёма клеток в ЦНС.

(е)              Разные переносчики

1. Таурин (см. главу 18).
2. Креатин. Кардиомиоциты и скелетные мышечные волокна не синтезируют креатин, необходимый для энергетического обеспечения их функции (цикл кре- атин-фосфокреатин). Ингибирование переносчика креатина ведёт к развитию мышечной слабости. Дефекты кодирующего переносчик гена SLC6A8 — причина одной из форм кардиомиопатии (синдрома Барта).
3. Фолаты. Этот переносчик обнаружен в плаценте и печени.
4. Лактат и пируват транспортируются в обоих направлениях через плазмо- лемму эритроцитов, гепатоцитов, эпителия кишечника и почки, клеток мышечных тканей.
5. Норадреналин. Выделившиеся в синаптическую щель нейромедиаторы частично транспортируются обратно в пресинаптические терминали. Трицикли- ческие антидепрессанты (например, дезипрамин, имипрамин), а также кокаин и амфетамины взаимодействуют с синаптическими транспортными системами биогенных аминов. Мутации генов, кодирующих переносчики норадреналина и серотонина, могут привести к развитию психической патологии (например, маниакально-депрессивного психоза).

2. Ионные каналы состоят из нескольких связанных между собой белковых субъединиц (CE), формирующих в мембране небольшую пору. Через пору по электрохимическому градиенту проходят ионы. Наиболее распространённые каналы — для Na+, K+, Ca2+, СГ.

(а)              Натриевые каналы. В возбудимых структурах (например, скелетные мышечные волокна, кардиомиоциты, нейроны) натриевые каналы генерируют потенциал действия, точнее, начальный этап деполяризации мембраны. Натриевые каналы присутствуют практически в любой клетке, не обязательно генерирующей потенциалы действия. Потенциаловозбудимые натриевые каналы — гетеродимеры; в их состав входят большая а-субъединица с Mr около 260 кД и несколько р-субъединиц (Mr 33-38 кД). Свойства канала определяет трансмембранная а-СЕ (известно минимально 6 органоспецифических изоформ).

1. Антагонисты натриевых каналов (блокирующие функцию каналов агенты). [I] Местные анестетики (например, лидокаин)

2. Противосудорожные препараты (например, карбамазепин)
3. Токсины (например, тетродотоксин, сакситоксин, батрахотоксин)
4. Антиаритмические препараты класса IA (например, хинидин)

2. Амилорид. Мочегонные свойства амилорида объясняют закрытием натриевых каналов канальцев почки. Диуретик амилорид и его аналоги — блокаторы этих каналов.

1. Амилорид-связывающий белок (диамин оксидаза, КФ 1.4.3.6) и рецептор амилорида в составе канала имеют примерно одинаковое сродство к своим лигандам.
2. Амилорид-чувствительные Na+-KaHaAH, помимо канальцев почки, присутствуют в эпителии воздухоносных путей.

3. Генные дефекты а-субъединицы (мутации гена SCN4A) — причина ряда заболеваний с эпизодически возникающей мышечной адинамией.

1. Гиперкалиемический периодический паралич типа II.
2. Миотония врождённая.

[Ш[ Парамиотония врождённая.

4. Удлинённого интервала QT синдром (III типа) — мутация гена SCN5A, кодирующего а-СЕ натриевого канала кардиомиоцитов.
5. Синдром Лйддла — дефект гена SCNEB, кодирующего р-СЕ потенциалозависимого натриевого канала в собирательных трубочках почки.

(б)              Калиевые каналы — интегральные мембранные белки, обнаружены в плаз- молемме всех клеток; их функции: поддержание мембранного потенциала, регуляция объёма клетки, модуляция электрической возбудимости нервных и мышечных структур.

1. Классификация. Гены калиевых каналов впервые детально изучены у Drosophila. Так, гены семейства Shaker[*] (Sh, подсемейства Shaker, Shaw, Shab, ShaO кодируют потенциалзависимые каналы, ген slowpoke — Са2+-зави- симый канал. Выделено также подсемейство J, гены которого кодируют потен- циалнезависимые входящие выпрямляющие калиевые каналы.

1. Потенциалзависимые калиевые каналы человека (общее наименование — KCN) относят к подсемействам Shaker (не менее 8 генов KCNA) и Shaw (не менее 4 генов KCNQ.
2. Потенциалнезависимые (в т.ч. активируемые Ca2t и выпрямляющие) калиевые каналы. В настоящее время идентифицирован единственный активируемый Са2*-канал, кодируемый геном SLO. Выпрямляющие калиевые каналы (не менее 4 генов KCNJ) контролируют мембранный потенциал покоя и возбудимость мембраны нейронов и кардиомиоцитов.
3. Управляемые рецепторами и лигандами (например, ацетилхолин, АТФ).

2. KCNAl

1. Секреция инсулина. Этот калиевый канал регулирует в р-клетках островков Лангерханса секрецию инсулина в ответ на повышение содержания глюкозы в крови, а также на гипогликемические препараты сульфонилмочевины.
2. Препараты сульфонилмочевины, принимаемые per os, широко используют для снятия гипергликемии при инсулин-независимом сахарном диабете (сахарный диабет типа II). Лекарственные препараты этого типа блокируют калиевые каналы в плазмолемме р-клеток островков поджелудочной железы, взаимодействуя с белком SUR (Mr от 140 до 170 кД, рецептор сульфонилмочевины, CE К+[АТФ-зависимого]-ионного канала).
3. Незидиобластоз, для которого характерна упорная гиперинсулинемичес- кая гипогликемия, скорее всего, развивается при дефекте гена SUR, кодирующего рецептор сульфонилмочевины.
4. Атаксия эпизодическая (тип I, известно не менее 5 мутантных аллелей) развивается при дефектах гена KCNA1.

3. Лимфоциты экспрессируют минимально 3 подтипа KCNA3 (п, п', I). п-Под- тип важен для активации и пролиферации Т-лимфоцитов.
4. KCNA4. Этот калиевый канал функционирует в скелетных мышцах плода.
5. KCNA8 и KCNC1. Дефекты генов KCNA8 и KCNCl рассматривают как одну из причин развития фибрилляции желудочков сердца в сочетании с удлинённым интервалом QT типа I.
6. Удлинённого интервала QTсиндром. Удлинённый интервал QT, фиксируемый на ЭКГ, — фактор риска внезапной коронарной смерти. Удлинённый интервал QT может быть приобретённым (при выраженной гипокалиемии; и врождённым (III типа).

(в)              Са2+-каналы плазмолеммы (каналы депо кальция см. Ill А 3 б). Кроме потенциалзависимых, существуют также управляемые рецепторами (например, адренергическими) кальциевые каналы.

1. Состав. Са2+-каналы — сложные белковые комплексы, состоящие из нескольких CE (а,, а2, р, у, 5).
2. Изоформы CE а, (4 изоформы) и P (2 изоформы) — определяют разнобра- зие каналов и их свойства. Так, в состав каналов скелетных мышечных волокон, кардиомиоцитов, нейронов, эндокринных клеток входят разные Ot1-CE.

(Hi) Функции: сокращение, секреция (в т.ч. гормонов и нейромедиаторов) и множество иных клеточных процессов.

4. Активация: деполяризация клеточной мембраны, взаимодействие лигандов с рецепторами.
5. Классификация

1. Типы кальциевого тока. Фармакологические и кинетические характеристики позволили выделить кальциевые каналы типов L (от long lasting — медленные), T (от transient — быстрые), N (от neuronal — нейронные), P (от Purkinje).
2. L-тип. 1,4-Дигидропиридины (например, нифедипин), а также другие блокаторы кальциевых каналов (например, фенилалкиламины) угнетают кальциевый ток (например, в содержащих Ot1-CE кальциевых каналах скелетных мышц, миокарда, эндокринных клеток/нейронов).
3. P-тип. Дигидропиридины не блокируют активность каналов (например, в содержащей Ct1-CE кальциевых каналах нервных клеток).

6. Номенклатура. Имя гена и кодируемого полипептида включает тип канала (CACN — calcium channel [кальциевый канал]), тип и подтип кальциевого тока (L, Т, N, Р), тип CE (а, — Al, а2 — А2, р — В, у — G, 6 — D), изоформу CE (I, 2 и т.д.). Например, аббревиатура CACNL1A2 характеризует скелетномышечный (изоформа 2 Ct1-CE) потенциалозависимый кальциевый канал, блокируемый дигидропиридинами.
7. CACNL1A3. Этот главный тип скелетномышечного медленного кальциевого канала состоит из двух больших (Ot1 и а2) и трёх меньшего размера (р, у, 5) CE. CE Ct1 ответственна за основные свойства канала и содержит участок связывания кальциевых блокаторов. CACNL1A3 (как и CACNL2A) играет ключевую роль в передаче возбуждения с плазмолеммы Т-трубочек (потенциал действия) на внутриклеточные депо кальция (саркоплазматическая сеть). Известно несколько мутаций CACNL1A3, ведущих к эпизодам мышечной слабости.

(г)              Хлорные каналы. Плазмолемма скелетных мышечных волокон имеет высокую СГ-проводимость, определяемую преимущественно хлорным каналом CLC-1. CLC-I регулирует электрическую возбудимость плазмолеммы. Уменьшение СГ-про- водимости ведёт к электрической нестабильности мембраны мышечных волокон и развитию миотонии.
Врождённая миотония (болезнь Томсена). Эту болезнь впервые описал в 1876 г. страдавший от неё датский врач Юлиус Томсен.
(д)              Водные каналы (аквапорины) — семейство мембранных пор для воды.

1. Аквапорин I (ген AQPI, 107776, 7р14) экспрессируется в ряде органов.

[I] Эритроциты. Аквапорин I появляется в эритроцитах после рождения практически одномоментно с формированием способности почки концентрировать мочу. Вероятно, аквапорин способствует регидратации эритроцитов, обезвоженных в гипертонической среде капилляров мозговой части почки.

2. Почка. Экспрессия аквапорина I происходит в почке (проксимальные извитые канальцы и тонкий отдел петли Хёнле) плода, начиная с II триместра беременности. Полной экспрессии этот водный канал достигает после рождения, что связывают со способностью почки концентрировать мочу.
3. Глаз. Аквапорин I в тканях глаза обеспечивает гомеостаз внутриглазной жидкости.

2. Аквапорин 2 (ген AQP2, 107777, 12ql3) экспрессируется только в собирательных трубочках почки. Активность этого канала регулирует антидиурети- ческий гормон (АДГ), увеличивая реабсорбцию воды из просвета трубочек в межклеточное пространство.

Нефрогенный несахарный диабет (тип II, 107777, 12ql3, р) — следствие мутации гена аквапорина 2.

3. Аквапорин 3 (ген AQP3, 600170, 7q36.2-q36.3) — водный канал базолатеральных мембран собирательных трубочек почки. Экспрессия аквапорина 3 найдена также в печени, поджелудочной железе, кишечнике, селезёнке, простате.
4. Аквапорин 4 экспрессируется в клетках эпендимной выстилки сосудистого сплетения желудочков и водопровода мозга, в синтезирующих вазопрессин нейросекреторных нейронах гипоталамуса. Этот канал расценивают как осморецептор.
5. Аквапорин 5 принимает участие в формировании слёзной жидкости, слюны, секретов желёз воздухоносных путей.

(е)              Управление ионными каналами. Термин воротные ионные каналы подразумевает идею управления ионными каналами (аналогия с открытыми и закрытыми воротами). В целом различают ионные каналы потенциалзависимые, механочувствительные, рецептор-зависимые, Са2+-зависимые, G-белок-зависимые.

1. Потенциалзависимые ионные каналы открываются при изменении мембранного потенциала.
2. Механочувствительные. Открываются при деформации мембраны (например, волосковые клетки внутреннего уха или чувствительная нервная терми- наль механорецепторов — телец Пачйни).
3. Рецептор-зависимые. Открываются или закрываются при участии нейромедиаторов, биогенных аминов, АТФ, циклических нуклеотидов. Например, в клетках обонятельной выстилки внутриклеточный цАМФ связывается с цитоплазматическим участком каналообразующего белка.
4. G-белок-зависимый К+-канал присутствует в кардиомиоцитах и открывается при взаимодействии ацетилхолина с его рецептором в составе комплекса «G-белок + мускариновый холинорецептор».
5. Са2+-зависимые ионные каналы регистрируют внутриклеточную концентрацию Ca2+.

в.              Активный транспорт — энергозависимый трансмембранный перенос против электрохимического градиента, происходящий при участии АТФаз. Наиболее известны Na+,K+-, H+,K+- и Са2+-АТФазы.

1. Натрий, калиевая АТФаза

(а)              Функции. Na+,К+-насос выкачивает Na+ из клетки в обмен на K+(трансмембранный градиент Na+ и K+). Насос регулирует потоки воды, поддерживая постоянный объём клетки, обеспечивает №+-связанный транспорт множества органических и неорганических молекул, участвует в создании мембранного потенциала и генерации потенциалов действия нервных и мышечных элементов.
(б)              Состав. Na+,K+-Hacoc — интегральный мембранный белок, состоящий из 2 CE (каталитическая субъединица а и гликопротеин р).
(в)              Изоформы

1. Каталитическая субъединица. Известно 2 изоформы (а и а+) и 4 гена (ад, ав, ас, а0) каталитической CE. Почка содержит преимущественно форму a, a ЦНС, жировая ткань, скелетные мышцы — обе формы каталитической CE.
2. р-Субъединица имеет две формы, P2-CE экспрессируется преимущественно в ЦНС.

Молекула адгезии глиальных клеток (ген AMOG) — интегральный мембранный гликопротеин с Mr 45-50 кД. При формировании мозжечка экспрессируется глиоцитами и направляет миграцию зернистых клеток. He исключено, что этот гликопротеин идентичен P2-CE №+,К*-АТФазы.
(г)              Связывание катионов. Участки связывания Na+ расположены на цитоплазматической поверхности а-СЕ, a K+ — на наружной её поверхности.
(д)              Кинетика. При гидролизе одной молекулы АТФ 3 иона Na+ выкачиваются из клетки и 2 иона K+ закачиваются в неё.
(е)              Блокатор. Ыа+,К+-АТФазу блокирует гликозид уабаин, специфически взаимодействующий с участком связывания K+.
(ж)              Уабаин — стероид, получаемый из древесины Acocanthera ouabaio или из семян Strophanthus gratus, действие идентично действию гликозидов наперстянки. Применяют для быстрой дигитализации.

2. Протонная и калиевая АТФаза. При помощи этого фермента париетальные клетки желёз слизистой оболочки желудка участвуют в образовании соляной кислоты (электронейтральный обмен внеклеточного K+ на внутриклеточный H+). Н+,К+-АТФаза — гетеродимер (высокомолекулярная а-СЕ + меньшей мол. массы и сильно гликозилированная |5-СЕ). р-СЕ — главный Ar, к которому при некоторых заболеваниях (например, пернициозная анемия, атрофический гастрит) в крови циркулируют AT.
3. Са2+-транспортирующие АТФазы (Са2+-АТФазы) выкачивают ионы кальция из цитоплазмы против значительного концентрационного градиента.

(а)              Са2+-АТФазы плаЗмолеммы переносят ионы кальция из цитоплазмы во внеклеточное пространство. Существует минимально 4 изоформы этих АТФаз.
(б)              Са2+-АТФазы саркоплазматического ретикулума. Как и Са2+-АТФазы плазмолеммы, Са2+-транспортирующие АТФазы саркоплазматического ретикулума откачивают ионы кальция из цитоплазмы, но не во внеклеточное пространство, а во внутриклеточные депо кальция (как правило, в замкнутые межмембранные объёмы гладкой эндоплазматической сети, именуемой в скелетных мышечных волокнах и кардиомиоцитах саркоплазматической сетью). Гистологические элементы мышечной ткани (быстрые мышечные волокна и медленные мышечные волокна + кардиомиоциты) имеют соответственно две такие Са2+-транспортирующие АТФазы.
Миопатия Броди — недостаточность Са2+-АТФазы саркоплазматического ретикулума, проявляющаяся симптомами мышечной усталости при физической нагрузке.

2. Межклеточные взаимодействия. Клетка, воспринимая и трансформируя различные сигналы, реагирует на изменения окружающей её среды. Плазматическая мембрана — место приложения физических (например, кванты света в фоторецепторах), химических (например, вкусовые и обонятельные молекулы, pH), механических (например, давление или растяжение в механорецепторах) раздражителей внешней среды и сигналов информационного характера (например, гормоны, нейромедиаторы) из внутренней среды организма. При участии плазмолеммы происходят узнавание и агрегация (например, межклеточные контакты) как соседних клеток, так и клеток с компонентами внеклеточного матрикса (например, адгезионные контакты, адресная миграция клеток и направленный рост аксонов в нейроонтогенезе). Совокупность этих процессов — межклеточные взаимодействия. Все виды информационных межклеточных взаимодействий реализуются в рамках концепции сигнал-ответ, основы которой предложил Пауль Эрлих.

Концепция сигнал-ответ. Всё многообразие информационных межклеточных взаимодействий укладывается в схему, предусматривающую следующую последовательность событий: сигнал рецептор —gt; второй посредник —» ответ.

1. Сигнал. Передачу сигналов от клетки к клетке осуществляют сигнальные молекулы (первый посредник), вырабатываемые в одних клетках и специфически воздействующие на другие клетки — клетки-мишени. Специфичность воздействия определяют присутствующие в клетках-мишенях рецепторы, связывающие только собственные лиганды.

(а)              Гидрофильные молекулы (например, нейромедиаторы, цитокины, пептидные гормоны, Ar) связываются с рецепторами плазмолеммы (мембранные рецепторы).
(б)              Жирорастворимые молекулы (например, стероидные гормоны) проникают через плазмолемму и связываются с ядерными рецепторами.

2. Рецепторы регистрируют поступающий к клетке сигнал и передают его вторым посредникам (G-белки, циклические нуклеотиды, ионы Ca2+, инозитолтрифосфат и др.).

(а)              Мембранные рецепторы — гликопротеины. Они контролируют проницаемость плазмолеммы путём изменения конформации белков ионных каналов (например, н-холинорецептор), регулируют поступление молекул в клетку (например, холестерина при помощи рецепторов ЛНП), связывают молекулы внеклеточного матрикса с элементами цитоскелета (например, интегринов, участвующих в образовании межклеточных контактов и контактов клеток с внеклеточным матриксом), регистрируют присутствие информационных сигналов (например, нейромедиаторов, квантов света, обонятельных молекул, Ar, цитокинов, гормонов пептидной природы). Мембранные рецепторы подразделяют на каталитические, связанные с ионными каналами и оперирующие через G-белок.

1. Каталитические рецепторы — трансмембранные белки, наружная часть которых содержит связывающий лиганд участок, а цитоплазматическая часть функционирует как протеинкиназа (тирозин киназа). Рецепторные тирозин киназы активируют Ras G-белок. Далее сигнал через активирующие ГТФазу белки передаётся на Ras-каскад. Так организованы, например, рецепторы инсулина, факторов роста. Эти рецепторы кодируются онкогенами.
2. Лиганд-зависимые каналы подразделяют на две группы.

1. Рецептор perse — канал (например, н-холинорецепторы, рецепторы глицина, у- аминомасляной и глутаминовой кислот).

[И] Рецептор влияет на проницаемость ионных каналов через вторые посредники (например, адренорецепторы, м-холинорецепторы, рецепторы серотонина, дофамина).

3. Рецепторы, связанные с G-белком. Система второго посредника (G-бел- ки) передаёт сигнал от рецептора к находящемуся в связи с мембраной эффектору (например, ионный канал, фермент).

(б)              Ядерные рецепторы — семейство, состоящее из белков-рецепторов стероидных гормонов (минерало- и глюкокортикоиды, эстрогены, прогестерон, тестостерон), ретиноидов, тиреоидных гормонов, витамина D3. Каждый рецептор имеет область связывания лиганда и участок, взаимодействующий со специфическими последовательностями ДНК. Другими словами, ядерные рецепторы — активируемые лигандом факторы транскрипции. Некоторые ядерные рецепторы — протоонкогены (например, трансформирующий ген ERBA кодирует рецепторы T3 и T4).

3. Вторые посредники передают сигнал на эффекторы (исполнительные молекулы), опосредующие ответ клетки на сигнал.

(а)              G-белки (связывающие гуаниновые нуклеотиды белки). Различают собственно G-белок и Ras G-белок.

1. G-белок состоит из трёх субъединиц (CE) — a, P и у (рис. 2-2), расположенных ближе к цитоплазматической поверхности мембраны. В покое CE объединены, а-СЕ связана с гуанозиндифосфатом. При активации — взаимодействии G-белка с комплексом «лиганд-рецептор» — гуанозиндифосфат отделяется от а-СЕ, а место гуанозиндифосфата занимает ГТФ. В результате G-белок активируется и диссоциирует. а-СЕ с ГТФ перемещается а: мембране и связывается с эффектором, активируя его. Затем а-СЕ катализирует переход ГТФ в гуанозиндифосфат, инактивируется и вновь объединяется с другими CE G-белка.

1. Активируемые эффекторы. Независимо, антагонистически или синергести- чески, G и комплекс G. активируют: калиевые каналы типа L . (G , G.)

a              Py              г              j              л,              Ацетилхолин              а’
и Ik дтф (Ga), фосфолипазы A2 (Gjlr) и С,_3 (Ga, Gfy), аденилатциклазы I-IV, Са2+-каналы типов LhN (Ga)1 фосфодиэстеразу цГМФ (Ga), киназу ацетилхолинового мускари- нового рецептора (G^)1 p-адренорецепторы (Gflf).

2. Лиганды связанных с G-белком мембранных рецепторов: ангиотензин II, АТФ, ацетилхолин (мускариновые рецепторы), бомбезин, брадикинин, вазопрессин, вещество P1 гистамин, глутамат, люлиберин, кванты света, нейро- медин, нейропептид Y, норадреналин, одоранты, ПТГ, серотонин, ТТГ, тромбин, тромбоксан A2, фактор агрегации тромбоцитов, холецистокинин, эндотелии.
3. Полиморфизм и регуляция. Существует несколько изоформ каждой CE; токсин коклюша инактивирует гетеротример при АДФ-рибозилировании Ga; кальмодулин и фосдуцин действуют на G?y, изменяя их активность.
4. Функциональные формы. Различают: Gs — активатор аденилатциклазы. Gi — ингибитор аденилатциклазы, Gp- активатор фосфолипазы

С,              Gt — активатор цГМФ-фосфодиэстеразы (трансдуцин). Эти формы выявле-

Рис. 2-2. Роль G-белка в активации эффекторов. I — выключенное состо