Физиология внутренней среды организма

План: 
 

1. Основные факты о строении клеточной мембраны.

2. Транспорт воды и веществ через биологические мембраны:

2.1 Характеристика пассивного транспорта:

2.1.1.Осмос;

2.1.2.Фильтрация;

2.1.3.Диффузия;

2.2 Характеристика активного транспорта:

2.2.1.Первично активный транспорт;

2.2.2.Вторичный активный транспорт; 

3.Физиология внутренней среды организма: 

3.1 Строение лимфатической системы; 

3.2 Образование лимфы;  

3.3 Состав лимфы; 

3.4 Движение лимфы; 

3.5 Функции лимфатической системы; 

3.6 Цереброспинальная жидкость. 

4. Решение ситуационных задач.

5.Список используемой литературы. 
 
 

1.Основные факты о строении клеточной мембраны. 

    К клеточным мембранам относятся  плазмолемма, кариолемма, мембраны митохондрий, ЭПС, аппарата Гольджи, лизосом, пероксисом. Общей чертой всех мембран клетки является то, что они представляют собой тонкие (6-10 нм) пласты липопротеиновой природы, (липиды в комплексе с белками). Основными химическими компонентами клеточных мембран являются липиды (40%) и белки (60%); кроме того, во многих мембранах обнаружены углеводы (5-10%). Плазматическая мембрана окружает каждую клетку,  определяет ее размер и обеспечивает  сохранение  различий  между  содержимым клетки  и  внешней  средой.  Мембрана  служит высокоизбирательным фильтром и отвечает за активный транспорт веществ,  то есть, поступление в клетку питательных веществ и вывод наружу вредных продуктов жизнедеятельности. Наконец, мембрана ответственна за восприятие внешних сигналов,  позволяет клетке реагировать на внешние изменения. Все биологические мембраны представляют собой ансамбли липидных и белковых молекул,  удерживаемых вместе с помощью нековалентных взаимодействий.

    Основу  любой молекулярной мембраны составляют  молекулы липидов, образующих бислой. К липидам относится большая группа органических веществ, обладающих плохой растворимостью в воде (гидрофобность) и хорошей растворимостью в органических растворителях и жирах (липофильность). Состав липидов в разных мембранах неодинаков. Например, плазматическая мембрана, в отличие от мембран эндоплазматической сети и митохондрий обогащена холестерином. Характерными представителями липидов, встречающихся в клеточных мембранах, являются фосфолипиды (глицерофосфатиды), сфингомиелины и из стероидных липидов – холестерин.

    Особенностью липидов является разделение их молекул на две функционально различные части: гидрофобные неполярные, не несущие зарядов («хвосты»), состоящие из жирных кислот, и гидрофильные, заряженные полярные «головки». Это определяет способность липидов самопроизвольно образовывать двухслойные (билипидные) мембранные структуры толщиной 5-7 нм.

    Первые  опыты, подтверждающие это, были проведены  в 1925 году.  Формирование  бислоя  является  особым свойством  молекул  липидов  и  реализуется даже вне  клетки. Важнейшие свойства бислоя: - способность к самосборке - текучесть - ассиметричность.

    Хотя  основные свойства биологических мембран  определяются  свойствами  липидного  бислоя, но большинство специфических  функций обеспечивается мембранными  белками. Большинство из них пронизывают бислой в виде одиночной альфа-спирали,  но есть и такие, которые пересекают его несколько раз. Многие мембранные белки состоят из двух частей – участков, богатых полярными (несущими заряд) аминокислотами: глицином, аланином, валином, лейцином. Такие белки в липидных слоях мембран располагаются так, что их неполярные концы как бы погружены в «жирную» часть мембраны, где находятся гидрофобные участки липидов. Полярная (гидрофильная) же часть этих белков взаимодействует с головками липидов и обращена в сторону водной фазы. Эти белки как бы пронизывают мембрану, их называют интегральными белками мембран. Кроме интегральных белков, существуют белки, частично встроенные в мембрану – полуинтегральные и примембранные, не встроенные в билипидный слой. По биологической роли белки мембран можно разделить на белки-ферменты, белки-переносчики, рецепторные и структурные белки. С помощью белков осуществляется транспорт через мембрану многих веществ. Многие из примембранных белков связаны нековалентными взаимодействиями с трансмембранными белками, но есть и такие, которые имеют ковалентную связь с молекулами липидов. Большинство мембранных белков, так же как и липидов, способны  свободно  перемещаться  в плоскости мембраны. Известно два вида движения белков и липидов в мембране – это так называемые латеральная диффузия и флип-флоп. Латеральная диффузия – это хаотическое тепловое перемещение молекул липидов и белков в плоскости мембраны. Флип-флоп – это диффузия молекул мембранных фосфолипидов поперек мембраны, но он происходит гораздо реже, чем латеральная диффузия. Известно, что  одна молекула липида совершает флип-флоп раз в две недели, в то время, как та же молекула диффундирует в плоскости липидного слоя  за 1 секунду на расстояние равное длине большой бактериальной клетки.

    Углеводы  мембран - это полисахаридные  и  олигосахаридные цепи,  ковалентно присоединенные к мембранным липидам  и белкам. Такие вещества называются соответственно гликолипидами и  гликопротеидами. Углеводы всегда располагаются  на той стороне мембраны,  которая не контактирует с цитозолем.  То есть, на внешних (плазматических) мембранах они присоединяются  снаружи клетки. Функция углеводов клеточной поверхности пока неизвестна,  но представляется вероятным,  что некоторые из них принимают участие в процессах межклеточного узнавания.

    Как бы ни было велико различие между мембранами по количеству и составу их липидов, белков и углеводов, мембраны обладают рядом общих свойств, определяемых их основной структурой. Все мембраны являются барьерными структурами, резко ограничивающими свободную диффузию веществ между цитоплазмой и средой, с одной стороны, и между матриксом и содержимым мембранных органелл, с другой. Особенность же специфических функциональных нагрузок каждой мембраны определяется свойствами и особенностями белковых компонентов, большая часть из которых представляет собой ферменты или ферментные системы. Большую роль в функционировании мембран играют гликолипиды и гликопротеиды надмембранного слоя.

2. Транспорт воды и веществ через биологические мембраны: 

    Так как  внутренняя  часть  липидного  слоя  гидрофобна,  он представляет собой практически непроницаемый  барьер для большинства полярных молекул.  Вследствие наличия этого  барьера, предотвращается утечка содержимого  клеток, однако из-за этого клетка была вынуждена создать специальные механизмы для транспорта растворимых в воде веществ через мембрану. Перенос малых водорастворимых  молекул  осуществляется  при помощи специальных транспортных белков. Это особые трансмембранные белки, каждый из которых отвечает  за транспорт определенных молекул или групп родственных молекул. 

    В клетках существуют также механизмы  переноса через мембрану  макромолекул  (белков) и даже крупных частиц. Процесс поглощения макромолекул клеткой называется эндоцитозом. В общих чертах механизм его протекания таков: локальные участки плазматической мембраны впячиваются и замыкаются, образуя эндоцитозный пузырек, затем поглощенная частица обычно попадает в лизосомы и подвергается деградации.

Внеклеточная  жидкость условно разделяется на два компонента: интерстициальная жидкость и циркулирующая плазма крови. Интерстициальная жидкость представляет собой часть внеклеточной жидкости, которая  расположена вне сосудистой системы и омывает клетки. Около 1/3 общей воды тела составляет внеклеточная жидкость, а остальные 2/3 – жидкость внутри клеточная.

Концентрации  электролитов и коллоидных веществ  существенно отличаются в плазме, интерстициальной и внутриклеточной  жидкостях. Наиболее выраженные различия состоят в относительно низком содержании белков-анионов в интерстициальной жидкости, в сравнении с внутриклеточной жидкостью и плазмой крови, и более высоких концентрациях натрия и хлора в интерстициальной, а калия во внутриклеточной жидкости.

Неодинаковый  состав различных жидких сред тела в значительной степени обусловлен природой разделяющих их барьеров. Клеточные мембраны отделяют внутриклеточную от внеклеточной жидкости, стенки капилляров - интерстициальную жидкость от плазмы. Перенос веществ через эти барьеры может происходить пассивно за счет диффузии. Фильтрации и осмоса, а так же посредством активного транспорта.

Пассивный перенос  веществ через клеточные мембраны не требует затраты энергии метаболизма. Активный транспорт осуществляется транспортными аденозинтрифосфатазами и происходит за счет энергии гидролиза АТФ.

2.1 характеристика пассивного транспорта

Пассивный транспорт – это перенос веществ по градиенту концентрации, без затрат энергии.

    2.1.1.Осмос – преимущественное движение молекул воды через полупроницаемые мембраны (непроницаемые для растворенного вещества и проницаемые для воды) из мест с меньшей концентрацией растворенного вещества в места с большей концентрацией. Осмос – по сути дела, простая диффузия воды из мест с ее большей концентрацией, в места с меньшей концентрацией воды. Осмос играет большую роль во многих биологических явлениях. Явление осмоса обусловливает гемолиз эритроцитов в гипотонических растворах.

    Осмотическим  давлением называется то наименьшее давление, которое необходимо приложить  к раствору для того, чтобы предотвратить перетекание растворителя через мембрану в раствор с большей концентрацией вещества.

    Молекулы  растворителя приводятся в движение силой, возникающей вследствие разности химических потенциалов. При растворении  вещества, химический потенциал растворителя уменьшается. Молекулы растворителя, перемещаясь из раствора с меньшей в раствор с большей концентрацией, движутся в термодинамическом смысле «вниз», «по градиенту».

    Объем клеток в значительной степени регулируется количеством содержащейся в них воды. Клетка никогда не находится в состоянии полного равновесия с окружающей средой. Непрерывное движение молекул и ионов через плазматическую мембрану изменяет концентрацию веществ в клетке и осмотическое давление ее содержимого. Если клетка секретирует какое-либо вещество, то для поддержания неизменной величины осмотического давления она должна, либо выделять соответствующее количество воды, либо поглощать эквивалентное количество иного вещества. Кроме того в клетке постоянно накапливаются метаболиты, что нарушает осмотическое равновесие.

    Для решения «осмотической проблемы» клетки используют два способа: они откачивают в интерстиций компоненты своего содержимого или поступающую в них воду. В большинстве случаев клетки используют первую возможность-откачку веществ, чаще ионов, используя для этого натриевый насос.

    Большую роль в регуляции водного баланса  между клеткой и окружающей средой играет эластичность плазматической мембраны, создающей гидростатическое давление, препятствующее поступлению воды в клетку. При наличии разности гидростатических давлений в двух областях среды вода может фильтроваться через поры барьера, разделяющего эти области.

       2.1.2.Фильтрацией называется движение раствора через поры в мембране под действием градиента давления. Она играет важную роль  в  процессах  переноса воды через стенки кровеносных сосудов.

 Фильтрация осуществляется через мембранные поры и зависит от разности давлений снаружи и внутри клетки и проницаемости мембраны для жидкости и низкомолекулярных веществ. Диаметр пор чрезвычайно мал, поэтому фильтруются только низкомолекулярные вещества (например, мочевина), вода и некоторые ионы. Этот процесс становится возможным, если раствор в клетке находится под давлением, которое выше осмотического. Так, например, сердце нагнетает кровь в сосуды под определенным давлением. В тончайших капиллярах это давление возрастает и становится достаточным, чтобы заставить воду и растворенные в крови вещества выйти из капилляров в межклеточное пространство. Образуется так называемая тканевая жидкость, она играет большую роль в доставке питательных веществ в клетки и удалении из них конечных продуктов обмена веществ. После выполнения своих функций тканевая жидкость в виде лимфы возвращается в кровяное русло по лимфатическим сосудам. Фильтрация играет важную роль и в функционировании почек. В капиллярах почек кровь находится под большим давлением, что вызывает фильтрацию воды и растворенных в ней веществ из кровеносных сосудов в тончайшие почечные канальцы. Затем часть воды и необходимые организму вещества снова всасываются и поступают в общий кровоток, а оставшаяся часть образует мочу и выводится из организма.

2.1.3.Диффузия. Диффузия представляет собой процесс, при помощи которого газ или растворенные вещества распространяются и заполняют весь доступный объем.Молекулы и ионы, растворенные в жидкости, находятся в хаотическом движении, сталкиваясь друг с другом, молекулами растворителя и клеточной мембраной. Столкновение молекулы или иона с мембраной может иметь двоякий исход: молекула либо «отскочит» от мембраны, либо пройдет через нее. Когда вероятность последнего события высока, то говорят, что мембрана проницаема для данного вещества.

Если концентрация вещества по обе стороны мембраны различна, возникает поток частиц, направленный из более концентрированного раствора в разбавленный. Диффузия происходит до тех пор, пока концентрация вещества по обе стороны не выравнивается.

    Через клеточную мембрану проходят как  хорошо растворимые в воде(гидрофильные)вещества, так и гидрофобные, плохо или совсем в ней не растворимые. При опытах с искусственными липидными бислоями было установлено,  что чем меньше молекула и чем меньше она образует водородных связей, тем быстрее она диффундирует через мембрану. Итак,  чем меньше молекула и чем более она жирорастворима (гидрофобна или неполярна), тем быстрее она будет проникать через мембрану. Диффузия веществ через липидный бислой вызывается градиентом концентрации в мембране. Через липидные и белковые поры сквозь мембрану проникают молекулы нерастворимых в липидах веществ и водорастворимые гидратированные ионы (окруженные молекулами воды). Малые неполярные молекулы легко растворимы и быстро  диффундируют.  Незаряженные  полярные  молекулы  при небольших размерах также растворимы и диффундируют.  Важно,  что вода  очень  быстро проникает  через липидный бислой несмотря на то,  что она относительно нерастворима в жирах.  Это происходит из-за того,  что  ее молекула  мала  и электрически нейтральна.  Вода и вещества хорошо в ней растворимые проникают через временные дефекты углеводородной области мембраны, так называемые кинки, а также через поры, постоянно существующие гидрофильные участки мембраны.

    В случае, когда клеточная мембрана непроницаема или плохо проницаема для растворенного вещества, но проницаема для воды, она подвергается действию осмотических сил. При низкой концентрации вещества в клетке, чем в окружающей среде, клетка сжимается; если концентрация растворенного вещества в клетке выше, вода устремляется внутрь клетки.

Диффузия  ионов происходит, в основном, через специализированные белковые структуры мембраны -ионные каналы, когда они находятся в открытом состоянии. В зависимости от вида ткани клетки могут иметь различный набор ионных каналов. Различают натриевые, калиевые, кальциевые, натрий-кальциевые и хлорные каналы. Перенос ионов по каналам имеет ряд особенностей, отличающих его от простой диффузии. В наибольшей степени это касается кальциевых каналов.

    Ионные  каналы могут находиться в открытом, закрытом и инактивированном состояниях. Переход канала из одного состояния в другое управляется или изменением электрической разности потенциалов на мембране, или взаимодействием физиологически активных веществ с рецепторами. Ионные каналы подразделяют на потенциал - зависимые и рецептор -управляемые. Избирательная проницаемость ионного канала для конкретного иона определяется наличием специальных селективных фильтров в его устье.

    Облегченная диффузия. Но клетке  необходимо  обеспечить  транспортировку таких веществ как сахара, аминокислоты, нуклеотиды, а также многих других полярных молекул. Как уже говорилось, за перенос подобных веществ ответственны специальные мембранные транспортные белки. Такой вид пассивного транспорта называется облегченной диффузией. Каждый из них предназначен для определенного класса молекул, а иногда и для  определенной  разновидности  молекул.  Первые доказательства специфичности транспортных белков были получены,  когда обнаружилось, что мутации  в одном гене у бактерий приводят к потере способности транспортировать определенные сахара через плазматическую мембрану.  У человека есть болезнь цистинурия, при которой отсутствует способность транспортировать некоторые аминокислоты,  в частности  цистин, из мочи или кишечника в кровь, - в результате в почках образуются цистиновые камни. Все изученные  транспортные  белки являются трансмембранными белками,  полипептидная цепь которых пересекает  липидный  бислой несколько раз. Все они обеспечивают перенос молекул через мембрану,  формируя в ней сквозные проходы. Если молекула не заряжена,  то направление ее  диффузии определяется  разностью  концентраций  по обеим сторонам мембраны или градиентом концентрации.  В то же время на направление движения  заряженной  молекулы будет влиять еще и разность потенциалов на сторонах мембраны или мембранный потенциал  (обычно  внутренняя сторона  мембраны  заряжена  отрицательно относительно наружной). Учитывая концентрационный и электрический градиенты, многие белки-переносчики позволяют растворенным веществам проходить через мембраны только пассивно,  то  есть,  в направлении  электрохимического  градиента.

    Рассмотрим  подробнее работу белка переносчика,  обеспечивающего пассивный транспорт  веществ через  клеточную  мембрану. Процесс,  с помощью которого белки-переносчики  связывают и транспортируют растворенные молекулы,  напоминает ферментативную реакцию.  В белках-переносчиках всех типов имеются участки связывания для транспортируемой  молекулы.  Когда  белок  насыщен,  скорость транспортировки максимальна. Связывание может быть блокируемо как конкурентными ингибиторами,  (конкурирующими за  тот  же  участок связывания),  так и не конкурентными ингибиторами, связывающимися в другом месте и влияющими на структуру переносчика. Молекулярный механизм работы белков переносчиков пока не известен. Предполагается, что они переносят молекулы, претерпевая обратимые конформационные изменения,  которые позволяют их участкам связывания располагаться попеременно то на одной, то на другой стороне мембраны.  На данной схеме представлена модель, показывающая, как конформационные изменения в белке могли бы обеспечить  облегченную  диффузию  растворенного вещества.  Белок переносчик может состоять в двух конформационных состояниях "пинг" и "понг". Переход между ними осуществляется случайным образом и полностью обратим.  Однако,  вероятность связывания молекулы  транспортируемого вещества с белком гораздо выше в состоянии "пинг".  Поэтому молекул, перемещенных в клетку, будет, гораздо больше, чем тех, которые ее  покинут.  Происходит транспорт вещества по электрохимическому градиенту.

    Некоторые транспортные белки просто переносят  какое-либо растворенное вещество с  одной стороны мембраны на другую.  Такой перенос называется унипортом. Другие белки являются контранспортными системами. В них устанавливаются  следующие закономерности:

    а) перенос одного вещества зависит  от одновременного (последовательного) переноса другого вещества в том  же направлении (симпорт).

    б) перенос одного вещества зависит  от одновременного (последовательного) переноса  другого  вещества  в  противоположном направлении (антипорт).

    Например, большинство  животных  клеток поглощает  глюкозу из внеклеточной жидкости, где ее концентрация высока путем  пассивного  транспорта осуществляемого  белком,  который работает как  унипорт. В то же время, клетки кишечника и почек поглощают ее из люменального пространства кишечника и из почечных канальцев, где ее концентрация очень мала,  с помощью симпорта глюкозы и ионов  Na.

    Разновидностью  облегченной диффузии является транспорт  с помощью неподвижных молекул переносчиков, фиксированных определенным образом поперек мембраны. При этом молекула переносимого вещества передается от одной молекулы переносчика к другой, как по эстафете.

    Примером  белков-переносчиков может служить  валиномицин – переносчик ионов  калия. Молекула валиномицина имеет форму манжетки, устланной внутри полярными группами, а снаружи – неполярными.

    В силу особенности своего химического  строения валиномицин способен образовывать комплекс с ионами калия, попадающими  внутрь молекулы – манжетки, и с другой стороны, валиномицин растворим в липидной фазе мембраны, так как снаружи его молекула неполярна. Молекулы валиномицина, оказавшиеся у поверхности мембраны, могут захватывать из окружающего раствора ионы калия. Диффундируя в мембране, молекулы переносят калий через мембрану, и некоторые из них отдают ионы в раствор по другую сторону мембраны. Таким образом, и происходит перенос иона калия через мембрану валиномицином.

    Отличия облегченной диффузии от простой:

• перенос вещества с участием переносчика происходит значительно быстрее;
• облегченная диффузия обладает свойством насыщения: при увеличении концентрации с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;
• при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда переносчиком переносятся разные вещества; при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других; так из сахаров глюкоза переносится лучше, чем фруктоза, фруктоза лучше, чем ксилоза, а ксилоза лучше, чем арабиноза и. т. д.;
• есть вещества, блокирующие облегченную диффузию – они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика, например, флоридзин подавляет транспорт сахаров через биологическую мембрану.

б) характеристика активного  транспорта 

    Активный  транспорт. Часто бывает необходимым обеспечить перенос через мембрану молекул против их электрохимического градиента.

    Такой  процесс называется активным транспортом  и осуществляется белками-переносчиками,  деятельность которых требует затрат  энергии.  Если связать белок-переносчик с источником энергии, можно получить механизм, обеспечивающий активный транспорт веществ через мембрану. Одним из главных источников энергии в клетке является гидролиз АТФ до АДФ и фосфата.                  

    2.2.1.Первично активный транспорт. Если источником энергии для активного транспорта веществ является гидролиз АТФ, а не перемещение через мембрану каких-то других молекул или ионов, транспорт называется первично активным.

 На этом явлении основан важный для жизнедеятельности клетки механизм (Na + K)-насос. Он служит прекрасным примером активного транспорта ионов.  Концентрация K внутри клетки в 10-20 раз выше,  чем снаружи.  Для  Na  картина противоположная. Такую  разницу  концентраций  обеспечивает работа (Na + K)-насоса, который активно перекачивает Na из клетки, а K в клетку.  Известно,  что  на работу (Na + K)-насоса тратится почти треть всей энергии необходимой для жизнедеятельности клетки.  Вышеуказанная  разность  концентраций  поддерживается со следующими целями:

    1) Регулировка объема клеток за счет осмотических эффектов.

    2) Вторичный транспорт веществ (будет рассмотрен ниже).

Опытным путем было установлено, что:

а) Транспорт ионов Na и K тесно связан с гидролизом  АТФ  и не может  осуществляться без него.

    б) Na и АТФ должны находиться внутри клетки, а K снаружи.

    в) Вещество  уабаин  ингибирует  АТФазу только находясь вне клетки, где он конкурирует за участок связывания с K. (Na + K)-АТФаза активно транспортирует Na наружу, а K  внутрь клетки. При гидролизе одной молекулы АТФ три иона Na выкачиваются из клетки, а два иона K попадают в нее.

    1) Na связывается с белком.

    2) Фосфорилирование АТФазы индуцирует конформационные изменения в  белке,  в результате чего:

    3) Na переносится на внешнюю сторону мембраны и высвобождается.

    4) Связывание K на внешней поверхности.