Материалы SapiensMed не заменяют консультацию врача
Здравствуйте, друзья! В нашем традиционном лонгриде поговорим о том, как работает клетка и как её мембрана управляет обменом веществ с окружающей средой. Как кислород, глюкоза и вода попадают внутрь клетки, а отходы выходят наружу? Зачем клетке насос, который тратит огромную долю её энергии? И почему раствор соли с глюкозой спасает жизни при тяжёлой диарее?
Мы разберём, из чего состоит клетка и её оболочка, чем пассивный транспорт отличается от активного, как работают ионные каналы, насосы и переносчики и как клетка «глотает» крупные частицы и выбрасывает собственные продукты. Расскажем, как гормоны управляют мембраной и что такое мембранный потенциал.
Отдельно обсудим, как работа мембраны меняется с возрастом, при нагрузке и питании, какие болезни связаны с поломкой мембранных белков и что помогает клеткам работать нормально. В конце статьи вас ждёт краткое резюме по каждому разделу статьи.
Часть 1. Что такое клетка и зачем ей мембрана
1.1. Клетка — единица жизни
Тело взрослого человека состоит примерно из 30 триллионов клеток, и большую их часть составляют эритроциты. Клетки разных тканей — нервные, мышечные, клетки печени или кожи — выглядят и работают по-разному, но устроены по общему плану14.
Внутри клетки находятся органеллы — её «органы»17:
- Ядро хранит наследственную информацию в виде ДНК и управляет синтезом белков.
- Митохондрии вырабатывают основную часть энергии в виде молекул аденозинтрифосфата, или АТФ — универсального «топлива» клетки.
- Эндоплазматическая сеть синтезирует белки и жиры.
- Комплекс Гольджи сортирует и упаковывает белки для отправки внутри клетки или наружу.
- Лизосомы переваривают отслужившие части клетки и поглощённые частицы.
1.2. Граница с внешним миром
Каждую клетку окружает плазматическая мембрана — тончайшая оболочка толщиной около 7–10 нанометров, то есть в тысячи раз тоньше человеческого волоса. Она отделяет содержимое клетки от межклеточной жидкости и одновременно связывает их: через мембрану клетка получает всё необходимое и отдаёт продукты обмена12.
Состав внутри и снаружи клетки сильно различается. Снаружи много натрия и хлора, внутри — калия, белков и фосфатов. Эта разница — не случайность, а результат постоянной работы мембраны, и от неё зависят возбуждение нервов, сокращение мышц и объём клеток23. Межклеточная жидкость — часть внутренней среды организма, постоянство которой поддерживают механизмы, описанные в статье Гомеостаз: как организм поддерживает постоянство внутренней среды.
Часть 2. Как устроена мембрана и как через неё проходят вещества
2.1. Жидкая мозаика
Основа мембраны — двойной слой фосфолипидов. У каждой их молекулы есть «головка», которая любит воду, и два жирных «хвоста», которые воды избегают. В воде такие молекулы сами выстраиваются в два ряда: головки наружу, хвосты внутрь. Получается тонкая жирная плёнка, через которую плохо проходят вода, ионы и крупные молекулы110.
В липидный слой встроены белки — как льдинки в воде. Они могут перемещаться вдоль мембраны, поэтому её строение описывают как жидкостно-мозаичную модель, предложенную в 1972 году10. Холестерин между фосфолипидами регулирует текучесть мембраны: делает её не слишком жёсткой на холоде и не слишком жидкой в тепле18.
На наружной поверхности мембраны находятся цепочки углеводов, связанные с белками и липидами. Этот слой называют гликокаликсом. По нему клетки узнают друг друга, а иммунная система отличает свои клетки от чужих. Группы крови — тоже особенности углеводных цепочек на мембране эритроцитов19.
Мембранные белки выполняют множество функций14:
- Каналы — поры, через которые проходят определённые ионы или вода.
- Переносчики — белки, которые связывают молекулу и переносят её через мембрану.
- Насосы — переносчики, которые тратят энергию и перемещают вещества против разницы концентраций.
- Рецепторы — «антенны», которые узнают гормоны и другие сигнальные молекулы.
- Ферменты и белки сцепления, соединяющие клетки между собой.
2.2. Пассивный транспорт: по течению
Пассивный транспорт не требует затрат энергии: вещества движутся из области, где их много, туда, где их мало, — как вода стекает с горы23.
Простая диффузия — прямой проход через липидный слой. Так проходят кислород, углекислый газ, азот и жирорастворимые вещества, в том числе некоторые лекарства и спирт. Именно поэтому газообмен в лёгких и тканях происходит так быстро2.
Вода проходит через мембрану в основном по специальным белковым каналам — аквапоринам. Их открытие в конце 1980-х годов отмечено Нобелевской премией по химии 2003 года11. Движение воды через мембрану в сторону более концентрированного раствора называют осмосом. Если эритроцит поместить в чистую воду, вода хлынет внутрь и клетка лопнет, а в очень солёном растворе — сморщится23.
Облегчённая диффузия идёт с помощью белков-переносчиков. Так большинство клеток получает глюкозу: переносчик связывает молекулу снаружи, меняет форму и отпускает её внутри28. Ионы натрия, калия, кальция и хлора проходят через ионные каналы, которые открываются и закрываются в ответ на изменение напряжения на мембране, на сигнальные молекулы или растяжение3.
2.3. Активный транспорт: против течения
Чтобы поддерживать разницу концентраций, клетке нужны насосы. Главный из них — натрий-калиевый насос: за один цикл он выкачивает из клетки три иона натрия и закачивает два иона калия, расходуя одну молекулу АТФ. Его открытие датским учёным Йенсом Скоу отмечено Нобелевской премией 1997 года12.
На работу этого насоса уходит значительная доля энергии, которую организм тратит в покое, а в нервных клетках — ещё больше23. Насос не только создаёт разницу концентраций натрия и калия, но и удерживает объём клетки: без него натрий и вода накапливались бы внутри, и клетка набухала бы.
Есть и другие насосы. Кальциевые насосы держат концентрацию кальция внутри клетки в тысячи раз ниже, чем снаружи, — это позволяет использовать кальций как сигнал для сокращения мышц и выброса гормонов. Протонные насосы клеток желудка закачивают в его полость кислоту28.
2.4. Вторичный активный транспорт
Разница концентраций натрия, созданная насосом, сама становится источником энергии. Некоторые переносчики используют поток натрия внутрь клетки, чтобы «прицепом» затащить другие вещества даже против их градиента. Так клетки тонкой кишки и почечных канальцев всасывают глюкозу и аминокислоты вместе с натрием23. О строении кишки — в статье «Всё, что вы хотели знать о тонкой кишке».
Этот механизм лежит в основе одного из важнейших медицинских открытий XX века — растворов для пероральной регидратации. Даже при тяжёлой диарее совместный переносчик натрия и глюкозы в кишке продолжает работать, поэтому раствор соли с глюкозой всасывается и восполняет потерю воды14.
Миф
Через мембрану вещества просто просачиваются, как через сито.
Факт
Мембрана — избирательный барьер. Свободно через неё проходят только газы и жирорастворимые вещества. Вода, ионы, глюкоза и аминокислоты пересекают её через специальные белковые каналы, переносчики и насосы, а клетка регулирует, сколько таких белков находится на её поверхности.
2.5. Эндоцитоз и экзоцитоз
Крупные молекулы и частицы не проходят через каналы. Клетка захватывает их, обволакивая участком мембраны, который затем отшнуровывается внутрь в виде пузырька. Этот процесс называют эндоцитозом. Его разновидность — фагоцитоз, «поедание» бактерий и остатков клеток, которым занимаются клетки иммунной системы14.
Многие вещества попадают в клетку только после связывания со своим рецептором. Например, частицы липопротеинов низкой плотности, которые переносят холестерин, захватываются клетками печени через специальные рецепторы. Это открытие отмечено Нобелевской премией 1985 года15.
Обратный процесс — экзоцитоз: пузырёк с содержимым сливается с мембраной и выбрасывает его наружу. Так выделяются гормоны, пищеварительные ферменты и вещества-посредники между нервными клетками12. О выделении ферментов рассказывает статья «Как работает поджелудочная железа и зачем нужны её ферменты». Быстрый массовый экзоцитоз лежит и в основе аллергической реакции, когда тучные клетки выбрасывают гистамин4 — подробнее в статье «Как развивается аллергическая реакция: сенсибилизация, IgE, тучные клетки и гистамин».
2.6. Мембранный потенциал
Мембрана работает как маленькая батарейка. В покое внутренняя сторона клетки заряжена отрицательно относительно наружной: у нервных клеток примерно на 70 милливольт, у клеток скелетных мышц — около 90 милливольт. Этот заряд создаётся главным образом тем, что ионы калия выходят из клетки через открытые каналы, а натрий-калиевый насос поддерживает разницу концентраций25.
При возбуждении нервной или мышечной клетки натриевые каналы на долю секунды открываются, натрий устремляется внутрь, и заряд меняет знак. Так возникает нервный импульс, который бежит вдоль волокна. Сердце, мышцы и мозг работают благодаря этим быстрым изменениям заряда мембраны26.
Часть 3. Как регулируется работа мембраны
3.1. Рецепторы и сигналы
Клетки организма постоянно обмениваются сигналами. Гормоны, растворимые в воде, — инсулин, адреналин, глюкагон — не могут пройти через липидный слой и действуют через рецепторы на поверхности мембраны. Рецептор передаёт сигнал внутрь клетки с помощью цепочки молекул-посредников. Жирорастворимые гормоны — стероидные и гормоны щитовидной железы — проникают внутрь клетки и действуют прямо на её генетический аппарат24.
3.2. Гормоны меняют число каналов и переносчиков
Один из главных способов регуляции — изменение количества транспортных белков на мембране. Хороший пример — действие инсулина. В клетках мышц и жировой ткани переносчики глюкозы хранятся в пузырьках внутри клетки. Инсулин заставляет эти пузырьки сливаться с мембраной, и клетка начинает быстро забирать глюкозу из крови28. О клетках, которые выделяют инсулин, рассказывает статья «Всё, что вы хотели знать об островках поджелудочной железы».
Похожим образом работает антидиуретический гормон: в клетках собирательных трубочек почки он перемещает водные каналы аквапорины в мембрану, и вода возвращается из мочи в кровь211. О строении почек — статья «Всё, что вы хотели знать о почках».
Специализированные переносчики есть и у других органов. Клетки щитовидной железы захватывают из крови йод с помощью переносчика, который использует поток натрия, и этот процесс усиливается под действием тиреотропного гормона гипофиза2. Подробнее — в статье «Всё, что вы хотели знать о щитовидной железе».
3.3. Контакты между клетками
Клетки тканей соединены специальными контактами. Плотные контакты, как герметик, закрывают щели между клетками кишки и почечных канальцев, и вещества проходят только через сами клетки под их контролем. Щелевые контакты образуют каналы между соседними клетками: через них, например, мгновенно распространяется возбуждение в сердечной мышце17.
Часть 4. Как работа мембраны меняется в течение жизни
4.1. Возраст, питание и нагрузка
Состав мембран зависит от питания. Жирные кислоты из пищи, в том числе омега-3 из рыбы, встраиваются в фосфолипиды мембран и влияют на их текучесть и работу встроенных белков18.
Физическая нагрузка увеличивает число переносчиков глюкозы на мембране мышечных клеток, причём даже без участия инсулина. Поэтому регулярные тренировки улучшают чувствительность к инсулину. Кроме того, при тренировках в мышцах становится больше митохондрий23.
С возрастом в клетках накапливаются повреждения белков и липидов, работа насосов и митохондрий становится менее эффективной. Отчасти поэтому пожилые люди тяжелее переносят нарушения солевого баланса и нехватку кислорода25.
Таблица 1. Основные способы транспорта через мембрану
| Способ | Нужна ли энергия | Что переносится | Пример |
|---|---|---|---|
| Простая диффузия | Нет | Кислород, углекислый газ, жирорастворимые вещества | Газообмен в лёгких |
| Осмос через аквапорины | Нет | Вода | Возврат воды из мочи в почках |
| Облегчённая диффузия | Нет | Глюкоза, некоторые аминокислоты | Поглощение глюкозы мышцами |
| Ионные каналы | Нет | Натрий, калий, кальций, хлор | Нервный импульс |
| Первичный активный транспорт | Да, напрямую тратится АТФ | Натрий и калий, кальций, протоны | Натрий-калиевый насос |
| Вторичный активный транспорт | Да, используется градиент натрия | Глюкоза, аминокислоты, йод | Всасывание глюкозы в кишке |
| Эндоцитоз и экзоцитоз | Да | Крупные молекулы и частицы | Захват холестерина, выброс гормонов |
4.2. Обезвоживание и избыток жидкости
Объём клеток напрямую зависит от осмотического давления вокруг них. При обезвоживании концентрация натрия в крови растёт, вода выходит из клеток, и они сжимаются — особенно опасно это для клеток мозга. При резком избытке воды, наоборот, натрий в крови снижается, и клетки набухают23. Поэтому организм так строго регулирует концентрацию натрия.
Миф
Если в организме много воды, клетки только выигрывают.
Факт
Клеткам нужна не максимальная, а правильная концентрация солей вокруг. Если выпить очень много воды за короткое время, натрий в крови снижается, вода входит в клетки, и они отекают. Для мозга это опасно: появляются головная боль, тошнота, спутанность сознания и судороги.
Часть 5. Когда работа мембраны нарушается
5.1. Поломки мембранных белков
Многие болезни связаны с нарушением работы каналов, насосов, переносчиков и рецепторов13:
- Муковисцидоз — наследственная поломка хлорного канала, из-за которой слизь в бронхах, поджелудочной железе и кишечнике становится густой и вязкой.
- Холера — токсин бактерии заставляет хлорные каналы клеток кишки работать без остановки, и с жидким стулом теряется огромное количество воды и солей.
- Семейная гиперхолестеринемия — наследственный дефект рецепторов, захватывающих холестерин, из-за чего его уровень в крови с детства очень высокий.
- Сахарный диабет 2 типа — клетки мышц и жира хуже отвечают на инсулин, и переносчики глюкозы не попадают на мембрану в нужном количестве.
- Каналопатии — наследственные поломки ионных каналов, которые лежат в основе некоторых нарушений ритма сердца, видов эпилепсии и мышечных болезней.
Ген муковисцидоза был открыт в 1989 году. Он кодирует хлорный канал, работа которого нужна для разжижения секретов13. В России для выявления этой болезни у всех новорождённых проводят скрининг, а диагноз подтверждают потовой пробой — измерением хлоридов в поте16.
5.2. Энергетическая катастрофа
Насосы мембраны работают только при наличии энергии. Если клетке не хватает кислорода — при инфаркте, инсульте, остановке кровообращения, — выработка АТФ падает, натрий-калиевый насос останавливается. Натрий и вода входят в клетку, калий выходит, клетка набухает, в неё устремляется кальций и запускает разрушительные ферменты13.
Именно поэтому нехватка кислорода так быстро повреждает нервные клетки, которым нужно особенно много энергии. Подробно о механизмах повреждения и гибели клеток мы расскажем в отдельной статье нашего плана.
Нарушения уровня калия в крови тоже напрямую влияют на мембранный потенциал. И слишком низкий, и слишком высокий калий меняет возбудимость клеток сердца и мышц, вызывая слабость и опасные нарушения ритма23.
Резкие изменения уровня калия и натрия в крови опасны для сердца и мозга. Если вы принимаете мочегонные препараты, препараты для снижения давления, у вас болезнь почек, сильная рвота или диарея, обсудите с врачом, как часто нужно проверять электролиты крови, и не принимайте препараты калия без назначения.
Часть 6. Как помочь своим клеткам
6.1. Что зависит от нас
Клетки работают автоматически, но условия для их работы во многом зависят от нас. Насосам нужна энергия, а значит — кислород и питательные вещества. Мембранам нужны жирные кислоты и холестерин в правильных количествах. А постоянство внутренней среды требует нормального водно-солевого баланса25.
Особенно важен питьевой режим при диарее. Обычная вода и сладкие напитки плохо восполняют потерю солей, а растворы для пероральной регидратации со сбалансированным содержанием натрия и глюкозы используют механизм совместного транспорта и всасываются эффективнее14.
Миф
Клетки можно «очистить от шлаков» специальными диетами и процедурами.
Факт
Клетки сами непрерывно выводят продукты обмена через мембрану в межклеточную жидкость, а оттуда их удаляют почки, печень и лёгкие. Лизосомы внутри клеток перерабатывают отслужившие белки и органеллы. Никаких «шлаков», которые нужно специально вымывать, у здорового человека нет.
6.2. Пошаговый план для здоровья клеток
01
Пейте по жажде, а в жару и при нагрузке увеличивайте объём жидкости заранее.
02
При диарее и рвоте используйте растворы для пероральной регидратации, а не только воду.
03
Включайте в рацион рыбу, орехи, растительные масла, овощи и цельные злаки.
04
Двигайтесь не меньше 150 минут в неделю — это улучшает чувствительность клеток к инсулину.
05
Откажитесь от курения: компоненты дыма повреждают мембраны и снижают доставку кислорода.
06
Не принимайте самостоятельно препараты калия, мочегонные и солевые добавки.
07
При семейной истории раннего инфаркта проверьте уровень холестерина, в том числе у детей.
08
Спите 7–9 часов: во сне клетки восстанавливаются и обновляют свои белки.
Когда срочно нужно к врачу
Вызывайте скорую помощь, если появились:
Краткое резюме
Клетка — основная единица жизни, а её плазматическая мембрана служит одновременно барьером и воротами. Основа мембраны — двойной слой фосфолипидов со встроенными белками и холестерином, а на её поверхности находится углеводный слой, по которому клетки узнают друг друга. Внутри клетки много калия, снаружи — натрия, и эта разница поддерживается постоянно.
Пассивный транспорт не требует энергии: через липидный слой диффундируют газы и жирорастворимые вещества, вода идёт по аквапоринам, глюкоза — с помощью переносчиков, ионы — через каналы. Активный транспорт тратит энергию: натрий-калиевый насос выкачивает три иона натрия и закачивает два иона калия. Вторичный активный транспорт использует градиент натрия для всасывания глюкозы — на этом основаны растворы для регидратации. Крупные частицы клетка захватывает эндоцитозом и выбрасывает экзоцитозом. Разница ионов создаёт мембранный потенциал, без которого не работают нервы, мышцы и сердце.
Работу мембраны регулируют гормоны: инсулин переносит переносчики глюкозы на мембрану, антидиуретический гормон — водные каналы. Физическая нагрузка улучшает транспорт глюкозы, а питание влияет на состав мембран.
Поломки мембранных белков лежат в основе муковисцидоза, холеры, семейной гиперхолестеринемии, каналопатий, а при нехватке кислорода останавливаются насосы и клетки набухают. Резкие изменения калия и натрия в крови опасны для сердца и мозга. Поддержать клетки помогают питьевой режим, регидратация при диарее растворами с натрием и глюкозой, питание с достаточным количеством полезных жиров, регулярное движение, сон и отказ от курения. Сильное обезвоживание, перебои в работе сердца и судороги требуют срочной помощи.
Источники
- Alberts B., Heald R., Johnson A. et al. Molecular Biology of the Cell. 7th edition. W. W. Norton and Company. США, 2022.
- Hall J. E., Hall M. E. Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology. 14th edition. Elsevier. США, 2020.
- Boron W. F., Boulpaep E. L. Medical Physiology. 3rd edition. Elsevier. США, 2017.
- Lodish H., Berk A., Kaiser C. A. et al. Molecular Cell Biology. 9th edition. W. H. Freeman. США, 2021.
- Ткаченко Б. И. (ред.) Нормальная физиология человека. 2-е издание. Медицина. Россия, 2005.
- Судаков К. В. (ред.) Нормальная физиология: учебник. ГЭОТАР-Медиа. Россия, 2015.
- Кузнецов С. Л., Мушкамбаров Н. Н. Гистология, цитология и эмбриология: учебник. Медицинское информационное агентство. Россия, 2012.
- Северин Е. С. (ред.) Биохимия: учебник. 5-е издание. ГЭОТАР-Медиа. Россия, 2009.
- Ченцов Ю. С. Введение в клеточную биологию. 4-е издание. Академкнига. Россия, 2004.
- Singer S. J., Nicolson G. L. The fluid mosaic model of the structure of cell membranes. Science. США, 1972.
- Agre P. Aquaporin water channels (Nobel Lecture). Angewandte Chemie International Edition. Германия, 2004.
- Skou J. C. Nobel Lecture. The identification of the sodium pump. Bioscience Reports. Великобритания, 1998.
- Riordan J. R., Rommens J. M., Kerem B. et al. Identification of the cystic fibrosis gene: cloning and characterization of complementary DNA. Science. США, 1989.
- World Health Organization. The treatment of diarrhoea: a manual for physicians and other senior health workers. Всемирная организация здравоохранения. Швейцария, 2005.
- Brown M. S., Goldstein J. L. A receptor-mediated pathway for cholesterol homeostasis. Science. США, 1986.
- Кистозный фиброз (муковисцидоз): клинические рекомендации. Министерство здравоохранения Российской Федерации. Россия, 2021.
Материал носит информационно-просветительский характер и не заменяет очной консультации врача. Диагноз и лечение определяет только врач.
Читайте также
- Мембранный потенциал и возбудимость: откуда в клетках электричество
- Повреждение клетки: как и почему гибнут клетки
- Митохондрии и клеточное дыхание: как клетка получает энергию
- Нейрон и нервный импульс
Автор:
