Поддержание внутриклеточного ионного гомеостаза

Избирательная проницаемость биологических мембран, осуществ­ляемая при помощи пассивного транспорта, облегчённой диффузии и активного транспорта, направлена на поддержание важных для функционирования клеток параметров ионного гомеостаза [Na⁺], [К⁺], [Са²⁺] и других ионов, а также рН ([Н⁺]) и воды (табл. 2-1) и множества других химических соединений.

Гомеостаз [Na⁺] и [К⁺] подразумевает поддержание асимметрич­ного и значительного трансмембранного градиента этих катио­нов, обеспечивает электрическую поляризацию клеточных мем­бран, а также накопление энергии для трансмембранного переноса разных химических веществ.

Значительный и асимметричный трансмембранный градиент. Для [Na⁺] и [К⁺] характерен значительный и асимметричный трансмембранный градиент этих катионов: внеклеточная [Na⁺] при­мерно в 10 раз выше [Na⁺] цитозоля, тогда как внутриклеточ­ная [К⁺] примерно в 30 раз выше внеклеточной [К⁺]. Поддер­жание этого градиента почти полностью обеспечивает Na⁺,K⁺-ATФaзa (рис. 2-8).

Таблица 2-1. Концентрация веществ (ммоль/л) в цитозоле и вне клетки

Плазма Интерстициальная Цитозоль
крови ___________________ жидкость __________

[Na⁺] 142 145 14

[К⁺] 4,4 4 140

[Са²⁺] 2,5 2,5 50нмоль/л

[Mg²⁺] 0,6 0,55 1

[СГ] 106 "110 8

[НС0₂_] ____ 23 24 10

рН ________ 7.4_______ 7.3 7,2

Осмоляльность, 292 292 292

мОсм/л

Поляризация мембраны. Na⁺,K⁺-Hacoc обладает электрогенностью: его работа приводит к поддержанию мембранного по­тенциала (МП), т.е. положительного заряда наружной (вне­клеточной) поверхности мембраны и отрицательного заряда внутренней (внутриклеточной) поверхности мембраны. Вели­чина заряда (V_m), измеренная на внутренней поверхности мем­браны, составляет около —60 мВ.

♦ Трансмембранный электрохимический градиент Na⁺, направлен­ный внутрь клетки, способствует пассивному входу Na⁺ в ци­тозоль и — главное! — накоплению при этом энергии. Имен­но эту энергию клетки используют для решения ряда важных задач — обеспечения вторичного активного транспорта и трансклеточного переноса, а в возбудимых клетках — генерации по­тенциала действия (ПД).

♦ Трансклеточный перенос. В эпителиальных клетках, образу­ющих стенку разных трубок и полостей (например, каналь­цев нефрона, тонкого кишечника, серозных полостей и др.), на верхушечной поверхности эпителия расположены Na⁺-каналы, а в плазмолемму базальной поверхности клеток вмон­тированы Na⁺,K⁺-Hacocbi. Такая асимметрия расположения №⁺-каналов и Na⁺-нacocoв позволяет перекачивать ионы натрия сквозь клетку, т.е. из просвета канальцев и полостей во внутреннюю среду организма.

♦ Потенциал действия (ПД). В электровозбудимых клеточных элементах (нейроны, кардиомиоциты, скелетные MB, ГМК) пассивный вход Na⁺ в цитозоль через потенциалозависимые Ка⁺-каналы критичен для генерации ПД (подробнее см. в главе 5).

• Гомеостаз [Са²⁺]. Поскольку Са²⁺ цитозоля выступает в качестве второго (внутриклеточного) посредника, регулирующего множе­ство функций, то [Са²⁺] в цитозоле клетки в состоянии покоя ми­нимальна (<100 нМ, или 10~⁷ М). В то же время внеклеточная [Са²⁺] около 1 мМ (10~³ М). Таким образом, разница трансмем­бранного электрохимического градиента для Са²⁺ (Ац_Са) гигантс­кая — 4 порядка величины n_cJ Другими словами, между цитозо-лем и внеклеточной средой (а также между цитозолем и внутриклеточными депо кальция, в первую очередь — цистернами эндоплазматической сети) существует весьма значительный трансмембранный градиент Са²⁺. Именно поэтому поступление Са²⁺ в цитозоль происходит практически мгновенно: в виде «выб­роса» Са²⁺ из кальциевых депо или «вброса» Са²⁺ из межклеточ­ного пространства. Поддержание столь низкой [Са²⁺] в цитозоле поддерживают Са²⁺-АТФазы, Ма⁺-Са²⁺-обменники и Са²⁺—бу­ферные внутриклеточные системы (митохондрий и Са²⁺-связы­вающие белки).

• Гомеостаз [Сl]. Во всех клетках [Сl] в цитозоле примерно в 10 раз меньше [Сl] вне клетки. Эту ситуацию поддерживают ани­онные каналы (Сl пассивно проходит в цитозоль), Na/K/Cl— котранспортёр и Сl-НСО~₃-обменник (Сl поступает в клетку), а также К/С1-котранспортёр (выход К⁺ и Сl из клетки).

• рН. Для поддержания рН существенна [Н⁺], а также [НСО~₃] и РС0₂. Внеклеточное значение рН составляет 7,4 (при [НСО~₃] около 24 мМ и РС0₂ примерно 40 мм рт.ст.). В то же время внутриклеточное значение рН равно 7,2 (сдвинуто в кислую сто­рону, при этом [С0₂] одинаково по обе стороны мембраны, а вычисленное значение [НСО~₃] должно составить около 16 мМ, тогда как реально составляет 10 мМ). Следовательно, клетка дол­жна иметь системы, выбрасывающие из неё Н⁺ или захватываю­щие НСО"₃. К таким системам относятся Ка⁺-Н⁺-обменник, Na⁺-СГ-НСО~₃-обменник и Ка⁺-НСО"₃-котранспортёр. Все перечисленные транспортные системы чувствительны к измене­ниям рН: они активируются при закислении цитозоля и блоки­руются при сдвиге внутриклеточного рН в щелочную сторону.