Влияние гормонов на проницаемость клеточных мембран

Активность фермента, как уже указывалось, зависит не только от количества и свойств самого ферментного белка, степени насыщения его коферментом, но также от наличия активаторов, ингибиторов, доступности субстратов и других участников ферментативной реакции, что в значительной степени зависит от проницаемости клеточных мембран. Вопрос о проницаемости и ее регуляции выходит далеко за рамки настоящей работы. Поэтому целесообразно рассмотреть лишь отдельные стороны этой крайне важной и интересной проблемы.

Движение воды и других веществ через клеточную оболочку представляет собой динамический процесс, и живая клетка никогда не находится в равновесии с веществами окружающей среды. Существовало предположение, что переход веществ через мембраны клеток определяется только градиентом концентрации, т.е. переходом из среды с высокой концентрацией в среду с меньшей, концентрацией. В ряде случаев это соответствует действительности, но, как правило, происходит движение против градиента концентрации. Примером может служить концентрация калия в животных и растительных клетках, которая внутри клетки во много раз выше, чем в окружающей клетку среде. Перенос против градиента концентрации требует затраты энергии и называется активным транспортом.

Строение мембран клеток и субклеточных частиц во многом определяет свойства этих мембран. Мембраны состоят из двойного слоя молекул липидов, с обеих сторон покрытых белковыми молекулами. Белки мембран обладают особыми свойствами на отдельных участках;

па внешней поверхности клеточных мембран и в толще находятся некоторые ферменты. В целом клеточные мембраны представляют собой сложно организованные структуры, играющие важную роль в физиологии клеток. Наиболее общей функцией мембран является компартментация, т.е. разграничение отдельных частей клеток. Так как ферменты и их субстраты могут находиться в разных отделах, то функции мембран нередко принадлежит решающая роль. Примером компартментации могут служить лизосомы. Эти частицы содержат большое число ферментов, и повреждение или разрушение лизосомных мембран приводит к выходу ферментов в цитоплазму и последующему действию этих ферментов на компоненты клетки.

Ядерная мембрана и мембраны других субклеточных частиц, а также мембраны эндоплазматической сети тоже имеют липопротеидную структуру, а особенности каждой мембраны определяются свойствами и ролью тех частиц, которые эти мембраны отграничивают от клеточного содержимого. Функция этих мембран является очень важным компонентом физиологии клетки; достаточно упомянуть тот факт, что в мембранах внутриклеточных органелл локализован основной процесс обеспечения энергией -- дыхание.

Влияние гормонов на проницаемость клеточных мембран установлено давно. Menkin показал, что гормоны коры надпочечников подавляют увеличение проницаемости капилляров, вызываемое воспалительным экссудатом. Существует мнение, что противовоспалительное действие кортикостероидов в значительной степени связано с влиянием этих гормонов на проницаемость путем подавления реакции на воспалительный экссудат. Этот эффект связывают со стабилизирующим действием глюкокортикоидов на мембраны лизосом, в результате чего ферменты лизосом не выходят в клетку. Глюкокортикоиды оказывают защитное действие против воздействия многих факторов, повреждающих мембраны лизосом, например против ультрафиолетового облучения или токсического эффекта избытка витамина А.

Однако кортикостероиды стабилизируют не все мембраны. Введение крысам кортизона или дексаметазона в течение нескольких дней приводит к тому, что клетки печени, в норме не проницаемые для сахарозы, становятся проницаемыми для нее. При инкубации in vitro тимоцитов добавление кортизона в концентрации 10-5 M резко снижает транспорт аминомасляной кислоты внутрь клеток.

Изменение проницаемости клеток матки вызывает эстрадиол. Интересные данные получены о влиянии ЛKTГ на проницаемость клеток надпочечников к сахарам, не подвергающимся в этих клетках обмену, в частности к D-ксилозе.

Таблица 19 - Объем распределения D-ксилозы-I-14C в надпочечниках интактных и гипофизэктомировапных крыс

Время, мин

Интактные

Гипофизэктомированные

60

59,0±2,0

28,4±1,0

90

61,2±2,2

33,0±1,1

120

62,9±2,0

31,0±3,1

Перенос D-ксилозы в ткань надпочечника значительно снижается после гипофизэктомии. Это позволяет думать о том, что одним из путей воздействия АКТГ является влияние на проницаемость клеток надпочечников.

Влияние на проницаемость установлено и в отношении других гормонов. СТГ, тироксин и тестостерон повышали скорость образования фосфолипидов в микросомах и митохондриях печени и семенных пузырьков крыс. Поскольку фосфолипиды являются компонентами мембран, такой эффект гормонов имеет важный биологический смысл.

При помощи микроэлектрода, введенного в ткань щитовидной железы кроликов, исследовали влияние ТТГ. Нашли, что введение этого гормона в среду перфузии щитовидной железы in situ повышало проницаемость клеток для ионов, особенно для ионов натрия.

С целью исследования механизма действия гормонов на клеточные мембраны в настоящее время широко применяют опыты на моделях мембранных систем. Инкубация меченых эстрадиола и прогестерона порознь и вместе, в водных растворах и в присутствии фосфатидилхолиповых липосом куриного яйца показала, что гормоны могут образовывать химические комплексы с компонентами мембран, причем характер связывания зависит от наличия одного или более гормонов в среде.

Влияние инсулина и фосфолиназы С на проницаемость клеточных мембран

Рис.28 Влияние инсулина и фосфолиназы С на проницаемость клеточных мембран

Влияние гормонов на проницаемость и активный транспорт наиболее подробно исследовано на примере инсулина и альдостерона.

Инсулин. Хорошо известно, что инсулин значительно усиливает транспорт ионов, глюкозы и аминокислот через мембраны клеток. Изучение влияния инсулина на проницаемость мембран в значительной степени осложняется тем, что инсулин существует в нескольких формах, по-разному, вероятно, взаимодействующих с элементами клеток.

Регуляция транспорта глюкозы в клетки является одним из основных механизмов действия инсулина, который ускоряет поступление глюкозы в скелетные и сердечную мышцы. Фосфолипаза С бактериального происхождения и фосфолипаза А змеиного яда влияют на транспорт глюкозы и липолиз весьма сходно с инсулином. Известно также, что многие протеолитические ферменты оказывают инсулиноподобное действие па жировые клетки. На основании анализа этих факторов Rodbell и др. предложили гипотезу о влиянии инсулина на проницаемость клеточных мембран. Согласно этой гипотезе, инсулин вызывает изменение структуры липопротеидной мембраны клетки таким образом, что ламинарная форма переходит в мицеллярную; при этом происходит переориентировка полярных групп липидов. Образование мицеллярной формы высокоочищенных мембран из печени крыс в результате действия фосфолиназы С было показано при помощи электронной микроскопии. Сходное влияние инсулина и трипсина выявлено и в отношении транспорта глюкозы через мембраны клеток скелетных мышц, что позволяет предполагать о сходном изменении структуры клеточных мембран.

По мнению других авторов, взаимодействие инсулина с липонротеидными мембранами клеток вызывает их молекулярную перестройку, в результате чего происходит как бы раскрытие «каналов», по которым глюкоза поступает в клетки. В опытах in vitro установлено, что инсулин обладает высокой поверхностной активностью и легко проникает через мономолекулярные слои белков и липидов, вызывая агрегацию поверхностных молекул, аналогичную образованию мицелл. Другие белки таким действием не обладали. Не ясно, имеет ли физиологическое значение высокая поверхностная активность инсулина, но вполне возможно, что она может влиять на первичное взаимодействие гормона с поверхностью клетки. Возможно, при этом инсулин реагирует со специфическими белками мембраны таким образом, что S--S-группы гормона взаимодействуют с SH-группами белка мембраны.

Альдостерон. В отличие от других стероидных гормонов, обладающих широким спектром действия, альдостерон в физиологических концентрациях действует только на транспорт натрия и калия через эпителиальные структуры почек, слюнных и потовых желез, слизистой оболочки кишечника. Модель активного транспорта натрия через эпителиальные клетки представлена на рис. Согласно этой модели, Na+ пассивно входит со стороны слизистой поверхности клеточной мембраны и активно «выталкивается» из клетки в подслизистое межклеточное пространство. Однако пассивное проникновение натрия в клетку не является простой диффузией. Эта стадия характеризуется насыщающей кинетикой, что свидетельствует о том, что при поступлении Na в клетку он взаимодействует с одним или более компонентами клеточной мембраны. АТФ является донатором энергии, а натриевый насос обладает свойствами Na++ K+ активируемой АТФ-азы. Молекула АТФ-азы является липопротеидной глобулой, погруженной в липидный слой клеточной мембраны. Фермент имеет «площадку» для присоединения фосфатной группы и центры для натрия и калия. За счет энергии АТФ молекула АТФ-азы претерпевает конформационные изменения, при которых и происходит транспорт ионов натрия. Считают, что альдостерон может ускорять перенос натрия 3 путями: 1) путем ускорения поступления натрия в клетку; 2) путем повышения активности натриевого насоса; 3) путем увеличения скорости синтеза АТФ и в результате этого увеличения местной концентрации донатора энергии.

Модель активного транспорта ионов натрия через слой эпителиальных клеток

Рис.29. Модель активного транспорта ионов натрия через слой эпителиальных клеток

По поводу преимущественного действия альдостерона на какой-либо из этих путей нет единодушного мнения. Sharp и Leaf считают, что альдостерон ускоряет поступление Na+ в клетку, а последующее увеличение активности натриевого насоса является вторичным следствием. Edelman и Fimognari полагают, что действие альдостерона на транспорт Na+ опосредовано через индукцию специфического белка, основная роль которого состоит в увеличении синтеза АТФ, необходимого для энергетического обеспечения транспорта натрия. Адреналэктомия у крыс приводит к постепенному снижению активности АТФ-азы в почках, причем введение альдостерона в физиологических дозах восстанавливает активность фермента. Однако, поскольку все механизмы, обеспечивающие перенос натрия через мембраны клеток, очень тесно связаны друг с другом, вряд ли эти разногласия можно считать принципиальными. Несомненно, что прямо или через посредство других механизмов альдостерон специфично регулирует движение Na+, что вызывает изменение распределения других ионов и воды. Участие цАМФ и аденилциклазы во влиянии гормонов на проницаемость биологических мембран

В связи с тем что многие стороны действия гормонов на процессы обмена веществ могут быть опосредованы через цАМФ, не исключена возможность влияния этого циклического нуклеотида на проницаемость клеточных и внутриклеточных мембран. В последнее время появились работы, свидетельствующие о такой возможности.

Добавление дибутирил-цАМФ к срезам печени крыс значительно повышало скорость транспорта аминокислот в клетки. Сходные данные были получены при исследовании перфузии печени животных и определении мембранных потенциалов при помощи внутриклеточных микроэлектродов. Введение в среду перфузии цАМФ или цГМФ вызывало значительную гиперполяризацию мембран, указывавшую на изменение проницаемости.

На состояние мембран клеток печени оказывал отчетливое влияние не только цАМФ, но цГМФ, а также глюкагон и изопротеренол. Изменение мембранного потенциала в этих опытах сопровождалось ускорением выхода ионов калия из клеток печени; при добавлении в среду перфузии цАМФ повышалось трансмембранное движение ионов натрия. Аналогичные данные были получены и при перфузии печени адреиалэктомировапных крыс: цАМФ, цГМФ в концентрации по 5х10-4 М, а также глюкагон вызывали изменение трансмембранного потенциала клеток печени. Этот эффект сопровождался изменением транспорта Na+ и К+: сначала наступало снижение, затем повышение. В ответ на введение цАМФ и глюкагона увеличивался выход Ca2+ из клеток печени. Интересно, что добавление в среду перфузии дексаметазопа не влияло ни на мембранный потенциал, пи на движение ионов.

Таблица 20 - Изменение мембранного потенциала клеток перфузируемой печени крыс при добавлении в среду перфузии цАМФ и гормонов

Добавление в среду перфузии

Контроль

Опыт

АМФц I*l0-3M

  • 30±0,6
  • 27±1,1
  • 28±0,7
  • 33±0,7
  • 39±0,1
  • 38±0,7
  • 33±0,8
  • 38±0,8
  • 46±1,5
  • 46±0,9

цГМФ 0,5* 10-3 M

  • 34±0,6
  • 36±0,6
  • 40±0,5
  • 45±0,7
  • 47±0,6
  • 48±0,8

Глюкагон 0,1 мкг/мл

  • 36±1,0
  • 42±0,6
  • 33±0,6
  • 37±0,5
  • 45±1,2
  • 51±1,8
  • 46±2,0
  • 49±0,9

Изопротеренол 0,2 мкг/мл

  • 35±0,8
  • 41±1,0
  • 37±0,5
  • 38±0,8
  • 43±1,3
  • 50±1,7
  • 46±0,8
  • 44±1,3

Величина мембранного потенциала выражена.в милливольтах* Различие контроля и опыта во всех опытах статистически достоверно.

Схема локализации и функционирования аденилциклазы в клетке

Рис.30 Схема локализации и функционирования аденилциклазы в клетке

Влияние цАМФ на проницаемость было показано и на других модельных системах -- на мочевом пузыре жабы и на фрагментах мембран микросом мозга быка. Считают также, что изменение проницаемости клеточных мембран связано с механизмами синаптической передачи в нервной системе, лежащей в основе кратковременной памяти.

Очень важен вопрос о роли аденилциклазы в процессах изменения проницаемости биологических мембран и переноса компонентов ферментативных реакций в клетку и ее различные отделы. Как уже указывалось, адеиилциклаза является сложным липопротеидным ферментом, функция которого состоит в катализе образования цАМФ из АТФ. Согласно современным представлениям, адеиилциклаза «встроена» в клеточные мембраны. Каталитическая субъединица этого фермента, отвечающая за образование цАМФ, локализована на внутренней поверхности мембраны, а регуляторная субъединица-- на наружной. На наружной же поверхности мембраны локализован фермент АТФ-аза, катализирующий дефосфорилирование АТФ с образованием АДФ.

Тесная связь аденилциклазы со структурными компонентами мембран привела к предположению о том, что она может принимать участие в изменениях проницаемости, обусловленной гормональным воздействием. Под воздействием гормона меняется конформация регуляторной субъединицы аденилциклазы; последняя, будучи тесно связанной с мембраной, может вызвать изменение структуры мембран, результатом чего явится изменение проницаемости.

Одним из возможных путей гормональной регуляции активности ферментов является изменение проницаемости клеточных мембран, а также контроль активного транспорта отдельных веществ. Изменение проницаемости биологических мембран происходит под воздействием многих гормонов. Наиболее известным является влияние инсулина на транспорт глюкозы, аминокислот и некоторых ионов через клеточные мембраны. Полагают, что инсулин связывается с липопротеидными компонентами мембран, вызывает переориентацию полярных липидов, что приводит к изменению конформации мембраны и в результате этого к изменению проницаемости. Лучше исследовано влияние альдостерона на регуляцию транспорта ионов натрия и калия через эпителиальные структуры почек, экзокринных желез и слизистой оболочки кишечника. Возможно, что действие альдостерона на транспорт ионов не является прямым, а осуществляется при посредстве особого белка.

Очень интересный вопрос -- возможное участие цАМФ и цГМФ в.регуляции проницаемости клеточных мембран. Эта регуляция, вероятно, имеет место при действии таких гормонов, как глюкагон и катехоламины. Большое значение имеет также аденилциклаза, участвующая в регуляции проницаемости двумя путями: путем катализа образования цАМФ и в качестве составного элемента клеточных мембран.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   Загрузить   След >