К вопросу об измерении неспецифической проницаемости цитоплазматической мембраны эритроцитов и мышечных клеток

УДК 577.31+577.171.53

К ВОПРОСУ ОБ ИЗМЕРЕНИИ НЕСПЕЦИФИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ МЕМБРАНЫ ЭРИТРОЦИТОВ И МЫШЕЧНЫХ КЛЕТОК

М. В. Фок, Г. А. Заридкая

Показано, что цитоплазматическая мембрана эритроцита способна изменять свою проницаемость для кислорода на 4 порядка, а мембрана мышечной клетки приблизительно в 300 раз, причем ее минимальная проницаемость близка к минимальной проницаемости мембраны эритроцита. В то же время, хотя молекулярный механизм изменения проницаемости мембран этих клеток принципиально одинаков и изменение проницаемости в обоих случаях вызвано изменением напряженности поля в мембране, интервал изменения поля в мембране эритроцита не перекрывается с интервалом изменения поля в мембране мышечной клетки. Следовательно, мембраны этих клеток сильно различаются по величине какого-то, пока неизвестного параметра.

Способность изменять проницаемость своей оболочки (цитоплазматической мембраны) для кислорода присуща всем клеткам с аэробной энергетикой. Она возникла еще на заре эволюции в связи с необходимостью поддерживать гомеостаз цитоплазмы по кислороду. Возникновение кровеносной системы не избавило клетки от этой необходимости, а значит, и от необходимости регулировать проницаемость цитоплазматической мембраны для килорода. Более того, как было показано в работах [1 - 3], цитоплазматическая мембрана мышечных клеток может изменять свою проницаемость для кислорода на два с небольшим порядка, а мембрана эритроцита - на четыре порядка. Относительно других клеток данных пока найти не удалось, но несомненно, что и они могут изменять проницаемость своей цитоплазматической мембраны для кислорода в соответствии с

изменениями потребности в нем при переходе из состояния покоя в активное состояние и обратно.

В тех же работах был предложен и молекулярный механизм соответствующей перестройки мембраны. Согласно этому механизму, кислородная проницаемость обусловле на наличием в ее липидном матриксе долгоживущих сквозных пор, по которым кислоро..: и другие некрупные молекулы могут свободно проходить сквозь мембрану. Число таких пор зависит от напряженности электрического поля в матриксе: чем сильнее поле, тем меньше пор, а, значит, меньше и проницаемость мембраны. Напряженность поля зависит, конечно, от разности потенциалов между цитоплазмой и внешней средой (т.е. плазмой крови в случае эритроцитов и межклеточной жидкостью в случае остальных клеток), а также от того, какая ее часть приходится на саму мембрану, ибо часть разности потенциалов может приходиться на слой адсорбированных на мембране молекул.

Клетки разных специализаций различаются по величине разности потенциалов между цитоплазмой и внешней средой. Так. у деоксигенированных эритроцитов она равна 8 мВ, а у мышечных клеток в состоянии покоя превышает 70 мВ, т.е. в 9 раз. Поскольку толщина цитоплазматической мембраны у всех клеток практически одинакова, то и напряженность поля в мембранах эритроцитов и мышечных клеток тоже различа ются почти на порядок. В то же время строение цитоплазматической мембраны у них. как и у всех прочих клеток, в общих чертах одинаковое - тонкий липидный матрикс, состоящий из двух мономолекулярных слоев, в которых молекулы липидов обращен! углеводородными цепями друг к другу, а дипольными головками наружу, и встроен ных в этот матрикс молекул белков. Поэтому и молекулярный механизм изменения их проницаемости принципиально один и тот же и может различаться только количествен но, в соответствии с составом их цитоплазматических мембран, неразрывно связанным с функциональными особенностями клетки.

Чтобы установить, в чем именно состоят эти различия, прежде всего необходимо вы яснить, как расположены друг относительно друг интервалы изменения проницаемости для кислорода цитоплазматических мембран этих клеток, а также, как расположены интервалы изменения напряженности электрического поля в их мембранах. Начнем с проницаемости. В организме кислород расходуется главным образом клетками мягких тканей, ибо кости, лимфа, межклеточная жидкость и сама кровь, а также содержание пищеварительного тракта кислорода почти не потребляют. Если учесть их массу, то получим, что у человека в 70 кг на клетки-потребители кислорода приходится веек около 30 кг. Секундный объем крови в состоянии покоя равен приблизительно 100 см .

а отдаваемый ею кислород распределяется в объеме, в 300 раз большем. При этом каждый эритроцит проходит по альвеолярному капилляру менее чем за секунду и за это время успевает почти полностью прийти в равновесие с альвеолярным газом. Это значит, что основную массу кислорода он получает приблизительно за 0.2 сек. А гкани получают кислород непрерывно. Следовательно, отнесенный к единице объема поток кислорода в эритроциты еще в пять раз более мощный, так что разница получается в 300 х 5 = 1500 раз. Оценим теперь соотношение площадей поверхности мышечных клеток, содержащихся в 1 см3 ткани и эритроцитов в 1 см3 крови. Поскольку мышечные клетки сильно вытянуты, площадью торцов можно пренебречь, а поперечные размеры клеток примем равными 5 х Ъмкм2. Площадь поверхности 1 см3 таких клеток равна 8- 102 см2. Если принять, что средний объем эритроцита равен 90 мкм \ а поверхность - 140 мкм2, то при гематокрите 0.45 площадь поверхности получится равной 7-102 см2. т.е. практически такой же, как у 1 см3, мышечных клеток. Это значит, что плотность потока кислорода сквозь цитоплазматическую мембрану мышечной клетки в состоянии покоя в 1500 раз меньше, чем сквозь мембрану эритроцита в альвеоле.

Плотность потока газа сквозь мембрану равна, как известно, произведению проницаемости мембраны на разность напряжений этого газа (его парциальных давлении) по обе стороны мембраны. У эритроцитов при входе в альвеолу эта разность равна 60 ммрт.ст. (100 в альвеоле и 40 в цитоплазме эритроцита). В межклеточной жидкости вблизи артериального конца капилляра рОч = 100 ммрт.ст, а в цитоплазме клеток всего 2 - 3 ммрт.ст., так что разность рОг в полтора с лишним раза больше, чем у эритроцитов. Это значит, что в состоянии покоя в норме проницаемость для кислорода цитоплазматических мембран мышечных клеток тысячи в две раз меньше, чем у эритроцитов при входе в альвеолы. Известно, что при дыхании чистым кислородом рОч в цитоплазме клеток почти не повышается, несмотря на то, что в альвеолах рОч увеличивается раз в пять. Это значит, что проницаемость цитоплазматической мембраны мышечных клеток может уменьшиться еще раз в пять. Тогда она станет того же порядка, что и минимальная проницаемость мембран эритроцита.

С другой стороны, известно, что интенсивно работающая мышца потребляет в десятки раз больше кислорода, чем покоящаяся. В литературе относительно этого встречается несколько противоречивые данные - от 30 до 100 раз. Мы возьмем для оценки среднее, т.е. 60 раз. (заметим, что включение множества новых капилляров в интенсивно работающей мышце не увеличивает среднее р02 в ее межклеточной жидкости, ибо одновременно возрастает и градиент рОч в межклеточной жидкости, обеснечиваю-

о

щий диффузионный поток кислорода к клеткам). Следовательно, цитоплазматическая мембрана мышечной клетки может увеличивать свою проницаемость для кислорода раз в 60 по сравнению с проницаемостью в покое. Полный интервал изменения проницаемости получается порядка 300 раз, причем наименьшая проницаемость близка к наименьшей проницаемости у эритроцитов, а наибольшая - раз в 30 меньше наибольшей проницаемости у эритроцитов.

Перейдем теперь к интервалам изменения напряженности электрического поля. Во время оксигенации напряженность электрического поля в мембране эритроцита возрастает по нескольким причинам. Как известно, на внутренней поверхности мембраны деоксигенированного эритроцита имеется слой адсорбированного деоксигемоглобина. 11о нашим измерениям адсорбированного гемоглобина достаточно для образования на мембране сплошного слоя приблизительно той же толщины, что и липидный матрикс мембраны. Это значит, что на матрикс приходится лишь половина разности потенциалов, имеющейся между цитоплазмой эритроцита и плазмой крови. Молекулы оксигемоглоби-на, напротив, практически не адсорбируются на мембране. Очевидно, что в альвеолах первыми оксигенируются адсорбированные на мембране молекулы гемоглобина. Поэтому уже в самом начале оксигенации мембрана освобождается от адсорбированного слоя гемоглобина и поле в ней удваивается.

Аналогичный механизм изменения поля в мембране работает, по-видимому, и в мышечных, а вероятно, и в других клетках. Разница состоит лишь в том, что вместо гемоглобина адсорбируются и десорбируются комплексы миоглобина с онкобелком. Чувствительным к кислороду элементом служит в них миоглобин, так как он тоже способен обратимо присоединять кислород, изменяя при этом свой заряд, а значит, и адсорбци онные свойства. Молекулярная масса такого комплекса близка к массе гемоглобина, следовательно и их объемы различаются мало, а толщина адсорбированного слоя и того меньше. Поэтому можно считать, что такой комплекс тоже уменьшает величину приходящейся на мембрану разности потенциалов приблизительно вдвое. Примем для расчетов, что разность потенциалов на мембране мышечной клетки может изменяться от 36 до 72 мВ.

На адсорбционно-десорбционном механизме изменения напряженности поля в мем бране аналогия между эритроцитами и мышечными клетками заканчивается, ибо у эритроцитов кроме того увеличивается и трансмембранная разность потенциалов, а у мышечных клеток она все время остается неизменной. Дело в том, что фермент карбо-ангидраза, ускоряющий на два порядка обратимую реакцию

н2со3 - Н20 + со2,

находится внутри эритроцитов, а молекулы С02 переходят в альвеолярный газ из плазмы крови. Поэтому, когда эритроцит попадает в альвеолярный капилляр, возникает диффузионный поток С02 из эритроцитов в плазму крови и поток ионов НСО3 из плазмы в эритроцит. Вносимый этими ионами отрицательный заряд вызывает увеличение трансмембранной разности потенциалов. Рост ее ограничивается возникающим при этом дрейфовым потоком ионов С1~, частично компенсирующим отрицательный заряд, вносимый ионами НСО^. Однако полной компенсации все же не получается и трансмембранная разность потенциалов несколько возрастает.

Насколько она возрастает, можно оценить на осное известных физиологических данных. Эти данные следующие: в плазме крови в венах рС02 = 46 ммрт.ст., концентрация НСО3 равна 27 мМ/л, трансмембранная разность потенциалов 8 мВ\ в артериях рС02 = 40 ммрт.ст., рН на 0.02 больше, чем в венах [4], гематокрит в венах и в артериях равен 0.45; концентрация гемоглобина в цитоплазме эритроцита 6 мМ/л; дыхательный коэффициент (отношение количества выдыхаемых молекул С02 к ко личеству вдыхаемых молекул 02) равен 0.85 (остальные 15% идет главным образом на образование Н20).

Мыслимы два крайних случая: 1) когда в плазме крови реакция (1) идет, из-за отсутствия карбоангидразы, настолько медленно, что несмотря на изменение концентрации С02, величины концентраций Н2СОз и НСО^ остаются практически неизменными в течение всего цикла кровообращения и 2) когда эта реакция идет так быстро, что кон центрации Н2СО$ и НСОз все время находятся в равновесии с С02 и изменяются в соответствии с изменениями рС02 и рН. В обоих случаях почти все молекулы С02. которым предстоит перейти из крови в альвеолярный газ, возникают внутри эритроцитов, но в первом случае они возникают из тех молекул Н2СОз и ионов НСО^, которые уже были там до входа эритроцита в альвеолярный капилляр, а во втором - значительная часть ионов НСО^, из которых в дальнейшем образуются молекулы С02, поступает в эритроцит из плазмы крови во время его движения по альвеолярному капилляру. Поэтому в первом случае концентрация НСО$ в цитоплазме эритроцитов уменьшается, а их трансмембранный потенциал возрастает значительно сильнее, чем во втором.

Вычислим, какой величины он достигает в том и в другом случае. Для этого надо подвести баланс углекислоты. В легких, как известно, каждая молекула гемоглобина

присоединяет, в среднем, по одной молекуле кислорода. Как показывает величина дыхательного коэфициента, в дальнейшем 85% из этих молекул кислорода образуют молекулы СО2, которые при следующем прохождении крови ио альвеолярному капилляр}' удалаются из крови (так как вода удаляется разными путями, ее баланс мы подводить не будем).

Из этих данных, учитывая концентрацию гемоглобина в эритроците, получаем, что в эритроцитах 5.1 мМ/л ионов НСО3 превращаются в СО2 и выходят наружу. В первом случае ровно настолько же уменьшается их концентрация в цитоплазме эритроцитов. Если перед входом в альвеолярный капилляр и после выхода из него ионы НСО3 цитоплазмы эритроцита и плазмы крови были в равновесии друг с другом (но не в равновесии с С02 плазмы!), то отсюда можно вычислить изменение трансме.м бранного потенциала. Перед входом в альвеолу он был равен 8 мВ, что соответствует концентрации НСО^ внутри эритроцитов, равной 19.8 мМ/л. После выхода из альвеолы она стала на 5.1 мМ/л меньше, т.е. 14.7 мМ/л. Поскольку снаружи эритроцита она осталась равной 27 мМ/л, то отсюда следует, что разность потенциалов возросла до 15.8 мВ, т.е. почти в два раза.

Рассчитаем теперь изменение концентраций НС03 внутри и вне эритроцитов во втором случае, т.е. в условиях равновесия с С02. Уравнение равновесия при диссипации угольной кислоты имеет вид

[НСО3]  [Н+] = К^НчСОз],

а уравнение равновесия в реакции

[Н2С03] = К2[С02],

где прямыми скобками обозначены соответствующие концентрации, К\ - константа равновесия диссипации угольной кислоты, а через К2 обозначено произведение конс ган ты равновесия в реакции (1) на концентрацию молекулы воды, поскольку она постоянна. Исключая из этих двух уравнений #2СОз, получим

[НС03]-[Н+] = К1К2[С02]. '

Выпишем это уравнение отдельно для артериальной и для венозной крови и раз делим полученные два уравнения одно на другое. Произведение К\ К2 при этом сократится. А, поскольку величины [С02] пропорциональны соответствующим рС02, то их отношение можно заменить отношением рС02. Тогда получится

[ПСОзУа • [Н+]/а _ рС02/а

[НСОз]/в-[Н+]/в рС02/в:

где индексы "а" и "в" указывают, относится ли данная величина к артериальной или к венозной крови. Как уже отмечалось, рН артериальной крови на 0.02 больше рН венозной крови. Величина этой разности дает нам величину отношения [Н+]/а/[Н+]/е, а остальные величины в (5), кроме [НСОз]/а, известны. Подставив их в (5), получаем, что [ПСОз]/а = 24.6мМ/л.

Зная гематокрит //с, отсюда можно найти, сколько углекислоты удаляется в альвеолах из плазмы каждого литра проходящей по ним крови:

С другой стороны, общее количесво углекислоты, удаляющееся в альвеолах из каждого проходящего по ним литра крови, равно, очевидно,

5.1#с = 2.3 мМ.

Отсюда получается, что из эритроцитов, содержащихся в литре крови, удаляется 1.0 мМ углекислоты. Следовательно, ее концентрация понижается там на

1.0/Яс = 2.2 мМ/а,

так что в цитоплазме артериальных эритроцитов остается [НСО3] = 17.6 мМ/л. Если считать, что в артериальной крови тоже устанавливается равновесие по ионам 11 СО3 между цитоплазмой эритроцитов и плазмой крови, то отсюда получается, что во втором случае (равновесие по С02) из-за удаления углекислоты трансмембранная разность по тешшалов повышается лишь до 8.7 мВ. В первом (предельно неравновесном) случае она достигала 15.8 мВ. Очевидно, что истина находится где-то посредине. Можно полагать, что удаление углекислоты из крови повышает трансмембранную разность потенциалов у эритроцитов раза в полтора с небольшим, доводя ее до 12 - 13 мВ. С этой оценкой согласуется и другая, более точная, основанная на более подробном рассмотрении процессов, протекающих в цитоплазме находящихся в альвеолярных капиллярах эритроцитов.

Итак, десорбция оксигемоглобина с мембраны эритроцита и удаление углекислоты из его цитоплазмы приводят к увеличению трансмембранной разности потенциалов раза в полтора, а напряженности поля в мембране - приблизительно в гри раза. Это имеет

важные последствия. Во-первьтх, сильно уменьшается проницаемость мембраны эритроцита, причем, не только для кислорода, но и для других мелких частиц, в частности, для ионов Аа+, для которых нет специальных каналов или переносчиков. Л, во-вторых, несмотря на повышение рН плазмы крови на 0.0'2, повышение трансмембранной разности потенциалов от 8 всего до 12 мВ приводит к некоторому закислению цитоплазмы эритроцита, а в более кислой среде ионные насосы (А', А'а-АТФаза) работают более интенсивно.

И то, и другое приводит к возрастанию трансмембранной разности потенциалов. Дело в том, что в каждом акте своей работы ионные насосы выкачивают из эритроцита по 3 иона и закачивают в него по 2 иона К+, так что один положительный заряд остается снаружи. В стационарном состоянии вынос насосами положительных зарядов с ионами Лг+ компенсируется их диффузионно-дрейфовым потоком внутрь. В данном же случае вынос ионов Ат+ больше стационарного, а их поток внутрь - мень ше. В результате отрицательный заряд цитоплазмы возрастает, а значит, возрастает и трансмембранная разность потенциалов, цитоплазма еще более закисляется, а проницаемость мембраны уменьшается, еще сильнее увеличивается разность между потоком натрия наружу и внутрь и т.д.

Эта цепочка процессов с положительной обратной связью не приводит к неустой чивости эритроцита лишь потому, что одновременно увеличивается дрейфовый поток ионов С1~ наружу, препятствующий возрастанию отрицательного заряда цитоплазмы Борьба этих двух тенденций продолжается и после выхода эритроцита из альвеолы. Концентрации АТФ в цитоплазме эритроцита достаточна для обеспечения беспере бойной интенсивной работы ионных насосов в течение всего цикла кровообращения. Поэтому трансмембранная разность потенциалов не убывает, а постепенно возраста ет, приближаясь к стационарному значению. В настоящее время невозможно сказать точно, на какой уровне заканчивается этот рост - для этого необходимо знать рН цитоплазмы находящихся в артериях эритроцитов. Пока можно лишь утверждать, что у них трансмембранная разность потенциалов выше 12 мВ, но вряд ли достигает той, какая существет у мышечных клеток (72 мВ). Весьма вероятно, что она не достигает и половины этого значения. Другими словами, интервалы изменения трансмембран поп разности потенциалов у эритроцитов и мышечных клеток, по всей вероятности, даже не имеют общих точек.

То, что несмотря на это, минимальные значения проницаемости у мембран эри троцитов и мышечных клеток близки друг к друг}', означает, что их мембраны сильно

различаются по величине какого-то параметра. Но вопрос об этом - тема другой статьи.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Фок М. В., Зарицкий А. Р. Авторегуляция, как основа гомеостаза клеток. М., Космоинформ, 1977 г., с. 10-3.

[2] Зарицкий А. Р., Переведенцева Е. В., Прокопенко Г. А., Ф о к М. В. Краткие сообщения по физике, ФИАН, N 9 - 10, 29 (1994).

[3] Фок М. В., Зарицкий А. Р., Прокопенко Г. А., Переведенце в а Е. В. Краткие сообщения по физике, ФИАН, N 1 - 2, 9 (1996).

[4] Иванов К. П. Основы энергетики организма, 2, Биологическое окисление и его обеспечение кислородом. СПБ, Наука, 1993 г., с. 163.

Поступила в редакцию 16 февраля 2001 г.