Что осуществляет транспорт веществ в организме человека

Обновлено: 04.07.2024

Прежде чем приступить к изучению внутренней среды организма человека, вспомните основные признаки, по которым живые организмы отличаются от неживых объектов. Почему живые организмы должны поддерживать постоянство своей внутренней среды?

Внутренняя среда организ/ла

Для обеспечения нормальной жизнедеятельности организма человека нужно, чтобы условия внутри него были относительно постоянными. Температура, соленость, кислотность и другие параметры изменяются в довольно узких пределах. Это постоянство обеспечивается благодаря наличию внутренней среды организма.

Основными составляющими внутренней среды организма являются три жидкости: кровь, лимфа и тканевая жидкость. Эти жидкости постоянно переходят друг в друга, изменяя тем самым свой химический состав. Они обеспечивают протекание всех важных процессов в организме, ведь благодаря им в клетки непрерывно поступают питательные вещества, а из них выделяются продукты обмена.

Относительное постоянство состава и физико-химических свойств внутренней среды называют гомеостазом. Поддержание гомеостаза позволяет человеку жить и в условиях тропиков, и в полярных регионах.

КроВь и ее функции

Кровь — это непрозрачная жидкость красного цвета, циркулирующая по сосудам кровеносной системы. В теле взрослого человека в среднем содержится от 4 до 6 л крови. Значение крови рассмотрено в таблице.

Транспорт кислорода и углекислого газа, а также питательных веществ и продуктов обмена. Кроме того, кровь переносит тепло изнутри тела к его внешним покровам. Например, если у вас на морозе мерзнут щеки, вы начинаете их растирать, при этом к месту растирания усиливается приток крови и теплая кровь изнутри согревает ткани

Доставка гормонов и других биологически активных веществ к месту их действия

Уничтожение посторонних объектов, проникших в организм путем фагоцитоза или вырабатывания антител (подробнее об этом см. § 53)

Кровь представляет собой жидкую ткань, которая содержит два основных компонента — плазму крови и форменные элементы. Количество воды в крови составляет 90 %.

Жидкой частью крови является плазма. Она состоит из воды и растворенных в ней минеральных и органических соединений. Концентрация солей в плазме крови (Ыа + , К+, Са 2+ , НСО 3- и др.) составляет 0,9 % и поддерживается на постоянном уровне для обеспечения нормального протекания физиологических процессов. Поэтому водный раствор, концентрация солей в котором составляет 0,9 %, называется физиологическим. Такой раствор можно использовать для пополнения крови при ее значительных потерях.

В состав органических веществ плазмы крови входят белки (альбумины, глобулины, фибриноген), жиры и углеводы. Уровень их концентрации может значительно колебаться.

В зависимости от уровня насыщенности кислородом кровь бывает венозной и артериальной. Артериальная кровь содержит много кислорода и мало углекислого газа. Она алого цвета. Венозная кровь, наоборот, содержит мало кислорода и много углекислого газа, поэтому она имеет более темную окраску. Цвет крови определяется содержанием в ней соединений гемоглобина с кислородом: чем больше таких соединений, тем ярче окрашена кровь.

В тканях кровь проходит через мельчайшие кровеносные сосуды — капилляры. Стенки капилляров очень тонкие, т. к. они состоят только из одного слоя клеток. Эти стенки не пропускают эритроциты и тромбоциты, однако через них просачивается плазма крови.

Та часть плазмы крови, которая попала в ткани, образует тканевую (межклеточную) жидкость. Эта жидкость омывает все клетки тела и осуществляет обмен веществ между ними и кровью.

По своему составу тканевая жидкость в момент образования похожа на кровь. Однако в ней отсутствуют клетки крови и большая часть ее белков. Но в случае каких-либо негативных процессов (например, воспаления) лейкоциты из крови могут выходить в ткани и попадать в тканевую жидкость.

В связи с тем, что тканевая жидкость осуществляет обмен веществ между сосудами и клетками тканей, ее состав постоянно изменяется. Некоторые вещества попадают внутрь клеток ткани, а другие, наоборот, выделяются клетками в тканевую жидкость. В разных тканях клетки могут нуждаться в разных веществах и выделять разные продукты обмена. Это также сказывается на составе тканевой жидкости, вследствие чего он становится еще более разнообразным.

В тканях нашего организма кроме кровеносных есть и другие капилляры — лимфатические (рис. 15.1). Они имеют вид тонких трубочек, замкнутых с одного конца. Давление внутри лимфатических капилляров меньше, чем в кровеносных, поэтому в них просачивается излишек тканевой жидкости, который образуется в тканях вследствие постоянного поступления плазмы из кровеносных капилляров. Тканевая жидкость, которая просочилась в лимфатические капилляры, превращается в лимфу. Лимфа — это прозрачная жидкость, по составу очень похожая на тканевую жидкость, но содержащая много лимфоцитов. Отсюда одна из ее основных функций — обезвреживание опасных микроорганизмов и веществ, попавших в организм.

Своим незамкнутым концом лимфатические капилляры впадают в более крупные лимфатические сосуды. Двигаясь по лимфатическим сосудам, лимфа попадает в лимфатические узлы, в которых сосредоточено множество лимфоцитов (рис. 15.2). Сливаясь, лимфатические сосуды впадают в вену, где лимфа пополняет плазму крови.

Лимфатические узлы являются важным барьером на пути инфекций и вредных веществ, которые могут образовываться в организме. Например, при ранении клетки организма могут погибать. Следствием их гибели является образование вредных продуктов распада клетки. А через рану в организм попадают посторонние микроорганизмы. Эти вещества и микроорганизмы с током лимфы достигают лимфатических узлов, где их обезвреживают лимфоциты.

Если вредных веществ или микроорганизмов очень много, количество лимфоцитов в узлах возрастает, а размеры самих узлов увеличиваются. Поэтому, если у человека в какой-то области тела увеличились лимфатические узлы, то это является тревожным признаком. В таком случае следует обратиться к врачу.

Если процесс оттока тканевой жидкости из тканей нарушается или лимфатические сосуды чем-то перекрываются, то это может привести к тяжелым последствиям. Например, при заболевании слоновостью (эта болезнь распространена в Африке) паразитические круглые черви перекрывают движение лимфы. В результате конечности у человека очень сильно раздуваются.

Древнегреческие ученые Гиппократ и Аристотель считали, что артериальная и венозная системы человека являются отдельными системами и не связаны между собой. Однако древнеримский врач Клавдий Гален доказал, что кровь движется по артериям и венам благодаря работе сердца. В XVII в. Уильям Гарвей установил, что кровь движется по артериям от сердца, а по венам — к сердцу.

Основными компонентами внутренней среды организма являются кровь, лимфа и тканевая жидкость. Эти жидкости постоянно перетекают друг в друга. Кровь выполняет транспортную, регуляторную и защитную функции. Она состоит из плазмы и форменных элементов.

Проверьте сВои знания

1. Что входит в состав внутренней среды организма?

2. Что входит в состав крови?

3. Какие функции выполняет кровь?

4. Что входит в состав плазмы крови?

5*. Почему состав и содержание органических веществ в плазме может достаточно сильно колебаться?

6*. В каких случаях содержание органических веществ в плазме крови резко возрастает?

7*. Почему концентрация солей в плазме крови поддерживается практически на одном и том же уровне?

Группы крови. Переливание крови

Прежде чем приступить к изучению групп крови человека, вспомните, что такое кровь. Чем отличается кровь от лимфы и тканевой жидкости? Какие функции выполняет кровь в организме человека? Одинакова ли кровь у разных животных?

Форменные элементы кроВи

К форменным элементам крови относятся эритроциты, лейкоциты и тромбоциты (рис. 16.1).

Эритроциты — это красные клетки крови. Зрелые эритроциты не имеют ядра и содержат большое количество белка гемоглобина. Их основная функция — перенос кислорода. Кроме того, эритроциты способны переносить и углекислый газ (СО₂). Однако значительная его часть транспортируется плазмой крови.

Лейкоциты — белые клетки крови. Они весьма разнообразны по строению и делятся на несколько типов. Лейкоциты обеспечивают защиту организма от инфекций и токсинов.

Тромбоциты, в отличие от эритроцитов и лейкоцитов, не клетки, а кровяные пластинки. Они являются фрагментами клеток, образующимися в результате распада крупных клеток-предшественников. Тромбоциты играют важную роль в процессе свертывания крови.

Транспортная функция белков — участие белков в переносе веществ в клетки и из клеток, в их перемещениях внутри клеток, а также в их транспорте кровью и другими жидкостями по организму.

Есть разные виды транспорта, которые осуществляются при помощи белков.

Содержание

Перенос веществ через клеточную мембрану

У всех клеток есть мембрана, состоящая из двойного слоя липидов. В клетку должны поступать многие необходимые для жизни вещества (сахара, аминокислоты, ионы щелочных металлов), но липидный бислой для них практически непроницаем. Поэтому в состав мембраны входят транспортные белки, которые и осуществляют перенос полярных или заряженных соединений. Транспорт этих соединений в клетку делится на активный и пассивный. Пассивный транспорт — транспорт веществ из области с высокой концентрацией в область низкой без затрат энергии, то есть диффузия. Она делится на 2 варианта: простая и облегчённая.

В облегчённой диффузии участвуют белки-переносчики. Этот вариант может сопровождаться конформационными изменениями белка. Есть несколько путей переноса веществ в этом случае: когда участвует один белок и когда участвуют несколько. Если участвует один белок(транслоказа), то он связывает вещество, потом сближается с другой стороной мембраны, отдаёт связанное вещество и возвращается в исходное состояние. Если участвуют несколько белков, то один связывается с веществом, потом передаёт его другому и так далее, пока вещество не дойдёт по цепи до противоположной стороны мембраны.

Пассивный транспорт обеспечивают также белки-каналы. Каналообразующие белки образуют в мембране водные поры, через которые (когда они открыты) могут проходить вещества. особые семейства каналообразующих белков (коннексины и паннексины) формируют щелевые контакты, через которые низкомолекулярные вещества могут транспортироваться из одной клетки в другую (через паннексины и в клетки из внешней среды).

Активный транспорт происходит против градиента концентрации и протекает с затратой энергии. В активном транспорте участвуют белки-переносчики. Энергия, которая требуется для осуществления активного транспорта, обычно получается транспортными белками при расщеплении АТФ. Один из наиболее изученных белков, осуществляющих активный транспорт — Na + /K + -аденозинтрифосфатаза. За полный цикл работы этого насоса в клетку попадают из внешней среды 3 иона Na + и выбрасывается наружу 2 иона K + .

Ещё один путь попадания веществ внутрь клетки — их поглощение путем эндоцитоза. В этом процессе также могут участвовать специальные транспортные белки. Например, гастромукопротеид (внутренний фактор Касла), который синтезируется в клетках слизистой оболочки желудка, обеспечивает поглощение путем эндоцитоза клетками подвздошной кишки витамина B12.

Перенос веществ внутри клетки

Этот перенос осуществляется между ядром и другими органоидами и цитоплазмой клетки. Например, перенос белков между ядром и цитоплазмой (ядерно-цитоплазматический транспорт) происходит благодаря ядерным порам, которые пронизывают двухслойную оболочку ядра. Они состоят примерно из тридцати белков — нуклеопоринов. Вещества переносятся из цитоплазмы в ядро клетки вместе с белками — транспортинами. Эти белки узнают вещества, предназначенные для транспорта в ядро, и связываются с ними. Затем этот комплекс белков заякоривается на белках ядерной поры и попадает в её канал, а затем в ядро. Там она связывается ещё с одним белком и распадается, а транспортины направляются обратно в цитоплазму.

Перенос белков из цитоплазмы к другим органоидам клетки происходит с помощью белков-переносчиков. В этом процессе участвуют также шапероны.

Также для транспортировки веществ внутри клеток используются микротрубочки — структуры, состоящие из белков тубулинов. По их поверхности могут передвигаться митохондрии и мембранные пузырьки с грузом (везикулы). Этот транспорт осуществляют моторные белки. Они делятся на два типа: цитоплазматические динеины и кинезины. Эти две группы белков различаются тем, от какого конца микротрубочки они перемещают груз: динеины от + -конца к — -концу, а кинезины в обратном направлении.

Перенос веществ по организму

Транспорт веществ по организму в основном осуществляется кровью. Кровь переносит гормоны, пептиды, ионы от эндокринных желез к другим органам, переносит конечные продукты метаболизма к органам выделения, переносит питательные вещества и ферменты, кислород и углекислый газ.

Наиболее известный транспортный белок, осуществляющий транспорт веществ по организму — это гемоглобин. Он переносит кислород и диоксид углерода по кровеносной системе от лёгких к органам и тканям. У человека около 15 % углекислого газа транспортируется к лёгким с помощью гемоглобина. В скелетных и сердечной мышцах перенос кислорода выполняется белком, который называется миоглобин.

В плазме крови всегда находятся транспортные белки — сывороточные альбумины. Жирные кислоты, например, транспортируются альбуминами сыворотки крови. Кроме того, белки группы альбуминов, например, транстиретин, транспортируют гормоны щитовидной железы. Также важнейшей транспортной функцией альбуминов является перенос билирубина, желчных кислот, стероидных гормонов, лекарств (аспирин, пенициллины) и неорганических ионов.

Другие белки крови — глобулины переносят различные гормоны, липиды и витамины. Транспорт ионов меди в организме осуществляет глобулин — церулоплазмин, транспорт ионов железа — белок трансферрин, транспорт витамина B12 — транскобаламин.

Транспорт питательных веществ – это процесс прохождения веществ из окружающей среды через цитоплазматическую мембрану (ЦПМ) в бактериальную клетку [1] .

Выделяют несколько типов транспортных систем, которые позволяют различным веществам преодолевать преграду цитоплазматической мембраны (ЦПМ) и попадать внутрь клетки микроорганизма. Это пассивная диффузия, облегченная диффузия, активный транспорт. Отмечается, что только активный транспорт способствует аккумуляции (накоплению) веществ внутри клетки [1] .

Схема процесса пассивной диффузии

Пассивная диффузия

Пассивная или простая диффузия – неспецифический процесс. Он происходит за счет разницы концентраций. Передвижение молекул осуществляется из более концентрированного раствора в менее концентрированный (по градиенту их концентрации).Этот процесс не связан с затратой энергии. Таким путем в клетку попадают низкомолекулярные вещества: кислород, липофильные соединения (спирты, жирные кислоты), вода, яды и другие, чужеродные для клетки вещества. Таким же образом происходит удаление продуктов обмена. Скорость перемещения веществ путем пассивной диффузии невелика и зависит от размеров транспортирующихся молекул [4] [3] .

Схема процесса облегченной диффузии

Облегченная диффузия

Облегченная диффузия – перенос веществ через цитоплазматическую мембрану по градиенту их концентрации с участием пермеаз (транслоказ) – специфических мембранных белков, способствующих прохождению веществ через цитоплазматическую мембрану [3] [1] .

Параллельно отмечается, что облегченная диффузия более характерна для эукариотических организмов [4] .

Схема активного транспорта

Активный транспорт

Активный транспорт является основным механизмом избирательного переноса вещества через цитоплазматическую мембрану в клетку против градиента концентрации. Этот процесс протекает при участии локализованных в цитоплазматической мембране переносчиков – пермеаз. Это вещества белковой природы, высокочувствительные к субстрату [3] .

Активным транспортом в цитоплазму бактериальной клетку поступает подавляющее большинство разнообразных веществ (ионы, углеводы, аминокислоты, липиды) [4] .

Для активного транспорта необходимы затраты энергии. Ее получают в виде АТФ, либо за счет протондвижущей силы энергизованной мембраны [3] .

У многих микробов, чаще у грамотрицательных бактерий, в активном транспорте принимают участие связующие белки. Эти вещества не входят в структуру мембраны, не идентичны пермеазам. Они локализованы в периплазматическом пространстве. Связующие белки не имеют каталитической активности, но обладают высоким сродством к определенным питательным веществам, аминокислотам, углеводам, неорганическим ионам. Выделено и изучено более 100 различных связующих белков [3] .

Активный транспорт осуществляется двумя путями:

Без химической модификации переносимого вещества [4] .
С химической модификацией переносимого вещества [4] .

Во втором случае наблюдается следующие последовательные процессы:

Отмечается, что молекулы субстрата аккумулируются в цитоплазме клеток и теряют способность выйти из них именно за счет фосфорилирования [4] .

Отдельные авторы второй путь активного транспорта (с химической модификацией переносимого вещества) выделяют в отдельный (четвертый) способ транспорта питательных веществ – транслокацию (перенос) групп (радикалов) [1] [3] .