какая кислотность внутренней среды клетки

СОДЕРЖАНИЕ

Гомеостаз

В органеллах

Уровень pH в конкретной органелле зависит от ее конкретной функции.

Например, лизосомы имеют относительно низкий pH 4,5. Кроме того, методы флуоресцентной микроскопии показали, что фагоциты также имеют относительно низкий внутренний pH. Поскольку обе эти органеллы являются деградирующими органеллами, которые поглощают и расщепляют другие вещества, им требуется высокая внутренняя кислотность для успешного выполнения своей предполагаемой функции.

В отличие от относительно низкого pH внутри лизосом и фагоцитов, митохондриальный матрикс имеет внутренний pH около 8,0, что примерно на 0,9 единицы pH выше, чем внутри межмембранного пространства. Поскольку окислительное фосфорилирование должно происходить внутри митохондрий, это несоответствие pH необходимо для создания градиента через мембрану. Именно этот мембранный потенциал позволяет митохондриям вырабатывать большое количество АТФ.

Измерение

Существует несколько распространенных способов измерения внутриклеточного pH (pHi), в том числе с помощью микроэлектрода, красителя, чувствительного к pH, или с помощью методов ядерного магнитного резонанса. Для измерения pH внутри органелл можно использовать метод, использующий pH-чувствительные зеленые флуоресцентные белки (GFP).

В целом, у всех трех методов есть свои преимущества и недостатки. Использование красителей, возможно, является самым простым и достаточно точным, в то время как ЯМР представляет собой проблему относительно меньшей точности. Кроме того, использование микроэлектрода может быть проблематичным в ситуациях, когда клетки слишком малы или целостность клеточной мембраны не должна нарушаться. GFP уникальны тем, что они обеспечивают неинвазивный способ определения pH внутри различных органелл, но этот метод не является наиболее точным в количественном отношении способом определения pH.

Микроэлектрод

Микроэлектродный метод измерения pHi заключается в помещении очень маленького электрода в цитозоль клетки, проделывая очень маленькое отверстие в плазматической мембране клетки. Поскольку внутри микроэлектрода находится жидкость с высокой концентрацией H + по сравнению с внешней стороной электрода, возникает потенциал из-за несоответствия pH внутри и снаружи электрода. По этой разнице напряжений и заранее определенному pH жидкости внутри электрода можно определить внутриклеточный pH (pHi) интересующей клетки.

Флуоресцентная спектроскопия

Ядерный магнитный резонанс

В дополнение к использованию pH-чувствительных электродов и красителей для измерения pHi, спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) также может использоваться для количественного определения pHi. ЯМР, как правило, выявляет информацию о внутренней части клетки, помещая клетку в среду с сильным магнитным полем. На основании соотношения между концентрациями протонированных и депротонированных форм фосфатных соединений в данной клетке можно определить внутренний pH клетки. Кроме того, ЯМР также можно использовать для выявления присутствия внутриклеточного натрия, который также может предоставить информацию о pHi.

С помощью ЯМР-спектроскопии было определено, что лимфоциты поддерживают постоянный внутренний pH 7,17 ± 0,06, хотя, как и все клетки, внутриклеточный pH изменяется в том же направлении, что и внеклеточный pH.

pH-чувствительные GFP

Чтобы определить pH внутри органелл, pH-чувствительные GFP часто используются как часть неинвазивного и эффективного метода. Используя кДНК в качестве матрицы вместе с соответствующими праймерами, ген GFP может быть экспрессирован в цитозоле, а продуцируемые белки могут нацеливаться на определенные области внутри клетки, такие как митохондрии, аппарат Гольджи, цитоплазма и эндоплазматический ретикулум. Если в этих экспериментах используются определенные мутанты GFP, которые очень чувствительны к pH во внутриклеточной среде, относительное количество результирующей флуоресценции может показать приблизительный pH окружающей среды.

Источник

Буферность и кислотность

1. Буферность — свойство клетки поддерживать определенный уровень концентрации ионов водорода (pH).

2. В клетке сохраняется слабощелочная реакция — 7,2.

3. Буферным называют такой раствор, в котором содержится смесь какой-либо слабой кислоты и ее растворимой соли.

4. Механизм поддержания кислотности таков — когда в клетке увеличивается кислотность, анионы, источником которых служит соль, соединяются с ионами водорода и устраняют их из раствора. Если же кислотность снижается, ионы водорода высвобождаются.

Кислотность в клетке

1. В процессе жизнедеятельности в клетке возникают разнообразные соединения, в том числе кислоты и щелочи. Значения pH ниже 7 указывают на кислый раствор, значения выше делают раствор щелочным.

2. Шкала кислотности включает значения от 0 до 14. Эта шкала логарифмическая — изменения pH на одну единицу соответствует изменению концентрации ионов водорода в 10 раз.

3. Важно запомнить, что буферные свойства цитоплазмы зависят от концентрации анионов слабых кислот. При большом количестве анионов они легко могут удалить протоны водорода и понизить кислотность в клетке.

Фосфатная буферная система

2. Главная роль фосфатной буферной системы состоит в том, что она поддерживает кислотно-щелочной баланс в просвете канальцев почки, а также внутриклеточной жидкости.

3. Фосфатов вообще больше внутри клетки, чем вне ее. Эта буферная система имеет мало отношения к внеклеточной жидкости.

Бикарбонатная буферная система

Содержание химических соединений в клетке

1. На первом месте по массе в процентах на сырую массу стоит вода — 75–85 процентов.

2. Далее идут белки — 10–20 процентов, жиры — 1–5 процентов, углеводы — 0,2–2 процента.

3. При потере части воды организмы могут утрачивать признаки жизни — такое состояние называется анабиозом. При улучшении условий они могут снова стать активными. Гибель организмов происходит при потере значительной части воды.

Источник

«Пробиотическая» кислотность

ОПТИМАЛЬНАЯ КИСЛОТНОСТЬ ДЛЯ РОСТА И РАЗВИТИЯ ПОЛЕЗНОЙ МИКРОФЛОРЫ и УГНЕТЕНИЯ УСЛОВНО-ПАТОГЕННОЙ

Кислотность (лат. aciditas) — характеристика активности ионов водорода в растворах и жидкостях.

Водородный показатель pH

рН = — lg (а_Н).

Растворы и жидкости в отношении их кислотности считаются:

• нейтральными при рН = 7

• кислыми при pH

• щелочными при рН > 7

Большинство микроорганизмов развивается при нейтральной или слабощелочной реакции среды. Есть среди бактерий кислотоустойчивые, например, молочнокислые, и некоторые уксуснокислые бактерии.

При подкислении среды до рН 4 развитие большинства бактерий практически прекращается. К колебаниям рН в пределах от 6 до 9 бактерии сравнительно малочувствительны.

Например, исследованные штаммы пропионовокислых бактерий Propionibacterium freudenreichii subsp freudereichii АС-2500, P. cyclohexanicum Kusano АС-2259, P. freudenreichii subsp. shemanii AC–2503, P. cyclohexa-nicum Kusano АС-2260, P. freudenreichii subsp. shermanii – КМ 186. проявили устойчивость к высокой концентрации желчи (40%), NaCl (6%) и развивались в среде с низким рН (4,5), что указывает на высокую выживаемость данных культур в неблагоприятных условиях ЖКТ человека.

Кислотность… Некоторые заблуждения

Если кто-то из пациентов говорит, что у него «нулевая кислотность», то это не более, чем оборот речи, означающий, скорее всего, что у него нейтральное значение кислотности (рН=7). В организме человека величина кислотности не может быть меньше 0,86 рН. Также распространено заблуждение, что величины кислотности могут быть только в диапазоне от 0 до 14 pH. В технике возможна кислотность и отрицательная, и больше 20.

Когда говорят о кислотности кого-либо органа, важно при этом понимать, что часто в различных частях органа кислотность может значительно отличаться. Кислотность содержимого в просвете органа и кислотность на поверхности слизистой оболочки органа также часто бывает не одинаковой. Для слизистой оболочки тела желудка характерно, что кислотность на поверхности слизи, обращенной в просвет желудка кислотность 1,2–1,5 рН, а на стороне слизи, обращённой к эпителию — нейтральная (7,0 рН).

Кислотность в желудке. Повышенная и пониженная кислотность

Кислотность в кишечнике

Нормальная кислотность в луковице двенадцатиперстной кишки 5,6–7,9 рН. Кислотность в тощей и подвздошной кишках нейтральная или слабощелочная и находится в пределах от 7 до 8 рН. Кислотность сока тонкой кишки 7,2–7,5 рН. При усилении секреции достигает 8,6 рН. Кислотность секрета дуоденальных желез — от рН от 7 до 8 рН.
Кислотность сока толстой кишки 8,5–9,0 рН.

Кислотность кала

Кислотность кала здорового человека, питающегося смешанной пищей обусловлена жизнедеятельность микрофлоры толстой кишки и равна 6,8–7,6 рН. Нормальной считается кислотность кала в диапазоне от 6,0 до 8,0 рН. Кислотность мекония (первородного кала новорожденных) — около 6 рН. Отклонения от нормы при кислотности кала:

Таблица 1. Величины кислотности некоторых распространенных продуктов и чистой воды при разной температуре

Источник

Физиология и нарушения кислотно-основного состояния (методические материалы к практическим и семинарским занятиям)

Информация

Справочное пособие содержит информацию о физиологии кислотно- основного состояния (КОС). Представлена информация о методах лабораторной диагностики нарушений КОС. Перечислены варианты нарушений и методы коррекции. Предназначается для врачей всех специальностей, курсантов ФПК и студентов медвузов.

Физиология кислотно-основного состояния

В норме сильных кислот образуется 50 – 100 ммоль/сутки. При избыточном образовании они вызывают тяжелые нарушения. Это происходит при анаэробном окислении глюкозы.

В норме окисление глюкозы происходит аэробно: С₆Н₁₂О₂ + 6О₂ = 6Н₂О + 6СО₂ + 38 АТФ

Рис. 1. Доставка 0₂ к тканям и первые стадии элиминации CO₂

Рис. 2. В легких бикарбонат снова превращается в С0₂ и выводится

Транспорт кислорода из легких к тканям и из тканей к легким обусловлен изменениями, которые воздействуют на сродство кислорода к гемоглобину. На уровне тканей из-за снижения рН это сродство уменьшается (эффект Бора) и вследствие этого улучшается отдача кислорода. В крови легочных капилляров сродство гемоглобина к кислороду увеличивается из-за снижения рС0₂ и возрастания рН по сравнению с аналогичными показателями венозной крови, что приводит к повышению насыщения артериальной крови кислородом.

Первичные изменения КЩС и компенсаторные реакции

Источник

Какая кислотность внутренней среды клетки

• pH внутриклеточной среды и объем клетки поддерживаются за счет процессов Na+/Н+-обмена.

Как отмечалось в предыдущем разделе, многие транспортные белки используют энергию трансмембранного градиента Na+ для перемещения ионов и других метаболитов через плазматическую мембрану.

Nа+/Н+-обменники и Nа+/НСO3—котранспортеры помогают поддерживать необходимый кислотно-щелочной баланс внутри и вне клетки. Наиболее важной буферной системой во внеклеточной среде, например в плазме, является обменная система бикарбонат/двуокись углерода, которая функционирует при участии фермента карбоангидразы.

Обычно кровь обладает слабощелочным значением pH (7,4), которое находится под эффективным контролем, поскольку функциональная активность многих клеток и белков существенным образом зависит от величины pH.

Модели, описывающие транспорт бикарбоната через эпителиальные клетки в почках и поджелудочной железе.

Легкие и почки относятся к органам, принимающим участие в поддержании кислотно-щелочного равновесия плазмы за счет процессов экскреции летучих (СO2) и нелетучих кислот. Почки контролируют pH крови за счет регуляции транспорта НСO3- через эпителиальные клетки, выстилающие начало проксимального канальца.

В этих клетках существуют два источника СO2: диффузия через мембрану и синтез с участием специфических ферментов. В проксимальных канальцах карбоангидраза катализирует образование Н2O и СO2 из НСO3- и Н+. Двуокись углерода свободно диффундирует в эпителиальные клетки проксимальных канальцев, где происходит синтез НСO3- и Н+ из Н2O и СO2 с участием карбоангидразы. Таким образом, секреция протонов (кислоты) в почечный фильтрат (мочу) за счет Nа+2/Н+-обменника апикальной мембраны (NHE) сочетается с транспортом в кровь равного количества эквивалентов бикарбоната через Na+/НСO3-котранспортер, находящийся в базолатеральной мембране проксимального канальца.

Такой сопряженный выход из клетки ионов Н+ и НСO3- не сопровождается изменениями электрического заряда и представляет собой важный механизм выделения в мочу нелетучих кислых эквивалентов; он служит важным звеном гомеостаза. Суммарный эффект заключается в реабсорбции бикарбоната из фильтрата плазмы в виде СO2, который затем, как НСO3-, транспортируется в плазму через апикальную мембрану.

В то же время NHE в проксимальном канальце способствует реабсорбции ионов Na+ из плазматического фильтрата, после чего они транспортируются назад, в плазму. Ключевым элементом, регулирующим кислотность и реабсорбцию в проксимальном канальце, является Na+/К+-АТФаза.

Суммируя вышесказанное отметим, что экскреция Н+ и вход в клетку Na+ через апикальную мембрану происходят с участием специфических симпортеров и антипортеров.

В отличие от почек эпителиальные клетки поджелудочной железы и других секреторных органов секретируют бикарбонат через апикальную мембрану. В клетках секреторных органов за счет градиента ионов Na+ происходит котранспорт НСO3- в стехиометрическом отношении 1 Na+ на 1 или более НСO3-.

Панкреато-дуоденальная секреция бикарбоната играет важную роль в буферизации кислотной среды, создающейся за счет желудка, а также в активации важнейших пищеварительных ферментов.

Предполагаемое строение Na+/HCO3—котранспортеров.

Na+/Н+-обменник представляет собой интегральный мембранный белок плазматической мембраны и внутриклеточных органелл. Наряду с ролью, которую он играет в поддержании внутриклеточного pH, этот обменник участвует в регуляции объема клетки, осуществляет системный контроль за электролитами, метаболизмом кислот и гомеостазом жидкостей организма. Na+/Н+-обменник катализирует транспорт ионов Na+ и Н+ в направлении их концентрационных градиентов. Он является вторичным активным переносчиком.

Градиент ионов натрия, направленный в клетку и образованный за счет функционирования Na+/К+-АТФазы плазматической мембраны, обеспечивает продвижение протонов в обратном направлении со стехиометрией 1 Na+ на 1 Н+. Поток ионов натрия через мембрану регулирует клеточный объем и поглощение солей и воды через эпителиальные клетки.

Регуляция функционирования Nа+/Н+-обменников осуществляется при изменении внутриклеточного pH и под действием различных внешних стимулов, например ростовых факторов, гормонов, а также механических стимулов, например осмотического стресса и распластывания клеток.

В физиологических условиях в результате деятельности Nа+/Н+-обменника плазматической мембраны удаляется избыток кислот, накопленный за счет метаболизма и за счет их поступления извне. Вместе с бикарбонат-транспортной системой Nа+/Н+-обменники играют критическую роль в поддержании кислотно-щелочного равновесия в цитоплазме.

Изоформа 1 Nа+/Н+-обменника (NHE1) рассматривается как прототип обменника плазматической мембраны клеток млекопитающих; другие изоформы отличаются уровнем тканевой экспрессии и характером локализации в мембране.

Все изоформы Nа+/Н+-обменника имеют общее строение. Компьютерное моделирование вторичной структуры позволило предположить, что изоформы состоят из 12 встроенных в мембрану и сходно расположенных N-концевых сегментов с консервативной структурой и из более вариабельных по структуре С-концевых областей, содержащих многочисленные сайты фосфорилирования и способных связывать регуляторные белки и медиаторы. Предполагается, что N-терминальный трансмембранный домен содержит каталитическую коровую структуру, принимающую участие в обмене Na+/H+.

Большая петля, частично расположенная в мембране, а частично вне клетки (R-петля), между трансмембранными сегментами 9 и 10, напоминает структуру поровой петли К+-каналов и, вероятно, является составным элементом транспортного пути ионов. Два Na+/H+ белковых обменника могут образовывать гомодимерную структуру.

Бактерии обладают Nа+/Н+-белками-обменниками, которые для выведения Na+ в обмен на поток Н+ в клетку используют энергию электрохимического градиента Н+ по сторонам мембраны.

В клетках Escherichia coli основным Nа+/Н+-обменником является NhaA, который регулирует содержание в клетке ионов Na+ и значение pH и обеспечивает выживаемость бактерий в условиях засолености или щелочности окружающей среды. NhaA существует в цитоплазматической мембране в виде димера, и каждый мономер состоит из 12 трансмембранных сегментов.

Предполагаемое строение изоформы 1 Na+/Н+-обменника (NHE1).
Функция NHE1 регулируется несколькими путями. Показано связывание карбоангидразы II, которое приводит к стимуляции транспортной активности NHE1.
Слева показано направление Na+- и Н+-градиента по сторонам плазматической мембраны клеток животных.

На рисунке ниже представлена кристаллическая структура мономера NhaA в неактивной конформации, которая характерна для кислых значений pH. По обеим сторонам мембраны белок имеет воронкообразные поверхности, которые выстилаются отрицательно заряженными остатками аминокислот, притягивающими катионы.

В центре мембраны расположены аминокислоты Asp163 и Asp164, образующие сайт связывания Na+. При кислых значениях pH только Asp164 оказывается на пути потока ионов, и транспорт в цитоплазму блокируется спиралью Х1р.

Вероятно, что транспорт Na+ и Н+ с участием NhaA происходит по механизму попеременного доступа. Согласно предложенной модели, изменение pH цитоплазмы в щелочную сторону индуцирует изменения конформации спирали IX, что, в свою очередь, вызывает реориентацию спиралей ХIр и IVc.

При этом открываются сайты связывания Na+ и снимается цитоплазматический барьер. Связывание Na+ с цитоплазматической стороны приводит к небольшим дополнительным изменениям конформации спиралей ХIр и IVc, закрытию обменника со стороны цитоплазмы, и к выходу Na+ в периплазму.

После высвобождения Na+ с периплазматической (внеклеточной) стороны должно произойти протонирование Asp163 и Asp164, что приводит к конформационным изменениям, в результате которых сайт связывания Na+ открывается со стороны цитоплазмы, где должно происходить депротонирование остатков аспартата.

Изменение активности Nа+/Н+-обменника в клетках человека является причиной развития некоторых заболеваний, таких как гипертония, диарея, диабет, а также тканевых повреждений, вызванных ишемией (за счет прекращения или замедления кровотока).

Развитие ишемии мозга или миокарда приводит к увеличению интенсивности Na+/Н+-обмена. Это вызывает повышение концентрации внутриклеточного Na+ и вторичное увеличение содержания внутриклеточного Са2+, что обусловлено активацией Na+/Са2+-обменника в обратном режиме.

Перегрузка клетки Са2+ вызывает каскад процессов, которые приводят к сердечной аритмии, или к изменениям нервной ткани после инсульта. Ингибирование активности Na+/Н+-обменника препаратами может оказаться благоприятным при ишемии или после нее и широко исследуется в качестве подхода к лечению некоторых заболеваний.

Схематическое строение и модель рентген-анализа структуры бактериального Na+/Н+-обменника, NhaA, объясняющие транслокацию Na+/H+ и механизм регуляции pH.
Кристаллическая структура представлена белками. Остатки, изменения в которых влияют на регуляцию pH и транспорт катионов, показаны вместе с боковыми цепями.
Схематическая модель транслокации, функционирующая по принципу попеременного доступа, построена на основании структурных данных.
Показаны градиенты Na+ и Н+ по сторонам мембраны. Модель построена на основании данных Protein Data Bank file 1ZCD.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Источник