Membranski potencijal neurona u mirovanju je jednak. Stvaranje membranskog potencijala mirovanja
Na + /K + pumpa ili Na + /K + ATPaza također je, poput ionskih kanala, kompleks integralnih membranskih proteina koji ne samo da mogu otvoriti put ionima za kretanje duž gradijenta, već i aktivno pomicati ione protiv koncentracijskog gradijenta . Radni mehanizam pumpe prikazan je na slici 8.
Proteinski kompleks je u stanju E1, u tom stanju pumpa je osjetljiva na natrijeve ione i sa citoplazmatske strane 3 natrijeva iona vežu se na enzim
Nakon vezanja natrijevih iona, ATP se hidrolizira i oslobađa energija, neophodan za transport iona protiv koncentracijskog gradijenta oslobađa se ADP anorganski fosfat (zbog čega se pumpa naziva Na + /K + ATPaza).
Crpka mijenja konformaciju i ulazi u stanje E2. U tom slučaju, vezna mjesta za natrijeve ione okrenuta su prema van. U tom stanju pumpa ima nizak afinitet za natrij i ioni se otpuštaju u izvanstanični okoliš.
U E2 konformaciji enzim ima veliki afinitet za kalij i veže 2 iona.
Kalij se prenosi, otpušta u unutarstanični okoliš i pripaja se molekula ATP-a - pumpa se vraća u E1 konformaciju, ponovno dobiva afinitet prema natrijevim ionima i uključuje se u novi ciklus.
Slika 8 Mehanizam djelovanja Na + /K + ATPaze
Imajte na umu da Na+/K+ pumpa nosi 3 natrijev ion iz stanice u zamjenu za 2 kalijev ion. Stoga je pumpa elektrogeni: Ukupno se u jednom ciklusu iz ćelije ukloni jedan pozitivan naboj. Transportni protein obavlja 150 do 600 ciklusa u sekundi. Budući da je rad crpke višestupanjska kemijska reakcija, ona, kao i sve kemijske reakcije, uvelike ovisi o temperaturi. Druga karakteristika pumpe je prisutnost razine zasićenja, što znači da se brzina pumpe ne može neograničeno povećavati kako se povećava koncentracija transportiranih iona. Nasuprot tome, tok tvari koja pasivno difuzira raste proporcionalno razlici koncentracije.
Osim Na + /K + pumpe, membrana sadrži i kalcijsku pumpu; ova pumpa pumpa ione kalcija iz stanice. Kalcijeva pumpa prisutna je u vrlo visokoj gustoći u sarkoplazmatskom retikulumu mišićnih stanica. Cisterne retikuluma nakupljaju ione kalcija kao rezultat razgradnje molekule ATP-a.
Dakle, rezultat Na + /K + pumpe je transmembranska razlika u koncentracijama natrija i kalija. Naučite koncentracije natrija, kalija i klora (mmol/l) izvan i unutar stanice!
Koncentracija iona unutar i izvan stanice
Dakle, postoje dvije činjenice koje treba uzeti u obzir kako bi se razumjeli mehanizmi koji održavaju potencijal membrane u mirovanju.
1 . Koncentracija iona kalija u stanici znatno je veća nego u izvanstaničnom okolišu. 2 . Membrana u mirovanju je selektivno propusna za K +, a za Na + je propusnost membrane u mirovanju beznačajna. Ako uzmemo da je propusnost za kalij 1, tada je propusnost za natrij u mirovanju samo 0,04. Stoga, postoji stalan protok iona K + iz citoplazme duž koncentracijskog gradijenta. Struja kalija iz citoplazme stvara relativni nedostatak pozitivnih naboja na unutarnjoj površini; stanična membrana je neprobojna za anione, kao rezultat, stanična citoplazma postaje negativno nabijena u odnosu na okolinu koja okružuje stanicu. Ova razlika potencijala između stanice i izvanstaničnog prostora, polarizacija stanice, naziva se membranski potencijal mirovanja (RMP).
Postavlja se pitanje: zašto se protok iona kalija ne nastavi dok se koncentracije iona izvan i unutar stanice ne uravnoteže? Treba imati na umu da je ovo nabijena čestica, stoga njezino kretanje također ovisi o naboju membrane. Unutarstanični negativni naboj, koji nastaje zbog protoka kalijevih iona iz stanice, sprječava izlazak novih kalijevih iona iz stanice. Tijek kalijevih iona prestaje kada djelovanje električnog polja kompenzira kretanje iona duž koncentracijskog gradijenta. Posljedično, za određenu razliku u koncentracijama iona na membrani nastaje takozvani POTENCIJAL RAVNOTEŽE za kalij. Ovaj potencijal (Ek) jednak je RT/nF *ln Koutside/Kinside, (n je valencija iona.) ili
Ek=61,5 log Kvani / Kiznutra
Membranski potencijal (MP) uvelike ovisi o ravnotežnom potencijalu kalija, no neki ioni natrija ipak prodiru u stanicu u mirovanju, kao i ioni klora. Dakle, negativni naboj stanične membrane ovisi o ravnotežnim potencijalima natrija, kalija i klora i opisuje se Nernstovom jednadžbom. Prisutnost ovog potencijala membrane u mirovanju iznimno je važna jer određuje sposobnost stanice za ekscitaciju – specifičan odgovor na podražaj.
Obavljanje osnovnih funkcija neurona - stvaranje, provođenje i prijenos živčanih impulsa - postaje moguće prvenstveno zato što se koncentracija određenog broja iona unutar i izvan stanice značajno razlikuje. Ovdje su najvažniji ioni K+, Na+, Ca2+, Cl-. U stanici je 30-40 puta više kalija nego izvana, a oko 10 puta manje natrija. Osim toga, u stanici ima mnogo manje iona klora i slobodnog kalcija nego u međustaničnom okruženju.
Razlika u koncentraciji natrija i kalija nastaje posebnim biokemijskim mehanizmom tzv natrij-kalijeva pumpa. To je proteinska molekula ugrađena u membranu neurona (slika 6) i provodi aktivni transport iona. Koristeći energiju ATP-a (adenozin trifosforne kiseline), takva pumpa mijenja natrij za kalij u omjeru 3:2. Za prijenos tri iona natrija iz stanice u okolinu i dva iona kalija u suprotnom smjeru (tj. protiv koncentracijski gradijent), energija jedne molekule je potrebna ATP.
Kada neuroni sazrijevaju, u njihovu membranu se ugrađuju natrij-kalijeve pumpe (na 1 µm2 može se smjestiti do 200 takvih molekula), nakon čega se ioni kalija pumpaju u živčanu stanicu, a ioni natrija uklanjaju iz nje. Zbog toga se koncentracija iona kalija u stanici povećava, a natrija smanjuje. Brzina ovog procesa može biti vrlo velika: do 600 iona Na+ u sekundi. U pravim neuronima to je prvenstveno određeno dostupnošću unutarstaničnog Na+ i naglo se povećava kada prodre izvana. U nedostatku bilo koje od dvije vrste iona, pumpa se zaustavlja, budući da se može nastaviti samo kao proces izmjene unutarstaničnog Na+ za izvanstanični K+.
Slični transportni sustavi postoje za ione Cl- i Ca2+. U tom se slučaju ioni klora uklanjaju iz citoplazme u međustanični okoliš, a ioni kalcija obično se prenose unutar staničnih organela - mitohondrija i kanala endoplazmatskog retikuluma.
Da biste razumjeli procese koji se odvijaju u neuronu, morate znati da u staničnoj membrani postoje ionski kanali, čiji je broj određen genetski. Ionski kanal- Ovo je rupa u posebnoj proteinskoj molekuli ugrađenoj u membranu. Protein može promijeniti svoju konformaciju (prostornu konfiguraciju), zbog čega je kanal u otvorenom ili zatvorenom stanju. Postoje tri glavne vrste takvih kanala:
— stalno otvoren;
- potencijalno ovisni (ovisni o naponu, elektroosjetljivi) - kanal se otvara i zatvara ovisno o transmembranskoj razlici potencijala, t.j. razlika potencijala između vanjske i unutarnje površine citoplazmatske membrane;
- kemoovisni (ovisni o ligandu, kemosenzitivni) - kanal se otvara ovisno o učinku na njega određene tvari specifične za svaki kanal.
Tehnologija mikroelektroda koristi se za proučavanje električnih procesa u živčanoj stanici. Mikroelektrode omogućuju snimanje električnih procesa u jednom pojedinačnom neuronu ili živčanom vlaknu. Obično su to staklene kapilare s vrlo tankim vrhom promjera manjeg od 1 mikrona, ispunjene otopinom koja provodi električnu struju (na primjer, kalijev klorid).
Ako instalirate dvije elektrode na površinu ćelije, tada se između njih ne bilježi razlika potencijala. Ali ako jedna od elektroda probije citoplazmatsku membranu neurona (tj. vrh elektrode je u unutarnjem okruženju), voltmetar će zabilježiti skok potencijala na približno -70 mV (slika 7). Taj se potencijal naziva membranski potencijal. Može se zabilježiti ne samo u neuronima, već iu manje izraženom obliku u drugim stanicama tijela. Ali samo u živčanim, mišićnim i žljezdanim stanicama može se membranski potencijal promijeniti kao odgovor na djelovanje podražaja. U tom se slučaju naziva membranski potencijal stanice na koju ne djeluje nikakav podražaj potencijal mirovanja(PP). Vrijednost PP razlikuje se u različitim živčanim stanicama. Kreće se od -50 do -100 mV. Što uzrokuje pojavu ovog PP-a?
Početno (prije razvoja PP) stanje neurona može se okarakterizirati kao lišeno unutarnjeg naboja, tj. broj kationa i aniona u staničnoj citoplazmi je zbog prisutnosti velikih organskih aniona, za koje je membrana neurona nepropusna. U stvarnosti se takva slika opaža u ranim fazama embrionalnog razvoja živčanog tkiva. Zatim, kako sazrijeva, uključuju se geni koji pokreću sintezu trajno otvoreni K+ kanali. Nakon integracije u membranu, K+ ioni mogu difuzijom slobodno napustiti stanicu (gdje ih ima puno) u međustanični okoliš (gdje ih je puno manje).
Ali to ne dovodi do uravnoteženja koncentracija kalija unutar i izvan stanice, jer oslobađanje kationa dovodi do toga da u stanici ostaje sve više nekompenziranih negativnih naboja. To uzrokuje stvaranje električnog potencijala koji sprječava oslobađanje novih pozitivno nabijenih iona. Zbog toga se oslobađanje kalija nastavlja sve dok se ne uravnoteže sila koncentracijskog tlaka kalija, zbog kojeg on napušta stanicu, i djelovanje električnog polja koje to sprječava. Kao rezultat toga, između vanjskog i unutarnjeg okoliša stanice nastaje potencijalna razlika ili ravnotežni kalijev potencijal, koji je opisan Nernstova jednadžba:
EK = (RT / F) (ln [K+]o / [K+ ]i),
gdje je R plinska konstanta, T apsolutna temperatura, F Faradayev broj, [K+]o koncentracija kalijevih iona u vanjskoj otopini, [K+ ]i koncentracija kalijevih iona u stanici.
Jednadžba potvrđuje ovisnost, koja se može izvesti čak i logičnim razmišljanjem - što je veća razlika u koncentracijama kalijevih iona u vanjskom i unutarnjem okruženju, to je veći (u apsolutnoj vrijednosti) PP.
Klasične studije PP-a provedene su na ogromnim aksonima lignje. Promjer im je oko 0,5 mm, pa se bez problema može izvaditi cijeli sadržaj aksona (aksoplazma) i napuniti akson otopinom kalija čija koncentracija odgovara njegovoj intracelularnoj koncentraciji. Sam akson je stavljen u otopinu kalija u koncentraciji koja odgovara međustaničnom mediju. Nakon toga je zabilježen PP, koji se pokazao jednakim -75 mV. Pokazalo se da je ravnotežni kalijev potencijal izračunat korištenjem Nernstove jednadžbe za ovaj slučaj vrlo blizu onome dobivenog u eksperimentu.
Ali PP u aksonu lignje ispunjenom pravom aksoplazmom je otprilike -60 mV . Odakle razlika od 15 mV? Pokazalo se da u stvaranju PP-a nisu uključeni samo ioni kalija, već i ioni natrija. Činjenica je da osim kalijevih kanala, membrana neurona također sadrži trajno otvoreni natrijevi kanali. Ima ih mnogo manje od kalijevih, ali membrana ipak propušta malu količinu iona Na+ u stanicu, pa je u većini neurona PP –60-(-65) mV. Struja natrija također je proporcionalna razlici u njegovim koncentracijama unutar i izvan stanice - dakle, što je ta razlika manja, to je apsolutna vrijednost PP veća. Natrijeva struja također ovisi o samom PP. Osim toga, vrlo male količine Cl- iona difundiraju kroz membranu. Stoga se pri izračunu stvarnog PP Nernstova jednadžba nadopunjuje podacima o koncentracijama iona natrija i klora unutar i izvan ćelije. U ovom slučaju, izračunati pokazatelji ispadaju vrlo bliski eksperimentalnim, što potvrđuje ispravnost objašnjenja nastanka PP difuzijom iona kroz membranu neurona.
Dakle, konačna razina potencijala mirovanja određena je međudjelovanjem velikog broja čimbenika, od kojih su glavni K+, Na+ struje i aktivnost natrij-kalijeve pumpe. Konačna vrijednost PP rezultat je dinamičke ravnoteže ovih procesa. Utječući na bilo koji od njih, možete pomaknuti razinu PP i, sukladno tome, razinu ekscitabilnosti živčane stanice.
Kao rezultat gore opisanih događaja, membrana je stalno u stanju polarizacije - njena unutarnja strana je negativno nabijena u odnosu na vanjsku. Proces smanjenja potencijalne razlike (tj. smanjenja PP u apsolutnoj vrijednosti) naziva se depolarizacija, a njezino povećanje (povećanje PP u apsolutnoj vrijednosti) naziva se hiperpolarizacija.
Datum objave: 2015-10-09; Pročitano: 361 | Kršenje autorskih prava stranice
studopedia.org - Studopedia.Org - 2014-2018 (0,002 s)…
2–1. Potencijal membrane u mirovanju je:
1) razlika potencijala između vanjske i unutarnje površine stanične membrane u stanju funkcionalnog mirovanja *
2) karakteristična značajka samo stanica ekscitabilnih tkiva
3) brza fluktuacija naboja stanične membrane s amplitudom od 90-120 mV
4) razlika potencijala između pobuđenih i nepobuđenih dijelova membrane
5) razlika potencijala između oštećenih i neoštećenih područja membrane
2–2. U stanju fiziološkog mirovanja unutarnja površina membrane ekscitabilne stanice nabijena je u odnosu na vanjsku:
1) pozitivan
2) isto kao i vanjska površina membrane
3) negativno*
4) nema naknade
5) nema točnog odgovora
2–3. Pozitivan pomak (smanjenje) potencijala membrane u mirovanju zbog djelovanja podražaja naziva se:
1) hiperpolarizacija
2) repolarizacija
3) egzaltacija
4) depolarizacija*
5) statička polarizacija
2–4. Negativan pomak (povećanje) potencijala membrane u mirovanju naziva se:
1) depolarizacija
2) repolarizacija
3) hiperpolarizacija*
4) egzaltacija
5) reverzija
2–5. Silazna faza akcijskog potencijala (repolarizacija) povezana je s povećanjem propusnosti membrane za ione:
2) kalcij
2–6. Unutar stanice, u usporedbi s međustaničnom tekućinom, koncentracija iona je veća:
3) kalcij
2–7. Povećanje struje kalija tijekom razvoja akcijskog potencijala uzrokuje:
1) brza repolarizacija membrane*
2) depolarizacija membrane
3) preokret membranskog potencijala
4) naknadna depolarizacija
5) lokalna depolarizacija
2–8. S potpunom blokadom brzih natrijevih kanala stanične membrane opaža se sljedeće:
1) smanjena ekscitabilnost
2) smanjenje amplitude akcijskog potencijala
3) apsolutna vatrostalnost*
4) egzaltacija
5) depolarizacija u tragovima
2–9. Negativni naboj na unutarnjoj strani stanične membrane nastaje kao rezultat difuzije:
1) K+ iz stanice i elektrogena funkcija K-Na pumpe *
2) Na+ u stanicu
3) C1 – iz ćelije
4) Ca2+ u stanicu
5) nema točnog odgovora
2–10. Vrijednost potencijala mirovanja je blizu vrijednosti ravnotežnog potencijala iona:
3) kalcij
2–11. Faza rasta akcijskog potencijala povezana je s povećanjem propusnosti iona:
2) nema točnog odgovora
3) natrij*
2–12. Navedite funkcionalnu ulogu potencijala membrane u mirovanju:
1) njegovo električno polje utječe na stanje proteina kanala i membranskih enzima*
2) karakterizira povećanje ekscitabilnosti stanica
3) je osnovna jedinica kodiranja informacija u živčanom sustavu
4) osigurava rad membranskih pumpi
5) karakterizira smanjenje podražljivosti stanica
2–13. Sposobnost stanica da odgovore na podražaje specifičnom reakcijom, koju karakterizira brza, reverzibilna depolarizacija membrane i promjena u metabolizmu, naziva se:
1) razdražljivost
2) ekscitabilnost*
3) labilnost
4) vodljivost
5) automatski
2–14. Biološke membrane, sudjelujući u promjenama unutarstaničnog sadržaja i unutarstaničnim reakcijama zbog primanja izvanstaničnih biološki aktivnih tvari, obavljaju funkciju:
1) barijera
2) receptorsko-regulacijski*
3) prijevoz
4) diferencijacija stanica
2–15. Minimalna snaga podražaja potrebna i dovoljna da izazove odgovor naziva se:
1) prag*
2) nadpraga
3) submaksimalni
4) subliminalni
5) maksimum
2–16. Kako se prag stimulacije povećava, podražljivost stanica:
1) povećana
2) smanjeno*
3) nije se promijenio
4) tako je
5) nema točnog odgovora
2–17. Biološke membrane, sudjelujući u transformaciji vanjskih podražaja neelektrične i električne prirode u bioelektrične signale, prvenstveno obavljaju sljedeću funkciju:
1) barijera
2) regulatorni
3) diferencijacija stanica
4) prijevoz
5) stvaranje akcijskog potencijala*
2–18. Akcijski potencijal je:
1) stabilan potencijal koji se uspostavlja na membrani u ravnoteži dviju sila: difuzijske i elektrostatičke
2) potencijal između vanjske i unutarnje površine stanice u stanju funkcionalnog mirovanja
3) brza, aktivno propagirajuća, fazna oscilacija membranskog potencijala, praćena, u pravilu, punjenjem membrane*
4) neznatna promjena membranskog potencijala pod djelovanjem subthreshold podražaja
5) dugotrajna, ustajala depolarizacija membrane
2–19. Propusnost membrane za Na+ u fazi depolarizacije akcijskog potencijala:
1) naglo raste i pojavljuje se snažna natrijeva struja koja ulazi u stanicu*
2) naglo se smanjuje i pojavljuje se snažna natrijeva struja koja napušta stanicu
3) ne mijenja se bitno
4) tako je
5) nema točnog odgovora
2–20. Biološke membrane, sudjelujući u otpuštanju neurotransmitera u sinaptičkim završecima, primarno obavljaju sljedeću funkciju:
1) barijera
2) regulatorni
3) međustanična interakcija*
4) receptor
5) stvaranje akcijskog potencijala
2–21. Molekularni mehanizam koji osigurava uklanjanje iona natrija iz citoplazme i uvođenje iona kalija u citoplazmu naziva se:
1) naponski natrijev kanal
2) nespecifični natrij-kalijev kanal
3) kemoovisni natrijev kanal
4) natrij-kalijeva pumpa*
5) kanal curenja
2–22. Sustav za kretanje iona kroz membranu duž koncentracijskog gradijenta, Ne koji zahtijeva izravan utrošak energije naziva se:
1) pinocitoza
2) pasivni transport*
3) aktivni transport
4) upijanje
5) egzocitoza
2–23. Razina membranskog potencijala na kojoj se javlja akcijski potencijal naziva se:
1) potencijal membrane u mirovanju
2) kritična razina depolarizacije*
3) hiperpolarizacija u tragovima
4) nulta razina
5) depolarizacija u tragovima
2–24. S porastom koncentracije K+ u izvanstaničnom okolišu s potencijalom membrane u mirovanju u ekscitabilnoj stanici dogodit će se sljedeće:
1) depolarizacija*
2) hiperpolarizacija
3) transmembranska razlika potencijala se neće promijeniti
4) stabilizacija transmembranske razlike potencijala
5) nema točnog odgovora
2–25. Najznačajnija promjena pri izlaganju brzom blokatoru natrijevih kanala bit će:
1) depolarizacija (smanjenje potencijala mirovanja)
2) hiperpolarizacija (povećanje potencijala mirovanja)
3) smanjenje strmine faze depolarizacije akcijskog potencijala*
4) usporavanje faze repolarizacije akcijskog potencijala
5) nema točnog odgovora
3. OSNOVNE ZAKONITOSTI IRITACIJE
EXCITABILNO TKIVO
3–1. Zakon prema kojemu, s povećanjem snage podražaja, odgovor postupno raste dok ne dosegne maksimum, zove se:
1) "sve ili ništa"
2) jakost-trajanje
3) smještaj
4) moć (odnosi snaga)*
5) polarni
3–2. Zakon prema kojem ekscitabilna struktura reagira na stimulaciju praga i nadpraga maksimalnim mogućim odgovorom naziva se:
2) “sve ili ništa”*
3) jakost-trajanje
4) smještaj
5) polarni
3–3. Minimalno vrijeme tijekom kojeg struja jednaka dvostrukoj reobazi (dvostrukoj sili praga) uzrokuje pobudu naziva se:
1) korisno vrijeme
2) smještaj
3) prilagodba
4) kronaksija*
5) labilnost
3–4. Struktura se pokorava zakonu sile:
1) srčani mišić
2) jedno živčano vlakno
3) jedno mišićno vlakno
4) cijeli skeletni mišić*
5) pojedinačna živčana stanica
Struktura se pridržava zakona "Sve ili ništa":
1) cijeli skeletni mišić
2) živčano deblo
3) srčani mišić*
4) glatki mišići
5) živčani centar
3–6. Prilagodba tkiva na polagano rastući podražaj naziva se:
1) labilnost
2) funkcionalna pokretljivost
3) hiperpolarizacija
4) smještaj*
5) kočenje
3–7. Paradoksalnu fazu parabioze karakterizira:
1) smanjenje odgovora s povećanjem snage podražaja*
2) smanjenje odgovora kada se smanji snaga podražaja
3) povećanje odgovora s povećanjem snage podražaja
4) isti odgovor s povećanjem snage podražaja
5) nedostatak reakcije na bilo kakve jake podražaje
3–8. Prag iritacije je pokazatelj:
1) ekscitabilnost*
2) kontraktilnost
3) labilnost
4) vodljivost
5) automatizacija
Datum objave: 2015-04-08; Očitano: 2728 | Kršenje autorskih prava stranice
studopedia.org - Studopedia.Org - 2014-2018 (0,009 s)…
ULOGA AKTIVNOG TRANSPORTA IONA U STVARANJU MEMBRANSKOG POTENCIJALA
Jedna od prednosti "idealne" membrane koja dopušta bilo kojem ionu da prođe kroz nju je održavanje potencijala membrane onoliko dugo koliko je potrebno bez gubitka energije, pod uvjetom da je ion koji prodire u početku neravnomjerno raspoređen na obje strane membrane. U isto vrijeme, membrana živih stanica je propusna do jednog ili drugog stupnja za sve anorganske ione koji se nalaze u otopini koja okružuje stanicu. Stoga stanice moraju
Nekako održavamo unutarstaničnu koncentraciju iona na određenoj razini. Vrlo su indikativni u tom smislu natrijevi ioni, na primjeru njihove propusnosti u prethodnom odjeljku ispituje se odstupanje membranskog potencijala mišića od ravnotežnog kalijevog potencijala. Prema izmjerenim koncentracijama natrijevih iona izvan i unutar mišićne stanice, ravnotežni potencijal izračunat pomoću Nernstove jednadžbe za te ione bit će oko 60 mV, s predznakom plus unutar stanice. Membranski potencijal, izračunat pomoću Goldmanove jednadžbe i izmjeren pomoću mikroelektroda, iznosi 90 mV s predznakom minus unutar ćelije. Stoga će njegovo odstupanje od ravnotežnog potencijala za natrijeve ione biti 150 mV. Pod utjecajem tako visokog potencijala, čak i uz nisku propusnost, ioni natrija će ući kroz membranu i nakupljati se unutar stanice, što će u skladu s tim biti popraćeno oslobađanjem iona kalija iz nje. Kao rezultat ovog procesa, unutarstanične i izvanstanične koncentracije iona će se nakon nekog vremena izjednačiti.
Zapravo, to se ne događa u živoj stanici, budući da se natrijevi ioni neprestano uklanjaju iz stanice pomoću tzv. ionske pumpe. Pretpostavku o postojanju ionske pumpe iznio je R. Dean 40-ih godina 20. stoljeća. i bio je iznimno važan dodatak teoriji membrane o formiranju potencijala mirovanja u živim stanicama. Eksperimentalno je pokazano da se aktivno "ispumpavanje" Na+ iz stanice događa uz obavezno "ispumpavanje" iona kalija u stanicu (slika 2.8). Budući da je propusnost membrane za natrijeve ione mala, njihov će se ulazak iz vanjskog okoliša u stanicu odvijati sporo, stoga
Niska koncentracija K+ Visoka koncentracija Na++
pumpa će učinkovito održavati nisku koncentraciju natrijevih iona u stanici. Propusnost membrane za ione kalija u mirovanju je dosta visoka i oni lako difundiraju kroz membranu.
Za održavanje visoke koncentracije kalijevih iona ne treba trošiti energiju, ona se održava zahvaljujući nastaloj transmembranskoj razlici potencijala, mehanizmi njezina nastanka detaljno su opisani u prethodnim odjeljcima. Prijenos iona pomoću pumpe zahtijeva metaboličku energiju stanice. Izvor energije za ovaj proces je energija pohranjena u visokoenergetskim vezama ATP molekula. Energija se oslobađa zbog hidrolize ATP-a pomoću enzima adenozin trifosfataze. Vjeruje se da isti enzim izravno provodi transport iona. Sukladno strukturi stanične membrane, ATPaza je jedan od integralnih proteina ugrađenih u lipidni dvosloj. Posebna značajka enzima nosača je njegov visok afinitet prema ionima kalija na vanjskoj površini, odnosno prema ionima natrija na unutarnjoj površini. Učinak inhibitora oksidativnih procesa (cijanida ili azida) na stanicu, hlađenje stanice blokira hidrolizu ATP-a, kao i aktivni prijenos iona natrija i kalija. Ioni natrija postupno ulaze u stanicu, a ioni kalija izlaze iz nje, a kako se omjer [K+]o/[K+]- smanjuje, potencijal mirovanja polako će se smanjivati na nulu. Razgovarali smo o situaciji kada ionska pumpa uklanja jedan pozitivno nabijeni ion natrija iz intracelularnog okoliša i, sukladno tome, prenosi jedan pozitivno nabijen ion kalija iz izvanstaničnog prostora (omjer 1:1). U ovom slučaju kaže se da je ionska pumpa električki neutralan.
Istodobno je eksperimentalno otkriveno da u nekim živčanim stanicama ionska pumpa u istom vremenskom razdoblju uklanja više iona natrija nego što pumpa iona kalija (omjer može biti 3:2). U takvim slučajevima ionska pumpa je elektrogeni, T.
Phiziologia_Odgovor
Odnosno, ona sama stvara malu, ali konstantnu ukupnu struju pozitivnih naboja iz ćelije i dodatno doprinosi stvaranju negativnog potencijala unutar nje. Imajte na umu da dodatni potencijal stvoren uz pomoć elektrogene pumpe u ćeliji u mirovanju ne prelazi nekoliko milivolti.
Sažmimo podatke o mehanizmima nastanka membranskog potencijala - potencijala mirovanja u stanici. Glavni proces zbog kojeg se najveći dio potencijala s negativnim predznakom stvara na unutarnjoj površini stanične membrane je pojava električnog potencijala koji odgađa pasivni izlazak kalijevih iona iz stanice duž njezinog koncentracijskog gradijenta kroz kalijeve kanale - u-
 |
integralni proteini. Ostali ioni (primjerice natrijevi ioni) samo u maloj mjeri sudjeluju u stvaranju potencijala, budući da je propusnost membrane za njih puno manja nego za kalijeve ione, odnosno broj otvorenih kanala za te ione u stanju mirovanja je malo . Izuzetno važan uvjet za održavanje potencijala mirovanja je prisutnost u stanici (u staničnoj membrani) ionske pumpe (integralnog proteina), koja osigurava koncentraciju natrijevih iona unutar stanice na niskoj razini i time stvara preduvjete za glavni intracelularni ioni koji stvaraju potencijal čelični ioni kalija. Sama ionska pumpa može dati mali doprinos potencijalu mirovanja, ali pod uvjetom da je njen rad u ćeliji elektrogen.
Koncentracija iona unutar i izvan stanice
Dakle, postoje dvije činjenice koje treba uzeti u obzir kako bi se razumjeli mehanizmi koji održavaju potencijal membrane u mirovanju.
1 . Koncentracija iona kalija u stanici znatno je veća nego u izvanstaničnom okolišu. 2 . Membrana u mirovanju je selektivno propusna za K+, a za Na+ je propusnost membrane u mirovanju beznačajna. Ako uzmemo da je propusnost za kalij 1, tada je propusnost za natrij u mirovanju samo 0,04. Stoga, postoji stalan tok iona K+ iz citoplazme duž koncentracijskog gradijenta. Struja kalija iz citoplazme stvara relativni nedostatak pozitivnih naboja na unutarnjoj površini; stanična membrana je neprobojna za anione, kao rezultat, stanična citoplazma postaje negativno nabijena u odnosu na okolinu koja okružuje stanicu. Ova razlika potencijala između stanice i izvanstaničnog prostora, polarizacija stanice, naziva se membranski potencijal mirovanja (RMP).
Postavlja se pitanje: zašto se protok iona kalija ne nastavi dok se koncentracije iona izvan i unutar stanice ne uravnoteže? Treba imati na umu da je ovo nabijena čestica, stoga njezino kretanje također ovisi o naboju membrane. Unutarstanični negativni naboj, koji nastaje zbog protoka kalijevih iona iz stanice, sprječava izlazak novih kalijevih iona iz stanice. Tijek kalijevih iona prestaje kada djelovanje električnog polja kompenzira kretanje iona duž koncentracijskog gradijenta. Posljedično, za određenu razliku u koncentracijama iona na membrani nastaje takozvani POTENCIJAL RAVNOTEŽE za kalij. Ovaj potencijal (Ek) jednak je RT/nF *ln /, (n je valencija iona.) ili
Ek=61,5 log/
Membranski potencijal (MP) uvelike ovisi o ravnotežnom potencijalu kalija, no neki ioni natrija ipak prodiru u stanicu u mirovanju, kao i ioni klora. Dakle, negativni naboj stanične membrane ovisi o ravnotežnim potencijalima natrija, kalija i klora i opisuje se Nernstovom jednadžbom. Prisutnost ovog potencijala membrane u mirovanju iznimno je važna jer određuje sposobnost stanice za pobuđivanje - specifičan odgovor na podražaj.
Ekscitacija stanica
U uzbuđenje stanica (prijelaz iz stanja mirovanja u aktivno stanje) događa se kada se poveća propusnost ionskih kanala za natrij, a ponekad i za kalcij. Uzrok promjene propusnosti može biti promjena membranskog potencijala - aktiviraju se električki ekscitabilni kanali, te interakcija membranskih receptora s biološki aktivnom tvari - receptorom - kontroliranim kanalima, te mehaničko djelovanje. U svakom slučaju, za razvoj uzbuđenja potrebno je početna depolarizacija - lagano smanjenje negativnog naboja membrane, izazvana djelovanjem podražaja. Iritant može biti bilo koja promjena u parametrima vanjskog ili unutarnjeg okruženja tijela: svjetlost, temperatura, kemikalije (učinci na receptore okusa i mirisa), istezanje, pritisak. Natrij juri u stanicu, javlja se ionska struja i membranski potencijal se smanjuje - depolarizacija membrane.
Tablica 4
Promjena membranskog potencijala pri pobuđivanju stanice.
Imajte na umu da natrij ulazi u stanicu duž koncentracijskog gradijenta i električnog gradijenta: koncentracija natrija u stanici je 10 puta niža nego u izvanstaničnom okruženju, a naboj u odnosu na izvanstanični je negativan. Istodobno se aktiviraju i kalijevi kanali, ali se natrijevi (brzi) kanali aktiviraju i deaktiviraju unutar 1 - 1,5 milisekundi, a kalijevi dulje.
Promjene membranskog potencijala obično se prikazuju grafički. Gornja slika prikazuje početnu depolarizaciju membrane - promjenu potencijala kao odgovor na djelovanje podražaja. Za svaku ekscitabilnu stanicu postoji posebna razina membranskog potencijala, nakon čijeg se postizanja svojstva natrijevih kanala naglo mijenjaju. Taj se potencijal naziva kritična razina depolarizacije (KUD). Kada se membranski potencijal promijeni u KUD, otvaraju se brzi, naponski ovisni natrijevi kanali i tok natrijevih iona juri u stanicu. Kada pozitivno nabijeni ioni uđu u stanicu, pozitivni naboj se povećava u citoplazmi. Kao rezultat toga, transmembranska razlika potencijala se smanjuje, MP vrijednost se smanjuje na 0, a zatim, kako natrij nastavlja ulaziti u stanicu, membrana se ponovno puni i naboj se obrće (prekoračenje) - sada površina postaje elektronegativna u odnosu na do citoplazme - membrana je potpuno DEPOLARIZIRANA - srednja slika. Ne dolazi do daljnje promjene zaduženja jer natrijevi kanali su inaktivirani– više natrija ne može ući u stanicu, iako se gradijent koncentracije vrlo malo mijenja. Ako podražaj ima takvu snagu da depolarizira membranu na CUD, taj se podražaj naziva pragom; on uzrokuje ekscitaciju stanice. Potencijalna točka preokreta je znak da je cijeli niz podražaja bilo kojeg modaliteta preveden na jezik živčanog sustava - impulse ekscitacije. Impulsi ili ekscitacijski potencijali nazivaju se akcijski potencijali. Akcijski potencijal (AP) je brza promjena membranskog potencijala kao odgovor na podražaj snage praga. AP ima standardne parametre amplitude i vremena koji ne ovise o snazi podražaja - pravilo “SVE ILI NIŠTA”. Sljedeća faza je obnova potencijala membrane u mirovanju - repolarizacija(donja slika) uglavnom je posljedica aktivnog transporta iona. Najvažniji proces aktivnog transporta je rad Na/K pumpe, koja pumpa natrijeve ione iz stanice dok istovremeno pumpa kalijeve ione u stanicu. Obnavljanje membranskog potencijala događa se zbog protoka iona kalija iz stanice – aktiviraju se kalijevi kanali koji propuštaju ione kalija dok se ne postigne ravnotežni potencijal kalija. Ovaj proces je važan jer dok se MPP ne uspostavi, stanica nije u stanju percipirati novi impuls ekscitacije.
HIPERPOLARIZACIJA je kratkotrajno povećanje MP nakon njezine obnove koje je uzrokovano povećanjem propusnosti membrane za ione kalija i klora. Hiperpolarizacija se javlja tek nakon AP i nije tipična za sve stanice. Pokušajmo još jednom grafički prikazati faze akcijskog potencijala i ionske procese u pozadini promjena membranskog potencijala (Sl.
Potencijal mirovanja neurona
9). Na apscisnoj osi nanesemo vrijednosti membranskog potencijala u milivoltima, na ordinatnoj osi nanesemo vrijeme u milisekundama.
1. Depolarizacija membrane do CUD - mogu se otvoriti bilo koji natrijevi kanali, ponekad i kalcijevi, i brzi i spori, te naponski i receptorski. Ovisi o vrsti podražaja i vrsti stanica
2. Brzi ulazak natrija u stanicu - otvaraju se brzi, naponski ovisni natrijevi kanali, a depolarizacija doseže točku potencijalnog preokreta - membrana se ponovno puni, predznak naboja se mijenja u pozitivan.
3. Uspostavljanje gradijenta koncentracije kalija - rad pumpe. Aktiviraju se kalijevi kanali, kalij prelazi iz stanice u izvanstaničnu okolinu - počinje repolarizacija, obnova MPP
4. Depolarizacija u tragovima ili negativni potencijal u tragovima - membrana je još uvijek depolarizirana u odnosu na MPP.
5. Hiperpolarizacija u tragovima. Kalijevi kanali ostaju otvoreni, a dodatna struja kalija hiperpolarizira membranu. Nakon toga, stanica se vraća na prvobitnu razinu MPP. Trajanje AP kreće se od 1 do 3-4 ms za različite stanice.
Slika 9 Faze akcijskog potencijala
Obratite pozornost na tri potencijalne vrijednosti, važne i konstantne za svaku ćeliju, njezine električne karakteristike.
1. MPP - elektronegativnost stanične membrane u mirovanju, pružajući sposobnost uzbuđivanja - ekscitabilnost. Na slici je MPP = -90 mV.
2. CUD - kritična razina depolarizacije (ili prag za stvaranje membranskog akcijskog potencijala) - to je vrijednost membranskog potencijala, pri čijem se dostizanju otvaraju brzo, naponski ovisni natrijevi kanali i membrana se ponovno puni zbog ulaska pozitivnih natrijevih iona u stanicu. Što je veća elektronegativnost membrane, to ju je teže depolarizirati u CUD, to je takva stanica manje ekscitabilna.
3. Potencijalna točka preokreta (prekoračenje) - ova vrijednost pozitivan membranski potencijal, kod kojeg pozitivno nabijeni ioni više ne prodiru u stanicu – kratkotrajni ravnotežni natrijev potencijal. Na slici + 30 mV. Ukupna promjena membranskog potencijala od –90 do +30 bit će 120 mV za danu stanicu, ta vrijednost je akcijski potencijal. Ako se taj potencijal pojavi u neuronu, proširit će se duž živčanog vlakna; ako je u mišićnim stanicama, proširit će se duž membrane mišićnog vlakna i dovesti do kontrakcije; u žljezdanim stanicama do sekrecije, do djelovanja stanice. To je specifičan odgovor stanice na djelovanje podražaja, uzbuđenje.
Kada je izložen podražaju subliminalna snaga dolazi do nepotpune depolarizacije – LOKALNI ODGOVOR (LO).
Nepotpuna ili djelomična depolarizacija je promjena naboja membrane koja ne doseže kritičnu razinu depolarizacije (CLD).
Slika 10. Promjena membranskog potencijala kao odgovor na podražaj snage ispod praga - lokalni odgovor
Lokalni odgovor ima u biti isti mehanizam kao i AP, njegova uzlazna faza određena je priljevom natrijevih iona, a silazna faza određena je otpuštanjem kalijevih iona.
Međutim, amplituda LO proporcionalna je jačini stimulacije ispod praga, a ne standardna, kao kod AP.
Tablica 5
Lako je vidjeti da u stanicama postoje uvjeti pod kojima bi se trebala pojaviti potencijalna razlika između stanice i međustaničnog okoliša:
1) stanične membrane su dobro propusne za katione (prvenstveno kalij), dok je propusnost membrana za anione znatno manja;
2) koncentracije većine tvari u stanicama iu međustaničnoj tekućini jako variraju (usporedi s onim što je rečeno na str.
). Stoga će se na staničnim membranama pojaviti dvostruki električni sloj ("minus" na unutarnjoj strani membrane, "plus" na vanjskoj strani), a na membrani mora postojati konstantna razlika potencijala koja se naziva potencijal mirovanja. . Za membranu se kaže da je polarizirana u mirovanju.
Nernst je prvi iznio hipotezu o sličnoj prirodi PP stanica i difuzijskog potencijala 1896. godine.
Baza znanja
student Vojnomedicinske akademije Yu.V.Chagovets. Ovo gledište sada je potvrđeno brojnim eksperimentalnim podacima. Istina, postoje neka odstupanja između izmjerenih PP vrijednosti i onih izračunatih pomoću formule (1), ali se objašnjavaju dvama očiglednim razlozima. Prvo, stanice ne sadrže samo jedan kation, već više (K, Na, Ca, Mg, itd.). To se može uzeti u obzir zamjenom Nernstove formule (1) složenijom formulom koju je razvio Goldman:
Gdje je pK propusnost membrane za kalij, pNa je ista za natrij, pCl je ista za klor; [K + ] e je koncentracija kalijevih iona izvan stanice, [K + ] i je ista unutar stanice (slično za natrij i klor); Elipse označavaju odgovarajuće članove za druge ione. Ioni klora (i drugi anioni) kreću se u suprotnom smjeru od iona kalija i natrija, pa su simboli "e" i "i" za njih obrnutim redoslijedom.
Izračun korištenjem Goldmanove formule daje mnogo bolje slaganje s eksperimentom, ali još uvijek postoje neka odstupanja. To se objašnjava činjenicom da prilikom izvođenja formule (2) nije uzet u obzir rad aktivnog transporta. Uzimajući u obzir potonje, moguće je postići gotovo potpuno slaganje s iskustvom.
19. Natrijevi i kalijevi kanali u membrani i njihova uloga u bioelektrogenezi. Mehanizam vrata. Značajke potencijalno ovisnih kanala. Mehanizam nastanka akcijskog potencijala. Stanje kanala i priroda ionskih tokova u različitim fazama AP. Uloga aktivnog transporta u bioelektrogenezi. Kritični membranski potencijal. Zakon "sve ili ništa" za ekscitabilne membrane. Upornost.
Pokazalo se da selektivni filtar ima "krutu" strukturu, odnosno ne mijenja svoj lumen pod različitim uvjetima. Prijelazi kanala iz otvorenog stanja u zatvoreno stanje i obrnuto povezani su s radom neselektivnog filtra, mehanizma vrata. Pod procesima vrata koji se odvijaju u jednom ili drugom dijelu ionskog kanala, koji se naziva vrata, razumijemo sve promjene u konformaciji proteinskih molekula koje tvore kanal, zbog čega se njihov par može otvoriti ili zatvoriti. Posljedično, vrata se obično nazivaju funkcionalne skupine proteinskih molekula koje osiguravaju procese vrata. Važno je da vrata pokreću fiziološki podražaji, odnosno oni koji su prisutni u prirodnim uvjetima. Među fiziološkim podražajima posebnu ulogu imaju pomaci membranskog potencijala.
Postoje kanali koji su kontrolirani razlikama potencijala kroz membranu, otvoreni su na nekim vrijednostima membranskog potencijala, a zatvoreni na drugim. Takvi se kanali nazivaju ovisni o potencijalu. Uz njih se povezuje generacija PD-a. Zbog svog posebnog značaja, svi ionski kanali biomembrana se dijele u 2 tipa: naponski ovisni i naponski neovisni. Prirodni podražaji koji kontroliraju kretanje vrata u kanalima druge vrste nisu pomaci u membranskom potencijalu, već drugi čimbenici. Na primjer, u kemosenzitivnim kanalima uloga kontrolnog podražaja pripada kemijskim tvarima.
Bitna komponenta naponski upravljanog ionskog kanala je senzor napona. Ovo je naziv za skupine proteinskih molekula koje mogu reagirati na promjene u električnom polju. Još nema konkretnih informacija o tome što su i kako se nalaze, ali jasno je da električno polje u fizičkom okruženju može komunicirati samo s nabojima (slobodnim ili vezanim). Postojala je pretpostavka da Ca2+ (slobodni naboji) služi kao senzor napona, jer promjene u njegovom sadržaju u međustaničnoj tekućini dovode do istih posljedica kao i pomaci u membranskom potencijalu. Na primjer, deseterostruko smanjenje koncentracije kalcijevih iona u intersticiju je ekvivalentno depolarizaciji plazma membrane za približno 15 mV. Međutim, kasnije se pokazalo da je Ca2+ neophodan za rad senzora napona, ali sam nije. AP se stvara čak i kada koncentracija slobodnog kalcija u međustaničnom mediju padne ispod 10~8 mol. Osim toga, sadržaj Ca2+ u citoplazmi općenito ima mali učinak na ionsku vodljivost plazmaleme. Očito, senzor napona je povezan nabojima - skupinama proteinskih molekula s velikim dipolnim momentom. Uronjeni su u lipidni dvosloj, koji se odlikuje prilično niskom viskoznošću (30 - 100 cP) i niskom dielektričnom konstantom. Do ovog zaključka došlo se proučavanjem kinetičkih karakteristika gibanja naponskog senzora tijekom pomaka membranskog potencijala. Ovo kretanje predstavlja tipičnu struju pomaka.
Suvremeni funkcionalni model natrijevog kanala ovisnog o naponu predviđa postojanje dvije vrste vrata koja rade u protufazi. Razlikuju se po inercijskim svojstvima. Ona pokretljivija (lakša) nazivaju se m-vrata, a inercijalnija (teža) nazivaju se h-vrata. U mirovanju su h-vrata otvorena, m-vrata zatvorena i kretanje Na+ kroz kanal je nemoguće. Kada je plazmalema depolarizirana, vrata oba tipa se počinju pomicati, ali zbog nejednake inercije m-vrata uspijevaju
otvoriti prije nego što se h-vrata zatvore. U tom trenutku natrijev kanal je otvoren i Na+ juri kroz njega u stanicu. Kašnjenje u kretanju h-vrata u odnosu na m-vrata odgovara trajanju faze depolarizacije AP. Kada se h-vrata zatvore, protok Na+ kroz membranu će prestati i započet će repolarizacija. Tada se h - i m - vrata vraćaju u prvobitno stanje. Natrijevi kanali ovisni o naponu aktiviraju se (uključuju) tijekom brze (sakadne) depolarizacije plazma membrane. ,
PD nastaje zbog brže difuzije natrijevih iona kroz plazma membranu u odnosu na anione koji s njim tvore soli u međustaničnom mediju. Posljedično, depolarizacija je povezana s ulaskom natrijevih kationa u citoplazmu. Kada se PD razvije, natrij se ne nakuplja u stanici. Kada je uzbuđen, natrij ulazi i izlazi. Pojava PD nije uzrokovana kršenjem koncentracije iona u citoplazmi, već padom električnog otpora plazma membrane zbog povećanja njezine propusnosti za natrij.
Kao što je već spomenuto, pod utjecajem podražaja praga i nadpraga ekscitabilna membrana stvara AP. Ovaj proces karakterizira zakon "sve ili ništa. To je antiteza gradualizmu. Smisao zakona je da parametri PD ne ovise o intenzitetu podražaja. Jednom kada se postigne CMP, promjene u razlici potencijala preko ekscitabilne membrane određene su samo svojstvima njezinih naponskih ionskih kanala, koji osiguravaju ulaznu struju. Među njima vanjski podražaj otvara samo one najosjetljivije. Drugi se otvaraju zbog prethodnih, bez obzira na podražaj. Oni govore o spontanoj prirodi procesa uključivanja sve više i više novih ionskih kanala ovisnih o naponu u transmembranski transport iona. Stoga amplituda. Trajanje i strmina prednjeg i zadnjeg ruba AP ovise samo o ionskim gradijentima na staničnoj membrani i kinetičkim karakteristikama njezinih kanala. Zakon "sve ili ništa" karakteristično je svojstvo pojedinačnih stanica i vlakana koja imaju ekscitabilnu membranu. Nije karakteristično za većinu višestaničnih formacija. Izuzetak su strukture organizirane prema tipu sincicija.
Datum objave: 2015-01-25; Pročitano: 421 | Kršenje autorskih prava stranice
studopedia.org - Studopedia.Org - 2014-2018 (0,001 s)…
Pozitivno nabijeni ioni kalija u okoliš iz citoplazme stanice u procesu uspostavljanja osmotske ravnoteže. Anioni organske kiseline, koji neutraliziraju naboj iona kalija u citoplazmi, ne mogu napustiti stanicu, međutim, ioni kalija, čija je koncentracija u citoplazmi visoka u usporedbi s okolinom, difundiraju iz citoplazme sve dok ne počne električni naboj koji stvaraju. uravnotežiti njihov koncentracijski gradijent na staničnoj membrani.
Enciklopedijski YouTube
1 / 3
✪ Membranski potencijali - 1. dio
✪ Potencijal mirovanja: - 70 mV. Depolarizacija, repolarizacija
✪ Potencijal odmora
titlovi
Nacrtat ću malu ćeliju. Ovo će biti tipična stanica i ispunjena je kalijem. Znamo da ga stanice vole skladištiti u sebi. Puno kalija. Neka mu koncentracija bude negdje oko 150 milimola po litri. Ogromna količina kalija. Stavimo ovo u zagrade jer zagrade predstavljaju koncentraciju. Postoji i nešto kalija prisutnog izvana. Ovdje će koncentracija biti približno 5 milimola po litri. Pokazat ću vam kako će se uspostaviti koncentracijski gradijent. To se ne događa samo od sebe. Ovo zahtijeva puno energije. U stanicu se upumpaju dva iona kalija, au isto vrijeme tri iona natrija napuštaju stanicu. To je način na koji ioni kalija prvo ulaze unutra. Sad kad su unutra, hoće li tamo ostati sami? Naravno da ne. Pronalaze anione, male molekule ili atome s negativnim nabojem, i talože se blizu njih. Tako ukupni naboj postaje neutralan. Svaki kation ima svoj anion. I obično su ti anioni proteini, neka vrsta struktura koje imaju negativan bočni lanac. To može biti klorid ili, na primjer, fosfat. Bilo što. Bilo koji od ovih aniona će poslužiti. Nacrtat ću još nekoliko aniona. Dakle, ovdje su dva iona kalija koja su upravo ušla u stanicu, ovako sve sada izgleda. Ako je sve dobro i statično, onda izgledaju ovako. I zapravo, da budemo potpuno pošteni, tu su i mali anioni koji se nalaze ovdje zajedno s ionima kalija. Stanica ima male rupice kroz koje može istjecati kalij. Da vidimo kako će to izgledati i kako će utjecati na ovo što se ovdje događa. Dakle, imamo ove male kanale. Kroz njih može proći samo kalij. To jest, ovi kanali su vrlo specifični za kalij. Ništa drugo ne može proći kroz njih. Ni anioni ni proteini. Čini se da ioni kalija traže te kanale i razmišljaju: “Vau, kako zanimljivo! Ovdje ima toliko kalija! Trebali bismo izaći van." I svi ti ioni kalija jednostavno napuštaju stanicu. Izlaze van. I kao rezultat događa se zanimljiva stvar. Većina ih se preselila prema van. Ali vani već postoji nekoliko iona kalija. Rekao sam da ovdje ima malo iona i da bi teoretski mogao ući. Može ući u ovu ćeliju ako želi. Ali činjenica je da ukupno, ukupno, imate više kretanja prema van nego prema unutra. Sada brišem ovaj put jer želim da zapamtite da imamo više iona kalija koji žele izaći zbog gradijenta koncentracije. Ovo je prva faza. Dopustite da ovo zapišem. Gradijent koncentracije uzrokuje kretanje kalija prema van. Kalij se počinje kretati prema van. Napušta kavez. Što onda? Dopusti mi da ga nacrtam u procesu izlaska van. Ovaj ion kalija je sada ovdje, a ovaj je ovdje. Ostaju samo anioni. Ostali su nakon odlaska kalija. I ti anioni počinju proizvoditi negativan naboj. Vrlo veliki negativni naboj. Samo nekoliko aniona koji se kreću naprijed-natrag stvaraju negativan naboj. A ioni kalija izvana misle da je sve ovo vrlo zanimljivo. Ovdje postoji negativan naboj. A budući da je tu, privlače ih, budući da i sami imaju pozitivan naboj. Privučeni su negativnim nabojem. Žele se vratiti. Sada razmislite o tome. Imate gradijent koncentracije koji izbacuje kalij. Ali, s druge strane, postoji membranski potencijal - u ovom slučaju negativan - koji nastaje zbog činjenice da je kalij iza sebe ostavio anion. Taj potencijal potiče povrat kalija. Jedna sila, koncentracija, gura kalijev ion van, druga sila, membranski potencijal, koji stvara kalij, tjera ga natrag unutra. Oslobodit ću malo prostora. Sada ću vam pokazati nešto zanimljivo. Konstruirajmo dvije krivulje. Pokušat ću ne propustiti ništa na ovom slajdu. Nacrtat ću sve ovdje i onda će mali fragment biti vidljiv. Konstruiramo dvije krivulje. Jedan od njih će biti za koncentracijski gradijent, a drugi će biti za membranski potencijal. To će biti ioni kalija izvana. Ako ih pratite kroz vrijeme - ovaj put - dobit ćete nešto poput ovoga. Ioni kalija nastoje izaći i postići ravnotežu u određenoj točki. Učinimo isto s vremenom na ovoj osi. To će biti naš membranski potencijal. Počinjemo od nulte vremenske točke i dobivamo negativan rezultat. Negativni naboj će postajati sve veći i veći. Počinjemo od nulte točke membranskog potencijala, a na mjestu gdje ioni kalija počinju istjecati događa se sljedeće. Općenito, sve je vrlo slično, ali se događa kao da je paralelno s promjenama u koncentracijskom gradijentu. I kada se ove dvije vrijednosti međusobno izjednače, kada je broj kalijevih iona koji izlaze jednak broju kalijevih iona koji se vraćaju, dobivate ovaj plato. I ispada da je naboj minus 92 milivolta. U ovoj točki, gdje praktički nema razlike u ukupnom kretanju iona kalija, promatra se ravnoteža. Ima čak i svoje ime - "ravnotežni potencijal za kalij". Kada vrijednost dosegne minus 92 - a razlikuje se ovisno o vrsti iona - kada se za kalij postigne minus 92, stvara se potencijalna ravnoteža. Da napišem da je naboj za kalij minus 92. To se događa samo kada je stanica propusna za samo jedan element, npr. ione kalija. I dalje se može postaviti pitanje. Možda mislite: “U redu, čekaj malo! Ako se ioni kalija kreću prema van - što se događa - nemamo li tada nižu koncentraciju u određenoj točki jer je kalij već otišao odavde, a viša koncentracija ovdje postiže se kretanjem kalija prema van?" Tehnički jest. Ovdje, vani, ima više iona kalija. A nisam spomenuo da se i glasnoća mijenja. Ovdje se postiže veća koncentracija. A isto vrijedi i za ćeliju. Tehnički postoji niža koncentracija. Ali zapravo nisam promijenio vrijednost. A razlog je ovaj. Pogledajte ove vrijednosti, ovo su moljci. A to je ogroman broj, slažete li se? 6,02 puta 10 na potenciju minus 23 uopće nije mali broj. A ako to pomnožite s 5, dobijete otprilike - da na brzinu izračunam što smo dobili. 6 puta 5 je 30. A ovdje su milimoli. Od 10 do 20 molova. Ovo je samo ogromna količina iona kalija. A za stvaranje negativnog naboja potrebno ih je vrlo malo. To jest, promjene uzrokovane kretanjem iona bit će beznačajne u usporedbi s 10 na 20. potenciju. Zbog toga se promjene koncentracije ne uzimaju u obzir.
Povijest otkrića
Potencijal mirovanja za većinu neurona je reda veličine -60 mV - -70 mV. Stanice neekscitabilnih tkiva također imaju razliku potencijala na membrani, koja je različita za stanice različitih tkiva i organizama.
Formiranje potencijala mirovanja
PP se formira u dvije faze.
Prva razina: stvaranje male (-10 mV) negativnosti unutar stanice zbog nejednake asimetrične izmjene Na + za K + u omjeru 3:2. Kao rezultat toga, više pozitivnih naboja napušta stanicu s natrijem nego što se u nju vraća s kalij. Ovo svojstvo natrij-kalijeve pumpe, koja izmjenjuje te ione kroz membranu uz utrošak ATP energije, osigurava njegovu elektrogenost.
Rezultati djelovanja membranskih pumpi ionskog izmjenjivača u prvoj fazi stvaranja PP su sljedeći:
1. Manjak natrijevih iona (Na +) u stanici.
2. Višak iona kalija (K +) u stanici.
3. Pojava slabog električnog potencijala (-10 mV) na membrani.
Druga faza: stvaranje značajne (-60 mV) negativnosti unutar stanice zbog curenja iona K + iz nje kroz membranu. Kalijevi ioni K+ napuštaju stanicu i oduzimaju joj pozitivne naboje, dovodeći negativni naboj na −70 mV.
Dakle, potencijal membrane u mirovanju je nedostatak pozitivnih električnih naboja unutar stanice, što je posljedica istjecanja pozitivnih iona kalija iz nje i elektrogenog djelovanja natrij-kalijeve pumpe.
Sadržaj teme "Endocitoza. Egzocitoza. Regulacija staničnih funkcija.":1. Učinak Na/K pumpe (natrij kalij pumpe) na membranski potencijal i volumen stanice. Konstantan volumen ćelije.
2. Gradijent koncentracije natrija (Na) kao pokretačka snaga membranskog transporta.
3. Endocitoza. Egzocitoza.
4. Difuzija u transportu tvari unutar stanice. Važnost difuzije u endocitozi i egzocitozi.
5. Aktivni transport u membranama organela.
6. Transport u staničnim vezikulama.
7. Transport kroz stvaranje i razaranje organela. Mikrofilamenti.
8. Mikrotubule. Aktivni pokreti citoskeleta.
9. Transport aksona. Brzi transport aksona. Spori transport aksona.
10. Regulacija staničnih funkcija. Regulacijski učinci na staničnu membranu. Membranski potencijal.
11. Izvanstanične regulatorne tvari. Sinaptički medijatori. Lokalni kemijski agensi (histamin, faktor rasta, hormoni, antigeni).
12. Unutarstanična komunikacija uz sudjelovanje sekundarnih glasnika. Kalcij.
13. Ciklički adenozin monofosfat, cAMP. cAMP u regulaciji stanične funkcije.
14. Inozitol fosfat "IF3". Inozitol trifosfat. Diacilglicerol.
Učinak Na/K pumpe (natrij kalij pumpe) na membranski potencijal i volumen stanice. Konstantan volumen ćelije.
Riža. 1.9. Dijagram koji prikazuje koncentracije Na+, K+ i CI unutar i izvan stanice i putove prodiranja tih iona kroz staničnu membranu (kroz specifične ionske kanale ili korištenjem Na/K pumpe. Pri tim gradijentima koncentracije ravnotežni potencijali E(Na), E(K) i E(Cl) jednaki su prema navedenim, membranski potencijal Et = - 90 mVNa sl. 1.9 prikazuje različite komponente membranska struja i dano koncentracije intracelularnih iona koji osiguravaju njihovu egzistenciju. Izlazna struja kalijevih iona opaža se kroz kalijeve kanale, budući da je membranski potencijal malo elektropozitivniji od ravnotežnog potencijala za kalijeve ione. Ukupna vodljivost natrijeva kanala mnogo manji od kalija, tj. natrijevi kanali otvoreni su puno rjeđe od kalijevih kanala u stanju mirovanja; međutim, približno isti broj natrijevih iona ulazi u stanicu kao i kalijevih iona koji izlaze iz stanice, jer su potrebni veliki gradijenti koncentracije i potencijala da natrijevi ioni difundiraju u stanicu. Na/K pumpa pruža idealnu kompenzaciju za pasivne difuzijske struje, jer prenosi ione natrija iz ćelije i ione kalija u nju. Dakle, pumpa je elektrogena zbog razlike u broju naboja prenesenih u ćeliju i iz nje, što pri normalnoj brzini rada stvara membranski potencijal koji je približno 10 mV elektronegativniji nego da je nastao samo zbog na pasivne tokove iona. Kao rezultat toga, membranski potencijal se približava ravnotežnom potencijalu kalija, što smanjuje istjecanje iona kalija. Aktivnost Na/K pumpe reguliran intracelularna koncentracija natrijevih iona. Brzina pumpe se usporava kako koncentracija natrijevih iona koje treba ukloniti iz stanice opada (slika 1.8), tako da rad pumpe i protok natrijevih iona u stanicu uravnotežuju jedan drugoga, održavajući intracelularnu koncentraciju natrija iona na razini od približno 10 mmol/L.
Za održavanje ravnoteže između crpne i pasivne membranske struje, potrebno je mnogo više molekula Na/K pumpe nego kanalnih proteina za ione kalija i natrija. Kada je kanal otvoren, kroz njega prođu deseci tisuća iona u nekoliko milisekundi, a budući da se kanal obično otvara nekoliko puta u sekundi, ukupno kroz njega za to vrijeme prođe više od 105 iona. Jedan protein pumpe pokreće nekoliko stotina natrijevih iona u sekundi, tako da plazma membrana mora sadržavati oko 1000 puta više molekula pumpe nego molekula kanala. Mjerenja kanalskih struja u mirovanju pokazala su prosječno jedan kalijev i jedan natrijev otvoreni kanal po 1 µm2 membrane; Iz ovoga slijedi da bi u istom prostoru trebalo biti prisutno oko 1000 molekula Na/K pumpe, tj. udaljenost između njih je prosječno 34 nm; Promjer proteina pumpe, kao i proteina kanala, je 8-10 nm. Dakle, membrana je prilično gusto zasićena pumpnim molekulama.
Činjenica da se protok natrijevih iona u stanicu, A ioni kalija – iz stanice kompenzira radom crpke, ima još jednu posljedicu, a to je održavanje stabilnog osmotskog tlaka i konstantnog volumena. Unutar stanice postoji visoka koncentracija velikih aniona, uglavnom proteina (A u tablici 1.1), koji ne mogu prodrijeti kroz membranu (ili prodiru vrlo sporo) i stoga su fiksna komponenta unutar stanice. Za uravnoteženje naboja ovih aniona potreban je jednak broj kationa. Zahvaljujući djelovanje Na/K pumpe Ovi kationi su uglavnom ioni kalija. Značajno povećanje koncentracija intracelularnih iona može se dogoditi samo s povećanjem koncentracije aniona zbog protoka Cl duž koncentracijskog gradijenta u stanicu (tablica 1.1), ali membranski potencijal to sprječava. Unutarnja Cl struja opaža se samo dok se ne postigne ravnotežni potencijal za kloridne ione; ovo se opaža kada je gradijent iona klora gotovo suprotan gradijentu iona kalija, budući da su ioni klora negativno nabijeni. Tako se uspostavlja niska intracelularna koncentracija iona klora, što odgovara niskoj izvanstaničnoj koncentraciji iona kalija. Rezultat je ograničenje ukupnog broja iona u stanici. Ako membranski potencijal padne kada je Na/K pumpa blokirana, primjerice tijekom anoksije, tada se ravnotežni potencijal za kloridne ione smanjuje, a unutarstanična koncentracija kloridnih iona u skladu s tim raste. Vraćajući ravnotežu naboja, ioni kalija također ulaze u stanicu; povećava se ukupna koncentracija iona u stanici, što povećava osmotski tlak; ovo tjera vodu u stanicu. Stanica bubri. Ovo oticanje se opaža in vivo u uvjetima nedostatka energije.
Izrazio sam ideju o dva oblika konvertibilne energije 1975. Dvije godine kasnije, ovo gledište je podržao Mitchell. U međuvremenu, u grupi A. Glagolev, eksperimenti su počeli testirati jedno od predviđanja ovog novog koncepta.
Rezonirao sam na sljedeći način. Ako je protonski potencijal adut za pregovaranje, tada stanica mora imati dovoljan broj takvih "novčanica".
Ovaj zahtjev je ispunjen kada je u pitanju ATP. Stanica uvijek sadrži prilično velike količine ATP-a, a poduzete su mjere da se ta količina stabilizira pod promjenjivim uvjetima - kontinuirano različite stope stvaranja i upotrebe ATP-a. Postoji posebna tvar - kreatin fosfat, koja je uključena u samo jednu reakciju - ADP fosforilaciju:
ADP + kreatin fosfat ⇔ ATP + kreatin.
Kada je ATP-a u višku, a ADP-a nedostaje, reakcija ide s desna na lijevo i kreatin fosfat se akumulira, koji pod tim uvjetima postaje mnogo obilniji od ATP-a. Ali čim se razina ADP poveća, a ATP smanji, reakcija mijenja smjer, a kreatin fosfat postaje dobavljač ATP-a. Dakle, kreatin fosfat obavlja svoju funkciju kao stabilizator, pufer razine ATP-a.
Što je s protonskim potencijalom?
Jednostavan izračun omogućuje vam pretvaranje jedne energetske "valute" u drugu. Ovaj izračun pokazuje da se količina energije koju akumulira, na primjer, bakterijska stanica u obliku protonskog potencijala, pokazuje gotovo tisuću puta manjom od količine ATP-a ako je protonski potencijal u električnom obliku. Ova količina je istog reda kao i broj potencijalnih generatora i potrošača u bakterijskoj membrani.
Ova situacija stvara posebnu potrebu za puferskim sustavom koji stabilizira razinu protonskog potencijala. U suprotnom, čak i kratkotrajno prekoračenje ukupne brzine procesa potrošnje potencijala nad brzinom njegovog stvaranja dovest će do nestanka potencijala i zaustavljanja svih sustava koji se napajaju potencijalom.
Dakle, mora postojati pufer za protonski potencijal, poput kreatin fosfata za ATP. Ali kakvu je komponentu priroda odabrala za takvu ulogu?
Razmišljajući o ovom problemu, pokušao sam pronaći neki biološki sustav povezan s potencijalom čija je funkcija nepoznata.
Jedna od starih misterija biologije: zašto stanica apsorbira ione kalija i izbacuje ione natrija, stvarajući skupu asimetriju u distribuciji tih iona sličnih svojstava između citoplazme i okoliša? U gotovo svakoj živoj stanici ima mnogo više iona kalija nego iona natrija, dok je u okolišu natrij u velikom višku u odnosu na kalij. Možda je Na+ otrov za stanicu?
Ne, to nije istina. Iako neki enzimski sustavi doista rade bolje u KCl nego u NaCl, čini se da je ovo sekundarna prilagodba na unutarnje okruženje stanice s "visokim sadržajem kalija" i "niskim sadržajem natrija". Tijekom ogromnog razdoblja biološke evolucije stanica se mogla prilagoditi prirodnom omjeru iona alkalnih metala u vanjskom okruženju. Halofilne bakterije žive u zasićenoj otopini NaCl, a koncentracija Na + u njihovoj citoplazmi ponekad doseže mol po litri, što je gotovo tisuću puta više od koncentracije Na + u običnim stanicama. Dakle, Na+ nije otrov.
Imajte na umu da iste halofilne bakterije održavaju unutarstaničnu koncentraciju K+ od oko 4 mola po litri, trošeći ogromne količine energetskih resursa na razini stanice kako bi stvorile gradijent natrij-kalij.
Poznato je da podražljive životinjske stanice, poput neurona, koriste gradijent natrij-kalij za provođenje živčanih impulsa. Ali što je s drugim vrstama stanica, poput bakterija?
Pogledajmo mehanizam prijenosa K+ i Na+ kroz bakterijsku membranu. Poznato je da između citoplazme bakterije i vanjskog okoliša postoji razlika u električnim potencijalima, koja se održava radom generatorskih proteina u bakterijskoj membrani. Pumpajući protone iz unutrašnjosti stanice prema van, proteini generatori time negativno naelektrišu unutrašnjost bakterije. Pod tim uvjetima, nakupljanje iona K + unutar stanice moglo bi se dogoditi jednostavno zbog elektroforeze - kretanja pozitivno nabijenog iona kalija u negativno nabijenu citoplazmu bakterije.
U tom slučaju, protok kalija trebao bi isprazniti membranu, prethodno napunjenu generatorima protona.
Zauzvrat, pražnjenje membrane trebalo bi odmah aktivirati generatore.
To znači da će se energetski resursi utrošeni na stvaranje razlike električnog potencijala između stanice i okoline koristiti za koncentraciju iona K + unutar stanice. Konačna ravnoteža takvog procesa bit će izmjena unutarstaničnih H + iona za izvanstanične K + ione (H + ione ispumpavaju proteini generatori, K + ioni ulaze unutra, krećući se u električnom polju stvorenom kretanjem H + ioni).
Stoga će se unutar stanice stvoriti ne samo višak K + iona, već i manjak H + iona.
Taj se nedostatak može iskoristiti za ispumpavanje Na+ iona. To možete učiniti na sljedeći način. Poznato je da bakterije imaju poseban nosač natrijevih iona koji izmjenjuju Na + za H + (taj nosač se naziva Na + /H + antiporter). U uvjetima nedostatka H+ u citoplazmi, antiport može nadoknaditi nedostatak protona prijenosom H+ iz vanjskog okoliša u stanicu. Transporter može proizvesti takav antiport na samo jedan način: zamjenom vanjskog za unutarnji Na +. To znači da se kretanje H + iona u stanicu može koristiti za ispumpavanje Na + iona iz iste stanice.
Tako smo stvorili gradijent kalija i natrija: K + se akumulirao unutar stanice, a Na + je izbačen iz nje. Pokretačka snaga tih procesa bio je protonski potencijal koji su stvorili proteini generatori. (Smjer potencijala bio je takav da je unutrašnjost ćelije postala negativno nabijena i došlo je do manjka vodikovih iona.)
Pretpostavimo sada da su protonski generatori isključeni iz nekog razloga. Što će se dogoditi s gradijentom kalij-natrij pod ovim novim uvjetima?
Naravno, raspršit će se: K + ioni će istjecati iz stanice u okoliš, gdje ih je malo, Na + ioni će ući unutra, gdje ih nedostaje.
Ali evo što je zanimljivo. Kako se gradijent kalij-natrij raspršuje, sam će se pokazati kao generator protonskog potencijala u istom smjeru koji je nastao tijekom rada generatorskih proteina.
Doista, oslobađanje iona K + kao pozitivno nabijene čestice stvara razliku difuzijskog potencijala na staničnoj membrani s predznakom minus unutar stanice. Ulazak Na + uz sudjelovanje Na + /H + - antiportera bit će popraćen oslobađanjem H +, odnosno stvaranjem nedostatka H + unutar stanice.
Pa što se događa? Kada generatorski proteini rade, protonski potencijal koji stvaraju koristi se za formiranje kalij-natrijevog gradijenta. Ali kada se isključe (ili njihova snaga nije dovoljna da zadovolje brojne potencijalne potrošače), kalij-natrij gradijent, rasipajući se, počinje generirati protonski potencijal.
Dakle, ovo je protonski potencijalni pufer, isti onaj pufer koji je toliko potreban za rad membranskih energetskih sustava!
Ovaj koncept može se shematski predstaviti na sljedeći način:
Kalij-natrij gradijent ↓ vanjski izvori energije → protonski potencijal → rad.
Ali ako je ova shema točna, tada bi gradijent kalija i natrija trebao produžiti performanse stanice u uvjetima kada su energetski resursi iscrpljeni.
A. Glagolev i I. Brown provjerili su valjanost ovog zaključka. Uzet je mutant Escherichie coli kojem je nedostajala protonska ATP sintetaza. Za takvog mutanta, oksidacija supstrata s kisikom jedini je izvor energije dostupan za stvaranje protonskog potencijala. Kao što su svojedobno pokazali J. Adler i njegovi kolege, mutant je pokretan sve dok u mediju ima kisika.
Glagolev i Brown ponovili su Adlerov eksperiment i uvjerili se da smanjenje kisika u otopini zapravo zaustavlja bakterije ako su u okruženju s KCl. U tim uvjetima nema gradijenta kalij-natrij: u stanicama iu okolišu ima puno kalija, ali natrija nema ni ovdje ni ovdje.
Sada uzmimo medij s NaCl. U takvim uvjetima trebala bi postojati oba gradijenta koja nas zanimaju: kalij (puno kalija unutra, a malo izvana) i natrij (puno natrija izvana, a malo unutra). Hipoteza je predviđala da će u takvoj situaciji pokretljivost ostati neko vrijeme čak i u uvjetima bez kisika, jer je moguća pretvorba energije:
kalij-natrij gradijent → protonski potencijal → rotacija flagela.
Doista, bakterije su se kretale još 15-20 minuta nakon što je mjerni uređaj zabilježio nultu razinu Cb u mediju.
No iskustvo s bakterijama koje vole sol, koje prenose vrlo velike količine iona K+ i Na+ da bi stvorile gradijent kalij-natrij, pokazalo se posebno jasnim, kao što se i očekivalo. Takve su se bakterije brzo zaustavile u mraku u uvjetima bez kisika ako je u mediju bilo KCl, a još su se kretale devet (!) sati kasnije ako je KCl zamijenjen NaCl.
Ova vrijednost - devet sati - zanimljiva je prvenstveno kao ilustracija volumena rezervoara energije koji predstavlja gradijent kalija i natrija kod bakterija koje vole sol. Osim toga, dobiva posebno značenje ako se sjetimo da bakterije koje vole sol imaju bakteriorodopsin i stoga su sposobne pretvarati svjetlosnu energiju u protonski potencijal. Jasno je da je takva transformacija moguća samo tijekom dana. Što je s noću? Tako ispada da je energija pohranjena tijekom dana u obliku kalij-natrijevog gradijenta dovoljna za cijelu noć.
Tvrdnja da kalij-natrij gradijent igra ulogu pufera protonskog potencijala omogućuje nam da razumijemo ne samo biološku funkciju ovog gradijenta, već i razlog koji je godinama sprječavao rasvjetljavanje njegovog značaja za život stanice. Ideja o puferskoj ulozi za gradijent kalij-natrij nije se mogla zamisliti sve dok nije otkriven protonski potencijal i dokazano da služi kao konvertibilni oblik energije. Sve ove godine problem kalija i natrija jednostavno je čekao na kraju.
