Membránový potenciál neurónu v pokoji je rovnaký. Tvorba pokojového membránového potenciálu
Na + /K + pumpa alebo Na + /K + ATPáza je tiež, podobne ako iónové kanály, komplex integrálnych membránových proteínov, ktoré môžu nielen otvoriť cestu pre ión, aby sa pohyboval pozdĺž gradientu, ale aj aktívne pohybovať iónmi proti koncentračnému gradientu. . Ovládací mechanizmus čerpadla je znázornený na obrázku 8.
Proteínový komplex je v stave E1, v tomto stave je pumpa citlivá na ióny sodíka a z cytoplazmatickej strany sa na enzým viažu 3 ióny sodíka
Po naviazaní sodíkových iónov sa ATP hydrolyzuje a uvoľňuje energia, nevyhnutný na transport iónov proti koncentračnému gradientu sa uvoľňuje ADP anorganický fosfát (preto sa pumpa nazýva Na + /K + ATPáza).
Čerpadlo zmení konformáciu a prejde do stavu E2. V tomto prípade sa väzbové miesta pre ióny sodíka obrátia smerom von. V tomto stave má pumpa nízku afinitu k sodíku a ióny sa uvoľňujú do extracelulárneho prostredia.
V E2 konformácii má enzým vysokú afinitu k draslíku a viaže 2 ióny.
Draslík sa prenesie, uvoľní do vnútrobunkového prostredia a pripojí sa molekula ATP – pumpa sa vráti do konformácie E1, opäť získa afinitu k sodným iónom a zaradí sa do nového cyklu.
Obrázok 8 Mechanizmus pôsobenia Na+/K+ATPázy
Všimnite si, že pumpa Na+/K+ nesie 3 sodíkový ión z bunky výmenou za 2 draselný ión. Preto je čerpadlo elektrogénne: Celkovo sa v jednom cykle z článku odstráni jeden kladný náboj. Transportný proteín vykoná 150 až 600 cyklov za sekundu. Keďže prevádzka čerpadla je viacstupňová chemická reakcia, je rovnako ako všetky chemické reakcie vysoko závislá od teploty. Ďalšou charakteristikou pumpy je prítomnosť úrovne saturácie, čo znamená, že rýchlosť pumpy sa nemôže zvyšovať donekonečna so zvyšujúcou sa koncentráciou transportovaných iónov. Naproti tomu sa tok pasívne difundujúcej látky zvyšuje úmerne s rozdielom koncentrácie.
Okrem pumpy Na + /K + obsahuje membrána aj pumpu vápnika, ktorá pumpuje ióny vápnika von z bunky. Kalciová pumpa je prítomná vo veľmi vysokej hustote v sarkoplazmatickom retikule svalových buniek. Cisterny retikula akumulujú vápenaté ióny v dôsledku rozpadu molekuly ATP.
Výsledkom pumpy Na + / K + je teda transmembránový rozdiel v koncentráciách sodíka a draslíka. Naučte sa koncentrácie sodíka, draslíka a chlóru (mmol/l) vonku a vo vnútri bunky!
Koncentrácia iónov vo vnútri a mimo bunky
Existujú teda dve skutočnosti, ktoré je potrebné zvážiť, aby sme pochopili mechanizmy, ktoré udržiavajú pokojový membránový potenciál.
1 . Koncentrácia draselných iónov v bunke je oveľa vyššia ako v extracelulárnom prostredí. 2 . Membrána v pokoji je selektívne priepustná pre K + a pre Na + je permeabilita membrány v pokoji nevýznamná. Ak vezmeme priepustnosť draslíka za 1, potom priepustnosť sodíka v pokoji je len 0,04. teda existuje stály tok K iónov + z cytoplazmy pozdĺž koncentračného gradientu. Draslíkový prúd z cytoplazmy vytvára relatívny nedostatok kladných nábojov na vnútornom povrchu, bunková membrána je nepriepustná pre anióny, v dôsledku čoho sa bunková cytoplazma nabije negatívne vo vzťahu k prostrediu obklopujúcemu bunku. Tento potenciálny rozdiel medzi bunkou a extracelulárnym priestorom, polarizácia bunky, sa nazýva pokojový membránový potenciál (RMP).
Vzniká otázka: prečo tok draselných iónov nepokračuje, kým sa koncentrácie iónu mimo a vnútri bunky nevyrovnajú? Malo by sa pamätať na to, že ide o nabitú časticu, preto jej pohyb závisí aj od náboja membrány. Vnútrobunkový negatívny náboj, ktorý vzniká v dôsledku toku iónov draslíka z bunky, bráni novým iónom draslíka opustiť bunku. Tok draselných iónov sa zastaví, keď pôsobenie elektrického poľa kompenzuje pohyb iónu pozdĺž koncentračného gradientu. V dôsledku toho sa pre daný rozdiel v koncentráciách iónov na membráne vytvorí takzvaný ROVNOVÁHA POTENCIÁL pre draslík. Tento potenciál (Ek) sa rovná RT/nF *ln Koutside/Kinside, (n je valencia iónu.) alebo
Ek=61,5 log Kvonku / Kvnútri
Membránový potenciál (MP) do značnej miery závisí od rovnovážneho potenciálu draslíka, avšak niektoré ióny sodíka stále prenikajú do pokojovej bunky, ako aj ióny chlóru. Negatívny náboj, ktorý má bunková membrána, teda závisí od rovnovážnych potenciálov sodíka, draslíka a chlóru a je opísaný Nernstovou rovnicou. Prítomnosť tohto pokojového membránového potenciálu je mimoriadne dôležitá, pretože určuje schopnosť bunky excitovať – špecifickú odpoveď na podnet.
Výkon základných funkcií neurónu - generovanie, vedenie a prenos nervových impulzov - je možný predovšetkým preto, že koncentrácia množstva iónov vo vnútri a mimo bunky sa výrazne líši. Najdôležitejšie ióny sú tu K+, Na+, Ca2+, Cl-. V bunke je 30-40-krát viac draslíka ako vonku a asi 10-krát menej sodíka. Okrem toho je v bunke oveľa menej iónov chlóru a voľného vápnika ako v medzibunkovom prostredí.
Rozdiel v koncentráciách sodíka a draslíka vzniká špeciálnym biochemickým mechanizmom tzv sodno-draselná pumpa. Je to proteínová molekula uložená v membráne neurónu (obr. 6) a vykonáva aktívny transport iónov. Takáto pumpa pomocou energie ATP (kyselina adenozíntrifosforečná) vymieňa sodík za draslík v pomere 3 : 2. Na prenos troch iónov sodíka z bunky do prostredia a dvoch iónov draslíka v opačnom smere (t.j. proti koncentračný gradient), je potrebná energia jednej molekuly ATP.
Keď neuróny dozrievajú, do ich membrány sú zabudované sodíkovo-draselné pumpy (na 1 µm2 sa môže nachádzať až 200 takýchto molekúl), po ktorých sa draselné ióny načerpajú do nervovej bunky a sodíkové ióny sa z nej odstránia. V dôsledku toho sa koncentrácia iónov draslíka v bunke zvyšuje a sodík klesá. Rýchlosť tohto procesu môže byť veľmi vysoká: až 600 iónov Na+ za sekundu. V skutočných neurónoch je určený predovšetkým dostupnosťou intracelulárneho Na+ a prudko sa zvyšuje, keď preniká zvonku. V neprítomnosti jedného z dvoch typov iónov sa pumpa zastaví, pretože môže prebiehať len ako proces výmeny intracelulárneho Na+ za extracelulárny K+.
Podobné transportné systémy existujú pre ióny Cl- a Ca2+. V tomto prípade sa ióny chlóru odstraňujú z cytoplazmy do medzibunkového prostredia a ióny vápnika sa zvyčajne prenášajú do bunkových organel - mitochondrií a kanálov endoplazmatického retikula.
Aby ste pochopili procesy prebiehajúce v neuróne, musíte vedieť, že v bunkovej membráne sú iónové kanály, ktorých počet je určený geneticky. Iónový kanál- Toto je diera v špeciálnej molekule proteínu zabudovanej v membráne. Proteín môže zmeniť svoju konformáciu (priestorovú konfiguráciu), čo vedie k tomu, že kanál je v otvorenom alebo uzavretom stave. Existujú tri hlavné typy takýchto kanálov:
— neustále otvorené;
- potenciálne závislé (napäťovo závislé, elektrosenzitívne) - kanál sa otvára a zatvára v závislosti od transmembránového rozdielu potenciálov, t.j. potenciálny rozdiel medzi vonkajším a vnútorným povrchom cytoplazmatickej membrány;
- chemodependentný (ligand-dependentný, chemosenzitívny) - kanál sa otvára v závislosti od účinku konkrétnej látky špecifickej pre každý kanál naň.
Mikroelektródová technológia sa používa na štúdium elektrických procesov v nervovej bunke. Mikroelektródy umožňujú zaznamenávať elektrické procesy v jednom individuálnom neuróne alebo nervovom vlákne. Typicky sú to sklenené kapiláry s veľmi tenkým hrotom s priemerom menším ako 1 mikrón, naplnené roztokom, ktorý vedie elektrický prúd (napríklad chlorid draselný).
Ak nainštalujete dve elektródy na povrch článku, nezaznamená sa medzi nimi žiadny potenciálny rozdiel. Ale ak jedna z elektród prepichne cytoplazmatickú membránu neurónu (t.j. hrot elektródy je vo vnútornom prostredí), voltmeter zaznamená potenciálny skok na približne -70 mV (obr. 7). Tento potenciál sa nazýva membránový potenciál. Môže byť zaznamenaný nielen v neurónoch, ale aj v menej výraznej forme v iných bunkách tela. Ale iba v nervových, svalových a žľazových bunkách sa môže membránový potenciál zmeniť v reakcii na pôsobenie stimulu. V tomto prípade sa nazýva membránový potenciál bunky, ktorá nie je ovplyvnená žiadnym stimulom oddychový potenciál(PP). Hodnota PP sa v rôznych nervových bunkách líši. Pohybuje sa od -50 do -100 mV. Čo spôsobuje vznik tohto PP?
Počiatočný (pred rozvojom PP) stav neurónu možno charakterizovať ako bez vnútorného náboja, t.j. počet katiónov a aniónov v bunkovej cytoplazme je spôsobený prítomnosťou veľkých organických aniónov, pre ktoré je neurónová membrána nepriepustná. V skutočnosti sa takýto obraz pozoruje v počiatočných štádiách embryonálneho vývoja nervového tkaniva. Potom, keď dozrieva, sú zapnuté gény, ktoré spúšťajú syntézu trvalo otvorené K+ kanály. Po ich integrácii do membrány sú ióny K+ schopné difúziou voľne opustiť bunku (kde ich je veľa) do medzibunkového prostredia (kde ich je oveľa menej).
To však nevedie k vyrovnaniu koncentrácií draslíka vo vnútri a mimo bunky, pretože uvoľnenie katiónov vedie k tomu, že v bunke zostáva stále viac nekompenzovaných negatívnych nábojov. To spôsobuje vznik elektrického potenciálu, ktorý zabraňuje uvoľňovaniu nových kladne nabitých iónov. Výsledkom je, že uvoľňovanie draslíka pokračuje, kým sa sila koncentračného tlaku draslíka, vďaka ktorému opúšťa bunku, a pôsobenie elektrického poľa, ktoré tomu bráni, nevyrovnajú. Výsledkom je, že medzi vonkajším a vnútorným prostredím bunky vzniká potenciálny rozdiel alebo rovnovážny draslíkový potenciál, ktorý je popísaný Nernstova rovnica:
EK = (RT / F) (ln [K+]o / [K+ ]i),
kde R je plynová konštanta, T je absolútna teplota, F je Faradayovo číslo, [K+]o je koncentrácia draselných iónov vo vonkajšom roztoku, [K+ ]i je koncentrácia draselných iónov v bunke.
Rovnica potvrdzuje závislosť, ktorá sa dá odvodiť aj logickou úvahou – čím väčší je rozdiel v koncentráciách draselných iónov vo vonkajšom a vnútornom prostredí, tým väčší (v absolútnej hodnote) je PP.
Klasické štúdie PP sa uskutočnili na obrovských axónoch chobotnice. Ich priemer je asi 0,5 mm, takže celý obsah axónu (axoplazmy) možno bez problémov odstrániť a axón naplniť roztokom draslíka, ktorého koncentrácia zodpovedá jeho intracelulárnej koncentrácii. Samotný axón bol umiestnený do roztoku draslíka s koncentráciou zodpovedajúcou medzibunkovému médiu. Potom sa zaznamenal PP, ktorý sa rovnal -75 mV. Rovnovážny draslíkový potenciál vypočítaný pomocou Nernstovej rovnice pre tento prípad sa ukázal byť veľmi blízky potenciálu získanému v experimente.
Ale PP v axóne chobotnice naplnenej skutočnou axoplazmou je približne -60 mV . Odkiaľ pochádza rozdiel 15 mV? Ukázalo sa, že na tvorbe PP sa podieľajú nielen draselné, ale aj sodné ióny. Faktom je, že okrem draslíkových kanálov obsahuje aj neurónová membrána trvalo otvorené sodíkové kanály. Je ich oveľa menej ako draslíkových, ale membrána stále umožňuje prechod malého množstva iónov Na+ do bunky, a preto je vo väčšine neurónov PP –60-(-65) mV. Prúd sodíka je tiež úmerný rozdielu v jeho koncentráciách vo vnútri a mimo článku – teda čím menší je tento rozdiel, tým väčšia je absolútna hodnota PP. Sodíkový prúd závisí aj od samotného PP. Okrem toho cez membránu difundujú veľmi malé množstvá Cl- iónov. Preto pri výpočte skutočného PP je Nernstova rovnica doplnená o údaje o koncentráciách iónov sodíka a chlóru vo vnútri a mimo článku. V tomto prípade sa vypočítané ukazovatele ukazujú ako veľmi blízke experimentálnym, čo potvrdzuje správnosť vysvetlenia pôvodu PP difúziou iónov cez neurónovú membránu.
Konečná úroveň pokojového potenciálu je teda určená spolupôsobením veľkého množstva faktorov, z ktorých hlavnými sú prúdy K+, Na+ a aktivita sodíkovo-draselnej pumpy. Výsledná hodnota PP je výsledkom dynamickej rovnováhy týchto procesov. Ovplyvnením ktorejkoľvek z nich môžete posunúť úroveň PP a podľa toho aj úroveň excitability nervovej bunky.
V dôsledku vyššie opísaných udalostí je membrána neustále v stave polarizácie - jej vnútorná strana je negatívne nabitá vzhľadom na vonkajšiu. Proces znižovania rozdielu potenciálov (t. j. znižovanie PP v absolútnej hodnote) sa nazýva depolarizácia a jeho zvyšovanie (zvýšenie PP v absolútnej hodnote) sa nazýva hyperpolarizácia.
Dátum zverejnenia: 2015-10-09; Prečítané: 361 | Porušenie autorských práv stránky
studopedia.org - Studopedia.Org - 2014-2018 (0,002 s)…
2–1. Pokojový membránový potenciál je:
1) potenciálny rozdiel medzi vonkajším a vnútorným povrchom bunkovej membrány v stave funkčného pokoja *
2) charakteristický znak iba buniek excitabilných tkanív
3) rýchle kolísanie náboja bunkovej membrány s amplitúdou 90-120 mV
4) potenciálny rozdiel medzi excitovanými a neexcitovanými úsekmi membrány
5) potenciálny rozdiel medzi poškodenými a nepoškodenými oblasťami membrány
2–2. V stave fyziologického pokoja je vnútorný povrch membrány excitabilnej bunky nabitý vo vzťahu k vonkajšiemu:
1) pozitívne
2) rovnako ako vonkajší povrch membrány
3) negatívne*
4) je bez poplatku
5) neexistuje správna odpoveď
2–3. Pozitívny posun (pokles) pokojového membránového potenciálu v dôsledku pôsobenia stimulu sa nazýva:
1) hyperpolarizácia
2) repolarizácia
3) povznesenie
4) depolarizácia*
5) statická polarizácia
2–4. Negatívny posun (zvýšenie) pokojového membránového potenciálu sa nazýva:
1) depolarizácia
2) repolarizácia
3) hyperpolarizácia*
4) povznesenie
5) reverzia
2–5. Zostupná fáza akčného potenciálu (repolarizácia) je spojená so zvýšením priepustnosti membrány pre ióny:
2) vápnik
2–6. Vo vnútri bunky je v porovnaní s medzibunkovou tekutinou koncentrácia iónov vyššia:
3) vápnik
2–7. Zvýšenie prúdu draslíka počas vývoja akčného potenciálu spôsobuje:
1) rýchla repolarizácia membrány*
2) depolarizácia membrány
3) obrátenie membránového potenciálu
4) následná depolarizácia
5) lokálna depolarizácia
2–8. Pri úplnej blokáde rýchlych sodíkových kanálov bunkovej membrány sa pozoruje nasledovné:
1) znížená excitabilita
2) zníženie amplitúdy akčného potenciálu
3) absolútna žiaruvzdornosť*
4) povznesenie
5) stopová depolarizácia
2–9. Záporný náboj vo vnútri bunkovej membrány vzniká v dôsledku difúzie:
1) K+ z bunky a elektrogénna funkcia K-Na pumpy *
2) Na+ do bunky
3) C1 – z bunky
4) Ca2+ do bunky
5) neexistuje správna odpoveď
2–10. Hodnota pokojového potenciálu je blízka hodnote rovnovážneho potenciálu pre ión:
3) vápnik
2–11. Rastúca fáza akčného potenciálu je spojená so zvýšením priepustnosti iónov:
2) neexistuje správna odpoveď
3) sodík*
2–12. Uveďte funkčnú úlohu pokojového membránového potenciálu:
1) jeho elektrické pole ovplyvňuje stav kanálových proteínov a membránových enzýmov*
2) charakterizuje zvýšenie excitability buniek
3) je základná jednotka kódovania informácií v nervovom systéme
4) zabezpečuje prevádzku membránových čerpadiel
5) charakterizuje zníženie excitability buniek
2–13. Schopnosť buniek reagovať na podnety špecifickou reakciou, charakterizovanou rýchlou, reverzibilnou depolarizáciou membrány a zmenou metabolizmu, sa nazýva:
1) podráždenosť
2) vzrušivosť*
3) labilita
4) vodivosť
5) automatické
2–14. Biologické membrány, ktoré sa podieľajú na zmenách intracelulárneho obsahu a intracelulárnych reakciách v dôsledku príjmu extracelulárnych biologicky aktívnych látok, vykonávajú funkciu:
1) bariéra
2) receptor-regulačný*
3) doprava
4) diferenciácia buniek
2–15. Minimálna sila stimulu potrebná a dostatočná na vyvolanie reakcie sa nazýva:
1) prah*
2) nadprahová
3) submaximálne
4) podprahové
5) maximálne
2–16. Keď sa stimulačný prah zvyšuje, excitabilita buniek:
1) zvýšená
2) znížená*
3) sa nezmenil
4) je to tak
5) neexistuje správna odpoveď
2–17. Biologické membrány, podieľajúce sa na premene vonkajších podnetov neelektrickej a elektrickej povahy na bioelektrické signály, plnia predovšetkým nasledujúcu funkciu:
1) bariéra
2) regulačné
3) diferenciácia buniek
4) doprava
5) generovanie akčného potenciálu*
2–18. Akčný potenciál je:
1) stabilný potenciál, ktorý vzniká na membráne v rovnováhe dvoch síl: difúznej a elektrostatickej
2) potenciál medzi vonkajším a vnútorným povrchom bunky v stave funkčného pokoja
3) rýchla, aktívne sa šíriaca fázová oscilácia membránového potenciálu, sprevádzaná spravidla dobíjaním membrán*
4) mierna zmena membránového potenciálu pôsobením podprahového stimulu
5) dlhodobá, stagnujúca depolarizácia membrány
2–19. Priepustnosť membrány pre Na+ vo fáze depolarizácie akčného potenciálu:
1) sa prudko zvýši a objaví sa silný sodíkový prúd vstupujúci do bunky*
2) prudko klesá a objavuje sa silný sodíkový prúd opúšťajúci bunku
3) sa výrazne nemení
4) je to tak
5) neexistuje správna odpoveď
2–20. Biologické membrány, ktoré sa podieľajú na uvoľňovaní neurotransmiterov v synaptických zakončeniach, vykonávajú predovšetkým nasledujúcu funkciu:
1) bariéra
2) regulačné
3) medzibunková interakcia*
4) receptor
5) generovanie akčného potenciálu
2–21. Molekulárny mechanizmus, ktorý zabezpečuje odstránenie sodných iónov z cytoplazmy a zavedenie draselných iónov do cytoplazmy, sa nazýva:
1) napäťovo riadený sodíkový kanál
2) nešpecifický sodíkovo-draslíkový kanál
3) chemodependentný sodíkový kanál
4) sodíkovo-draslíková pumpa*
5) únikový kanál
2–22. Systém na pohyb iónov cez membránu pozdĺž koncentračného gradientu, nie vyžadujúci priamy energetický výdaj sa nazýva:
1) pinocytóza
2) pasívny transport*
3) aktívny transport
4) persorpcia
5) exocytóza
2–23. Úroveň membránového potenciálu, pri ktorej vzniká akčný potenciál, sa nazýva:
1) pokojový membránový potenciál
2) kritická úroveň depolarizácie*
3) stopová hyperpolarizácia
4) nulová úroveň
5) stopová depolarizácia
2–24. So zvýšením koncentrácie K+ v extracelulárnom prostredí s pokojovým membránovým potenciálom v excitabilnej bunke dôjde k nasledovnému:
1) depolarizácia*
2) hyperpolarizácia
3) transmembránový potenciálny rozdiel sa nezmení
4) stabilizácia transmembránového potenciálneho rozdielu
5) neexistuje správna odpoveď
2–25. Najvýznamnejšia zmena pri vystavení rýchlemu blokátoru sodíkových kanálov bude:
1) depolarizácia (zníženie pokojového potenciálu)
2) hyperpolarizácia (zvýšenie pokojového potenciálu)
3) zníženie strmosti depolarizačnej fázy akčného potenciálu*
4) spomalenie fázy repolarizácie akčného potenciálu
5) neexistuje správna odpoveď
3. ZÁKLADNÉ PRAVIDLÁ PODRÁŽDENIA
VZRUŠITEĽNÉ TKANIVO
3–1. Zákon, podľa ktorého so zvyšujúcou sa silou stimulu sa odozva postupne zvyšuje, až kým nedosiahne maximum, sa nazýva:
1) „všetko alebo nič“
2) pevnosť-trvanie
3) ubytovanie
4) moc (mocenské vzťahy)*
5) polárne
3–2. Zákon, podľa ktorého excitabilná štruktúra reaguje na prahovú a nadprahovú stimuláciu maximálnou možnou odozvou, sa nazýva:
2) „všetko alebo nič“*
3) pevnosť-trvanie
4) ubytovanie
5) polárne
3–3. Minimálny čas, počas ktorého prúd rovnajúci sa dvojnásobku reobázy (dvojnásobok prahovej sily) spôsobí budenie, sa nazýva:
1) užitočný čas
2) ubytovanie
3) prispôsobenie
4) chronaxia*
5) labilita
3–4. Konštrukcia sa riadi zákonom sily:
1) srdcový sval
2) jediné nervové vlákno
3) jediné svalové vlákno
4) celý kostrový sval*
5) jedna nervová bunka
Štruktúra sa riadi zákonom „všetko alebo nič“:
1) celý kostrový sval
2) nervový kmeň
3) srdcový sval*
4) hladké svalstvo
5) nervové centrum
3–6. Adaptácia tkaniva na pomaly rastúci stimul sa nazýva:
1) labilita
2) funkčná mobilita
3) hyperpolarizácia
4) ubytovanie*
5) brzdenie
3–7. Parabiózna fáza parabiózy je charakterizovaná:
1) zníženie odozvy so zvyšujúcou sa silou stimulu*
2) zníženie odozvy, keď sa zníži sila stimulu
3) zvýšenie odozvy so zvyšujúcou sa silou stimulu
4) rovnaká reakcia so zvyšujúcou sa silou stimulu
5) nedostatok reakcie na akékoľvek silné podnety
3–8. Prah podráždenia je indikátorom:
1) vzrušivosť*
2) kontraktilita
3) labilita
4) vodivosť
5) automatizácia
Dátum zverejnenia: 2015-04-08; Prečítané: 2728 | Porušenie autorských práv stránky
studopedia.org - Studopedia.Org - 2014-2018 (0,009 s)…
ÚLOHA AKTÍVNEHO TRANSPORTU IÓNOV PRI TVORENÍ MEMBRÁNOVÉHO POTENCIÁLU
Jednou z výhod „ideálnej“ membrány, ktorá umožňuje každému jednému iónu prejsť, je udržanie membránového potenciálu tak dlho, ako je požadované, bez plytvania energiou, za predpokladu, že prenikajúci ión je spočiatku rozmiestnený nerovnomerne na oboch stranách membrány. Zároveň je membrána živých buniek v tej či onej miere priepustná pre všetky anorganické ióny nachádzajúce sa v roztoku obklopujúcom bunku. Preto musia bunky
Vnútrobunkovú koncentráciu iónov nejakým spôsobom udržiavame na určitej úrovni. Celkom indikatívne sú v tomto smere sodné ióny, pričom na príklade ich priepustnosti v predchádzajúcej časti skúmame odchýlku membránového potenciálu svalu od rovnovážneho draslíkového potenciálu. Podľa nameraných koncentrácií sodíkových iónov mimo a vo vnútri svalovej bunky bude rovnovážny potenciál vypočítaný pomocou Nernstovej rovnice pre tieto ióny asi 60 mV so znamienkom plus vo vnútri bunky. Membránový potenciál, vypočítaný pomocou Goldmanovej rovnice a meraný pomocou mikroelektród, je 90 mV so znamienkom mínus vo vnútri článku. Jeho odchýlka od rovnovážneho potenciálu pre ióny sodíka bude teda 150 mV. Pod vplyvom takého vysokého potenciálu, dokonca aj s nízkou permeabilitou, sodíkové ióny vstúpia cez membránu a hromadia sa vo vnútri bunky, čo bude sprevádzané uvoľňovaním iónov draslíka z nej. V dôsledku tohto procesu sa intra- a extracelulárne koncentrácie iónov po určitom čase vyrovnajú.
V živej bunke sa to v skutočnosti nedeje, keďže sodíkové ióny sú z bunky neustále odstraňované pomocou takzvanej iónovej pumpy. Predpoklad o existencii iónovej pumpy vyslovil R. Dean v 40. rokoch 20. storočia. a bol mimoriadne dôležitým doplnkom k membránovej teórii tvorby pokojového potenciálu v živých bunkách. Experimentálne sa ukázalo, že k aktívnemu „čerpaniu“ Na+ z bunky dochádza pri obligátnom „čerpaní“ draselných iónov do bunky (obr. 2.8). Keďže priepustnosť membrány pre sodíkové ióny je malá, ich vstup z vonkajšieho prostredia do bunky bude prebiehať pomaly, preto
Nízka koncentrácia K+ Vysoká koncentrácia Na++
pumpa bude účinne udržiavať nízku koncentráciu sodíkových iónov v bunke. Priepustnosť membrány pre draselné ióny v pokoji je pomerne vysoká a ľahko difundujú cez membránu.
Na udržanie vysokej koncentrácie draselných iónov nie je potrebné plytvať energiou, udržiava sa vďaka vzniknutému transmembránovému potenciálu rozdielu, mechanizmy jeho vzniku sú podrobne popísané v predchádzajúcich častiach. Transport iónov pumpou vyžaduje metabolickú energiu bunky. Zdrojom energie pre tento proces je energia uložená vo vysokoenergetických väzbách molekúl ATP. Energia sa uvoľňuje v dôsledku hydrolýzy ATP pomocou enzýmu adenozíntrifosfatázy. Predpokladá sa, že ten istý enzým priamo vykonáva transport iónov. V súlade so štruktúrou bunkovej membrány je ATPáza jedným z integrálnych proteínov zabudovaných do lipidovej dvojvrstvy. Zvláštnosťou nosného enzýmu je jeho vysoká afinita k draselným iónom na vonkajšom povrchu a k sodným iónom na vnútornom povrchu. Účinok inhibítorov oxidačných procesov (kyanidov alebo azidov) na bunku, ochladzovanie buniek blokuje hydrolýzu ATP, ako aj aktívny prenos iónov sodíka a draslíka. Postupne sa do bunky dostávajú sodné ióny a draselné ióny z nej odchádzajú a so znižovaním pomeru [K+]o/[K+]- bude pokojový potenciál pomaly klesať k nule. Diskutovali sme o situácii, keď iónová pumpa odstraňuje jeden kladne nabitý sodíkový ión z intracelulárneho prostredia a podľa toho prenáša jeden kladne nabitý draselný ión z extracelulárneho priestoru (pomer 1: 1). V tomto prípade sa hovorí o iónovej pumpe elektricky neutrálny.
Zároveň sa experimentálne zistilo, že v niektorých nervových bunkách odoberie iónová pumpa za rovnaký čas viac iónov sodíka, ako pumpuje ióny draslíka (pomer môže byť 3:2). V takýchto prípadoch je iónová pumpa elektrogénny, T.
Phiziologia_Answer
To znamená, že sám vytvára malý, ale konštantný celkový prúd kladných nábojov z článku a navyše prispieva k vytvoreniu negatívneho potenciálu v ňom. Všimnite si, že dodatočný potenciál vytvorený pomocou elektrogénneho čerpadla v pokojovej bunke nepresahuje niekoľko milivoltov.
Zhrňme si informácie o mechanizmoch vzniku membránového potenciálu – pokojového potenciálu v bunke. Hlavným procesom, vďaka ktorému sa väčšina potenciálu so záporným znamienkom vytvára na vnútornom povrchu bunkovej membrány, je vznik elektrického potenciálu, ktorý oneskoruje pasívny výstup draselných iónov z bunky pozdĺž jej koncentračného gradientu cez draslíkové kanály - v-
 |
integrálne proteíny. Iné ióny (napríklad sodné ióny) sa podieľajú na vytváraní potenciálu len v malej miere, pretože priepustnosť membrány je pre ne oveľa nižšia ako pre ióny draslíka, t.j. počet otvorených kanálov pre tieto ióny v pokojovom stave. je malý. Mimoriadne dôležitou podmienkou pre udržanie pokojového potenciálu je prítomnosť v bunke (v bunkovej membráne) iónovej pumpy (integrálnej bielkoviny), ktorá zabezpečuje koncentráciu sodíkových iónov vo vnútri bunky na nízkej úrovni a tým vytvára predpoklady pre hlavné potenciálotvorné vnútrobunkové ióny ocele draselné ióny. Samotná iónová pumpa môže v malej miere prispieť k pokojovému potenciálu, ale za predpokladu, že jej práca v bunke je elektrogénna.
Koncentrácia iónov vo vnútri a mimo bunky
Existujú teda dve skutočnosti, ktoré je potrebné zvážiť, aby sme pochopili mechanizmy, ktoré udržiavajú pokojový membránový potenciál.
1 . Koncentrácia draselných iónov v bunke je oveľa vyššia ako v extracelulárnom prostredí. 2 . Membrána v pokoji je selektívne priepustná pre K+ a pre Na+ je permeabilita membrány v pokoji nevýznamná. Ak vezmeme priepustnosť draslíka za 1, potom priepustnosť sodíka v pokoji je len 0,04. teda existuje konštantný tok iónov K+ z cytoplazmy pozdĺž koncentračného gradientu. Draslíkový prúd z cytoplazmy vytvára relatívny nedostatok kladných nábojov na vnútornom povrchu, bunková membrána je nepriepustná pre anióny, v dôsledku čoho sa bunková cytoplazma nabije negatívne vo vzťahu k prostrediu obklopujúcemu bunku. Tento potenciálny rozdiel medzi bunkou a extracelulárnym priestorom, polarizácia bunky, sa nazýva pokojový membránový potenciál (RMP).
Vzniká otázka: prečo tok draselných iónov nepokračuje, kým sa koncentrácie iónu mimo a vnútri bunky nevyrovnajú? Malo by sa pamätať na to, že ide o nabitú časticu, preto jej pohyb závisí aj od náboja membrány. Vnútrobunkový negatívny náboj, ktorý vzniká v dôsledku toku iónov draslíka z bunky, bráni novým iónom draslíka opustiť bunku. Tok draselných iónov sa zastaví, keď pôsobenie elektrického poľa kompenzuje pohyb iónu pozdĺž koncentračného gradientu. V dôsledku toho sa pre daný rozdiel v koncentráciách iónov na membráne vytvorí takzvaný ROVNOVÁHA POTENCIÁL pre draslík. Tento potenciál (Ek) sa rovná RT/nF *ln /, (n je valencia iónu.) alebo
Ek=61,5 log/
Membránový potenciál (MP) do značnej miery závisí od rovnovážneho potenciálu draslíka, avšak niektoré ióny sodíka stále prenikajú do pokojovej bunky, ako aj ióny chlóru. Negatívny náboj, ktorý má bunková membrána, teda závisí od rovnovážnych potenciálov sodíka, draslíka a chlóru a je opísaný Nernstovou rovnicou. Prítomnosť tohto pokojového membránového potenciálu je mimoriadne dôležitá, pretože určuje schopnosť bunky excitovať – špecifickú reakciu na stimul.
Bunková excitácia
IN vzrušenie buniek (prechod z pokojového do aktívneho stavu) nastáva, keď sa zvyšuje priepustnosť iónových kanálov pre sodík a niekedy aj pre vápnik. Dôvodom zmeny permeability môže byť zmena membránového potenciálu - aktivujú sa elektricky excitovateľné kanály a interakcia membránových receptorov s biologicky aktívnou látkou - receptormi - riadené kanály a mechanické pôsobenie. V každom prípade je to potrebné pre rozvoj vzrušenia počiatočná depolarizácia - mierny pokles záporného náboja membrány, spôsobené pôsobením podnetu. Dráždivou látkou môže byť akákoľvek zmena parametrov vonkajšieho alebo vnútorného prostredia tela: svetlo, teplota, chemikálie (účinky na chuťové a čuchové receptory), naťahovanie, tlak. Sodík prúdi do bunky, dochádza k iónovému prúdu a membránový potenciál klesá - depolarizácia membrány.
Tabuľka 4
Zmena membránového potenciálu po excitácii bunky.
Upozorňujeme, že sodík vstupuje do bunky pozdĺž koncentračného gradientu a elektrického gradientu: koncentrácia sodíka v bunke je 10-krát nižšia ako v extracelulárnom prostredí a náboj v porovnaní s extracelulárnym je negatívny. Draslíkové kanály sú tiež aktivované v rovnakom čase, ale sodíkové (rýchle) kanály sa aktivujú a deaktivujú v priebehu 1 - 1,5 milisekúnd a draslíkové kanály dlhšie.
Zmeny membránového potenciálu sú zvyčajne znázornené graficky. Horný obrázok ukazuje počiatočnú depolarizáciu membrány - zmenu potenciálu ako odpoveď na pôsobenie stimulu. Pre každú excitabilnú bunku existuje špeciálna úroveň membránového potenciálu, po dosiahnutí ktorej sa vlastnosti sodíkových kanálov prudko menia. Tento potenciál sa nazýva kritická úroveň depolarizácie (KUD). Keď sa membránový potenciál zmení na KUD, otvoria sa rýchle sodíkové kanály závislé od napätia a do bunky sa ponáhľa prúd sodíkových iónov. Keď kladne nabité ióny vstupujú do bunky, kladný náboj sa v cytoplazme zvyšuje. V dôsledku toho sa transmembránový potenciálny rozdiel zníži, hodnota MP sa zníži na 0 a potom, ako sodík naďalej vstupuje do bunky, membrána sa znovu nabije a náboj sa obráti (prekmitne) - teraz sa povrch stáva elektronegatívnym vzhľadom na do cytoplazmy - membrána je úplne DEPOLARIZOVANÁ - stredný obrázok. Žiadna ďalšia zmena v poplatku nenastane, pretože sodíkové kanály sú inaktivované– viac sodíka nemôže vstúpiť do bunky, hoci koncentračný gradient sa mení veľmi mierne. Ak má stimul takú silu, že depolarizuje membránu na CUD, tento stimul sa nazýva prahová, spôsobuje excitáciu bunky. Potenciálny bod zvratu je znakom toho, že celý rozsah podnetov akejkoľvek modality bol preložený do jazyka nervového systému – excitačné impulzy. Impulzy alebo excitačné potenciály sa nazývajú akčné potenciály. Akčný potenciál (AP) je rýchla zmena membránového potenciálu v reakcii na stimul prahovej sily. AP má štandardné parametre amplitúdy a času, ktoré nezávisia od sily stimulu – pravidlo „ALL OR NOTHING“. Ďalšou fázou je obnovenie pokojového membránového potenciálu - repolarizácia(dolný obrázok) je spôsobený hlavne aktívnym transportom iónov. Najdôležitejším procesom aktívneho transportu je práca Na/K pumpy, ktorá pumpuje sodíkové ióny von z bunky a súčasne pumpuje draselné ióny do bunky. K obnove membránového potenciálu dochádza v dôsledku toku iónov draslíka z bunky - aktivujú sa draslíkové kanály a umožňujú draslíkovým iónom prechádzať, kým sa nedosiahne rovnovážny potenciál draslíka. Tento proces je dôležitý, pretože kým sa MPP neobnoví, bunka nie je schopná vnímať nový impulz excitácie.
HYPERPOLARIZÁCIA je krátkodobé zvýšenie MP po jeho obnovení, ktoré je spôsobené zvýšením priepustnosti membrán pre ióny draslíka a chlóru. Hyperpolarizácia nastáva až po AP a nie je typická pre všetky bunky. Skúsme ešte raz graficky znázorniť fázy akčného potenciálu a iónové procesy, ktoré sú základom zmien membránového potenciálu (obr.
Kľudový potenciál neurónov
9). Na vodorovnú os vynesieme hodnoty membránového potenciálu v milivoltoch, na zvislú os čas v milisekundách.
1. Depolarizácia membrány na KUD - môžu sa otvoriť akékoľvek sodíkové kanály, niekedy vápnikové, rýchle aj pomalé, napäťovo a receptorovo riadené. Závisí to od typu stimulu a typu buniek
2. Rýchly vstup sodíka do bunky - rýchle, na napätí závislé sodíkové kanály sa otvárajú a depolarizácia dosiahne bod obratu potenciálu - membrána sa znovu nabije, znamienko náboja sa zmení na kladné.
3. Obnova koncentračného gradientu draslíka - prevádzka čerpadla. Draslíkové kanály sú aktivované, draslík sa presúva z bunky do extracelulárneho prostredia – začína sa repolarizácia, obnova MPP
4. Stopová depolarizácia alebo negatívny stopový potenciál - membrána je stále depolarizovaná vzhľadom na MPP.
5. Hyperpolarizácia stopy. Draslíkové kanály zostávajú otvorené a dodatočný draslíkový prúd hyperpolarizuje membránu. Potom sa bunka vráti na svoju pôvodnú úroveň MPP. Trvanie AP sa pohybuje od 1 do 3-4 ms pre rôzne bunky.
Obrázok 9 Fázy akčného potenciálu
Venujte pozornosť trom potenciálnym hodnotám, dôležitým a konštantným pre každý článok, jeho elektrickým charakteristikám.
1. MPP - elektronegativita bunkovej membrány v pokoji, poskytujúca schopnosť excitácie - excitabilita. Na obrázku je MPP = -90 mV.
2. CUD - kritická úroveň depolarizácie (alebo prah pre tvorbu membránového akčného potenciálu) - je to hodnota membránového potenciálu, pri ktorej sa otvoria rýchlo, napäťovo závislé sodíkové kanály a membrána sa znovu nabije v dôsledku vstupu kladných sodíkových iónov do bunky. Čím vyššia je elektronegativita membrány, tým je ťažšie ju depolarizovať na CUD, tým je takýto článok menej excitabilný.
3. Potenciálny bod zvratu (prekmit) - táto hodnota pozitívne membránový potenciál, pri ktorom kladne nabité ióny už neprenikajú do bunky – krátkodobý rovnovážny sodíkový potenciál. Na obrázku + 30 mV. Celková zmena membránového potenciálu z –90 na +30 bude pre danú bunku 120 mV, táto hodnota je akčný potenciál. Ak tento potenciál vznikne v neuróne, rozšíri sa pozdĺž nervového vlákna, ak vo svalových bunkách, rozšíri sa pozdĺž membrány svalového vlákna a povedie ku kontrakcii, v žľazových bunkách k sekrécii, k bunkovej činnosti. Toto je špecifická odpoveď bunky na pôsobenie stimulu, excitácia.
Pri vystavení podnetu podprahová sila dochádza k neúplnej depolarizácii – LOCAL RESPONSE (LO).
Neúplná alebo čiastočná depolarizácia je zmena náboja membrány, ktorá nedosahuje kritickú úroveň depolarizácie (CLD).
Obrázok 10. Zmena membránového potenciálu ako odpoveď na stimul podprahovej sily – lokálna odpoveď
Lokálna odpoveď má v podstate rovnaký mechanizmus ako AP, jej vzostupná fáza je určená prílevom iónov sodíka a jej zostupná fáza je určená uvoľňovaním iónov draslíka.
Amplitúda LO je však úmerná sile podprahovej stimulácie a nie je štandardná ako pri AP.
Tabuľka 5
Je ľahké vidieť, že v bunkách existujú podmienky, za ktorých by mal vzniknúť potenciálny rozdiel medzi bunkou a medzibunkovým prostredím:
1) bunkové membrány sú dobre priepustné pre katióny (predovšetkým draslík), zatiaľ čo priepustnosť membrán pre anióny je oveľa menšia;
2) koncentrácie väčšiny látok v bunkách a v medzibunkovej tekutine sa značne líšia (porovnaj s tým, čo bolo povedané na str.
). Preto sa na bunkových membránach objaví dvojitá elektrická vrstva („mínus“ na vnútornej strane membrány, „plus“ na vonkajšej strane) a na membráne musí existovať konštantný potenciálový rozdiel, ktorý sa nazýva pokojový potenciál. . Membrána je vraj v pokoji polarizovaná.
Nernst prvýkrát vyjadril hypotézu o podobnej povahe PP buniek a difúznom potenciáli v roku 1896.
Vedomostná základňa
študent Vojenskej lekárskej akadémie Yu.V. Chagovets. Tento názor teraz potvrdili početné experimentálne údaje. Je pravda, že medzi nameranými hodnotami PP a hodnotami vypočítanými pomocou vzorca (1) existujú určité nezrovnalosti, ale sú vysvetlené dvoma zrejmými dôvodmi. Po prvé, bunky neobsahujú len jeden katión, ale veľa (K, Na, Ca, Mg atď.). Toto možno vziať do úvahy nahradením Nernstovho vzorca (1) komplexnejším vzorcom, ktorý vyvinul Goldman:
Kde pK je priepustnosť membrány pre draslík, pNa je rovnaké pre sodík, pCl je rovnaké pre chlór; [K + ] e je koncentrácia draselných iónov mimo článku, [K + ] i je rovnaká vo vnútri článku (podobne ako sodík a chlór); Elipsy označujú zodpovedajúce výrazy pre iné ióny. Ióny chlóru (a iné anióny) sa pohybujú opačným smerom ako ióny draslíka a sodíka, takže symboly „e“ a „i“ sú pre ne v opačnom poradí.
Výpočet pomocou Goldmanovho vzorca poskytuje oveľa lepšiu zhodu s experimentom, ale stále pretrvávajú určité nezrovnalosti. Vysvetľuje to skutočnosť, že pri odvodzovaní vzorca (2) sa neuvažovalo s prevádzkou aktívnej dopravy. Zohľadnenie toho druhého umožňuje dosiahnuť takmer úplnú zhodu so skúsenosťami.
19. Sodíkové a draslíkové kanály v membráne a ich úloha v bioelektrogenéze. Mechanizmus brány. Vlastnosti potenciálne závislých kanálov. Mechanizmus vzniku akčného potenciálu. Stav kanálov a charakter iónových tokov v rôznych fázach AP. Úloha aktívneho transportu v bioelektrogenéze. Kritický membránový potenciál. Zákon „všetko alebo nič“ pre dráždivé membrány. Žiaruvzdornosť.
Ukázalo sa, že selektívny filter má „tuhú“ štruktúru, to znamená, že nemení svoj lúmen za rôznych podmienok. Prechody kanála z otvoreného stavu do zatvoreného stavu a naopak sú spojené s prevádzkou neselektívneho filtra, hradlového mechanizmu. Hradlovými procesmi vyskytujúcimi sa v jednej alebo druhej časti iónového kanála, ktorý sa nazýva brána, rozumieme akékoľvek zmeny v konformácii proteínových molekúl, ktoré tvoria kanál, v dôsledku čoho sa jeho pár môže otvárať alebo zatvárať. V dôsledku toho sa brány zvyčajne nazývajú funkčné skupiny proteínových molekúl, ktoré zabezpečujú procesy brány. Je dôležité, aby bránu poháňali fyziologické podnety, teda tie, ktoré sú prítomné v prirodzených podmienkach. Medzi fyziologickými stimulmi zohrávajú zvláštnu úlohu posuny membránového potenciálu.
Existujú kanály, ktoré sú riadené potenciálnymi rozdielmi na membráne, pričom sú pri niektorých hodnotách membránového potenciálu otvorené a pri iných zatvorené. Takéto kanály sa nazývajú potenciálne závislé. Práve s nimi je spojená generácia PD. Všetky iónové kanály biomembrán sú vďaka svojmu osobitnému významu rozdelené do 2 typov: napäťovo závislé a napäťovo nezávislé. Prirodzenými stimulmi, ktoré riadia pohyb brán v kanáloch druhého typu, nie sú posuny membránového potenciálu, ale iné faktory. Napríklad v chemosenzitívnych kanáloch patrí úloha kontrolného stimulu chemickým látkam.
Základnou súčasťou napäťovo riadeného iónového kanála je snímač napätia. Toto je názov pre skupiny proteínových molekúl, ktoré môžu reagovať na zmeny v elektrickom poli. Zatiaľ neexistujú žiadne konkrétne informácie o tom, čo sú a ako sa nachádzajú, ale je jasné, že elektrické pole môže vo fyzickom prostredí interagovať iba s nábojmi (či už voľnými alebo viazanými). Predpokladalo sa, že Ca2+ (voľné náboje) slúži ako senzor napätia, keďže zmeny jeho obsahu v medzibunkovej tekutine vedú k rovnakým dôsledkom ako posuny membránového potenciálu. Napríklad desaťnásobný pokles koncentrácie vápenatých iónov v interstíciu je ekvivalentný depolarizácii plazmatickej membrány o približne 15 mV. Neskôr sa však ukázalo, že Ca2+ je potrebný na fungovanie napäťového senzora, ale sám ním nie je. AP sa vytvára aj vtedy, keď koncentrácia voľného vápnika v medzibunkovom médiu klesne pod 10~8 mol. Okrem toho obsah Ca2+ v cytoplazme má vo všeobecnosti malý vplyv na iónovú vodivosť plazmalemy. Je zrejmé, že k napäťovému senzoru sú pripojené náboje - skupiny proteínových molekúl s veľkým dipólovým momentom. Sú ponorené do lipidovej dvojvrstvy, ktorá sa vyznačuje pomerne nízkou viskozitou (30 - 100 cP) a nízkou dielektrickou konštantou. K tomuto záveru sa dospelo štúdiom kinetických charakteristík pohybu napäťového snímača pri posunoch membránového potenciálu. Tento pohyb predstavuje typický posuvný prúd.
Moderný funkčný model napäťovo závislého sodíkového kanála zabezpečuje existenciu dvoch typov brán pracujúcich v protifáze. Líšia sa inerciálnymi vlastnosťami. Pohyblivejšie (ľahké) sa nazývajú m-brány, inerciálne (ťažšie) h-brány. V pokoji je h-brána otvorená, m-brána zatvorená a pohyb Na+ cez kanál je nemožný. Keď je plazmalema depolarizovaná, brány oboch typov sa začnú pohybovať, ale v dôsledku nerovnakej zotrvačnosti sa m-bráne podarí
otvorte pred zatvorením h-brány. V tomto momente je sodíkový kanál otvorený a Na+ ním prúdi do bunky. Oneskorenie pohybu h-brány voči m-bráne zodpovedá trvaniu depolarizačnej fázy AP. Keď sa h-brána zatvorí, prietok Na+ cez membránu sa zastaví a začne sa repolarizácia. Potom sa h - a m - brány vrátia do pôvodného stavu. Napäťovo závislé sodíkové kanály sa aktivujú (zapnú) počas rýchlej (sakádovej) depolarizácie plazmatickej membrány. ,
PD vzniká vďaka rýchlejšej difúzii sodných iónov cez plazmatickú membránu v porovnaní s aniónmi, ktoré s ním tvoria soli v medzibunkovom prostredí. V dôsledku toho je depolarizácia spojená so vstupom sodíkových katiónov do cytoplazmy. Keď sa PD vyvinie, sodík sa v bunke nehromadí. Pri vzrušení prúdi sodík dovnútra a von. Výskyt PD nie je spôsobený porušením koncentrácií iónov v cytoplazme, ale poklesom elektrického odporu plazmatickej membrány v dôsledku zvýšenia jej permeability pre sodík.
Ako už bolo spomenuté, pod vplyvom prahových a nadprahových stimulov excitabilná membrána generuje AP. Tento proces je charakteristický zákona "všetko alebo nič. Je to protiklad postupnosti. Zmyslom zákona je, že parametre PD nezávisia od intenzity podnetu. Po dosiahnutí CMP sú zmeny v potenciálnom rozdiele na excitovateľnej membráne určené iba vlastnosťami jej napäťovo riadených iónových kanálov, ktoré poskytujú prichádzajúci prúd. Medzi nimi vonkajší podnet otvára len tie najcitlivejšie. Iné sa otvárajú vďaka predchádzajúcim, bez ohľadu na podnet. Hovoria o spontánnej povahe procesu zapájania stále viac nových napäťovo závislých iónových kanálov do transmembránového transportu iónov. Preto amplitúda. Trvanie a strmosť nábežnej a odtokovej hrany AP závisí iba od iónových gradientov na bunkovej membráne a kinetických charakteristík jej kanálov. Zákon „všetko alebo nič“ je charakteristickou vlastnosťou jednotlivých buniek a vlákien, ktoré majú excitabilnú membránu. Nie je charakteristický pre väčšinu mnohobunkových útvarov. Výnimkou sú štruktúry organizované podľa typu syncýtia.
Dátum zverejnenia: 25.01.2015; Prečítané: 421 | Porušenie autorských práv stránky
studopedia.org - Studopedia.Org - 2014-2018 (0,001 s)…
Kladne nabité draselné ióny do prostredia z cytoplazmy bunky v procese nastolenia osmotickej rovnováhy. Anióny organických kyselín, ktoré neutralizujú náboj draselných iónov v cytoplazme, nemôžu opustiť bunku, avšak draselné ióny, ktorých koncentrácia v cytoplazme je v porovnaní s prostredím vysoká, difundujú z cytoplazmy, kým nezačne elektrický náboj, ktorý vytvárajú vyrovnať ich koncentračný gradient na bunkovej membráne.
Encyklopedický YouTube
1 / 3
✪ Membránové potenciály – časť 1
✪ Pokojový potenciál: - 70 mV. Depolarizácia, repolarizácia
✪ Oddychový potenciál
titulky
Nakreslím malú bunku. Toto bude typická bunka a je naplnená draslíkom. Vieme, že bunky si ho radi ukladajú v sebe. Veľa draslíka. Nech je jeho koncentrácia niekde okolo 150 milimólov na liter. Obrovské množstvo draslíka. Dajme to do zátvoriek, pretože zátvorky predstavujú koncentráciu. Určitý podiel draslíka je prítomný aj zvonka. Tu bude koncentrácia približne 5 milimólov na liter. Ukážem vám, ako sa vytvorí koncentračný gradient. Nedeje sa to samo od seba. To si vyžaduje veľa energie. Do bunky sa pumpujú dva draselné ióny a súčasne z bunky odchádzajú tri ióny sodíka. Takto sa draselné ióny dostávajú spočiatku dovnútra. Teraz, keď sú vo vnútri, zostanú tam sami? Samozrejme, že nie. Nájdu anióny, malé molekuly alebo atómy s negatívnym nábojom a usadia sa v ich blízkosti. Celkový náboj sa tak stane neutrálnym. Každý katión má svoj vlastný anión. A zvyčajne sú tieto anióny proteíny, nejaký druh štruktúr, ktoré majú negatívny bočný reťazec. Môže to byť chlorid alebo napríklad fosfát. Čokoľvek. Ktorýkoľvek z týchto aniónov bude stačiť. Nakreslím niekoľko ďalších aniónov. Takže tu sú dva draselné ióny, ktoré sa práve dostali do bunky, takto to teraz všetko vyzerá. Ak je všetko dobré a statické, potom vyzerajú takto. A v skutočnosti, aby som bol úplne spravodlivý, existujú aj malé anióny, ktoré sa tu nachádzajú spolu s iónmi draslíka. Bunka má malé otvory, cez ktoré môže draslík unikať. Uvidíme, ako to bude vyzerať a ako to ovplyvní to, čo sa tu deje. Takže máme tieto malé kanály. Cez ne môže prechádzať iba draslík. To znamená, že tieto kanály sú veľmi špecifické pre draslík. Nič iné cez ne nemôže prejsť. Ani anióny, ani bielkoviny. Zdá sa, že draselné ióny hľadajú tieto kanály a uvažujú: „Wow, aké zaujímavé! Je tu toľko draslíka! Mali by sme ísť von." A všetky tieto draselné ióny jednoducho opustia bunku. Idú von. A v dôsledku toho sa stane zaujímavá vec. Väčšina z nich sa presťahovala von. Ale vonku je už niekoľko iónov draslíka. Povedal som, že je tu tento malý ión a teoreticky by sa mohol dostať dovnútra. Ak chce, môže vstúpiť do tejto cely. Faktom však je, že celkovo máte viac pohybov smerom von ako dovnútra. Teraz vymazávam túto cestu, pretože chcem, aby ste si zapamätali, že máme viac draselných iónov, ktoré sa chcú dostať von kvôli koncentračnému gradientu. Toto je prvá etapa. Dovoľte mi to zapísať. Koncentračný gradient spôsobuje pohyb draslíka smerom von. Draslík sa začína pohybovať smerom von. Opustí klietku. Čo potom? Dovoľte mi ho nakresliť, ako ide von. Tento draselný ión je teraz tu a tento je tu. Zostanú len anióny. Zostali po tom, čo draslík odišiel. A tieto anióny začnú produkovať záporný náboj. Veľmi veľký záporný náboj. Len niekoľko aniónov pohybujúcich sa tam a späť vytvára záporný náboj. A draselné ióny zvonku si myslia, že je to všetko veľmi zaujímavé. Je tu negatívny náboj. A keďže tam je, tak ich to láka, keďže oni sami majú pozitívny náboj. Sú priťahované k zápornému náboju. Chcú sa vrátiť. Teraz sa nad tým zamyslite. Máte koncentračný gradient, ktorý vytláča draslík von. Ale na druhej strane existuje membránový potenciál - v tomto prípade negatívny - ktorý vzniká v dôsledku skutočnosti, že draslík zanechal anión. Tento potenciál stimuluje draslík k spätnému toku. Jedna sila, koncentrácia, vytláča ión draslíka von, iná sila, membránový potenciál, ktorý draslík vytvára, ho tlačí späť dovnútra. Uvoľním miesto. Teraz vám ukážem niečo zaujímavé. Zostrojme dve krivky. Pokúsim sa na tejto snímke nič nevynechať. Všetko sem nakreslím a potom bude viditeľný malý fragment. Zostrojíme dve krivky. Jedna z nich bude pre koncentračný gradient a druhá bude pre membránový potenciál. Budú to draselné ióny na vonkajšej strane. Ak ich budete po čase nasledovať – tentoraz – dostanete niečo takéto. Draselné ióny majú tendenciu vystupovať a dosiahnuť rovnováhu v určitom bode. Urobme to isté s časom na tejto osi. To bude náš membránový potenciál. Začneme v nulovom časovom bode a dostaneme negatívny výsledok. Záporný náboj bude väčší a väčší. Začneme v nulovom bode membránového potenciálu a práve v bode, kde začnú vytekať draselné ióny, sa stane nasledovné. Vo všeobecnosti je všetko veľmi podobné, ale vyskytuje sa to akoby paralelne so zmenami koncentračného gradientu. A keď sa tieto dve hodnoty navzájom vyrovnajú, keď sa počet iónov draslíka, ktoré vychádzajú, rovná počtu iónov draslíka, ktoré sa vrátia, dostanete túto plató. A ukázalo sa, že náboj je mínus 92 milivoltov. V tomto bode, kde prakticky neexistuje žiadny rozdiel, pokiaľ ide o celkový pohyb iónov draslíka, je pozorovaná rovnováha. Má dokonca svoj vlastný názov - „rovnovážny potenciál draslíka“. Keď hodnota dosiahne mínus 92 - a líši sa v závislosti od typu iónov - keď sa dosiahne mínus 92 pre draslík, vytvorí sa potenciálna rovnováha. Dovoľte mi napísať, že náboj draslíka je mínus 92. To sa deje len vtedy, keď je bunka priepustná len pre jeden prvok, napríklad ióny draslíka. A stále môže vzniknúť otázka. Možno si hovoríte: „Dobre, počkaj chvíľu! Ak sa draselné ióny pohybujú smerom von – čo robia – potom nemáme v určitom bode nižšiu koncentráciu, pretože draslík tu už odišiel a vyššia koncentrácia sa tu dosiahne pohybom draslíka smerom von? Technicky je to tak. Tu, vonku, je viac draselných iónov. A to som nespomenul, že sa mení aj hlasitosť. Tu sa dosiahne vyššia koncentrácia. A to isté platí pre bunku. Technicky je tam nižšia koncentrácia. Ale v skutočnosti som nezmenil hodnotu. A dôvodom je toto. Pozrite sa na tieto hodnoty, to sú mory. A to je obrovské číslo, nesúhlasíte? 6,02 krát 10 na mocninu mínus 23 nie je vôbec malé číslo. A ak to vynásobíte 5, dostanete približne - dovoľte mi rýchlo spočítať, čo sme dostali. 6 krát 5 je 30. A tu sú milimóly. Od 10 do 20 mólov. Ide len o obrovské množstvo draselných iónov. A na vytvorenie negatívneho náboja ich potrebujete veľmi málo. To znamená, že zmeny spôsobené pohybmi iónov budú v porovnaní s 10 až 20 mocninou zanedbateľné. Preto sa neberú do úvahy zmeny koncentrácie.
História objavovania
Pokojový potenciál pre väčšinu neurónov je rádovo -60 mV - -70 mV. Bunky neexcitabilných tkanív majú tiež potenciálny rozdiel na membráne, ktorý je odlišný pre bunky rôznych tkanív a organizmov.
Formovanie pokojového potenciálu
PP sa tvorí v dvoch etapách.
Prvé štádium: vytvorenie miernej (-10 mV) negativity vo vnútri bunky v dôsledku nerovnakej asymetrickej výmeny Na + za K + v pomere 3: 2. Výsledkom je, že viac kladných nábojov opúšťa bunku so sodíkom, ako sa do nej vracia pomocou draslík. Táto vlastnosť sodíkovo-draslíkovej pumpy, ktorá vymieňa tieto ióny cez membránu s výdajom energie ATP, zabezpečuje jej elektrogenitu.
Výsledky činnosti membránových iónomeničových čerpadiel v prvej fáze tvorby PP sú nasledovné:
1. Nedostatok sodíkových iónov (Na +) v bunke.
2. Nadbytok draselných iónov (K +) v bunke.
3. Výskyt slabého elektrického potenciálu (-10 mV) na membráne.
Druhá fáza: vytvorenie výraznej (-60 mV) negativity vo vnútri bunky v dôsledku úniku iónov K + z nej cez membránu. Draselné ióny K+ opúšťajú bunku a odoberajú z nej kladné náboje, čím sa záporný náboj dostáva na -70 mV.
Pokojový membránový potenciál je teda nedostatok kladných elektrických nábojov vo vnútri bunky, ktorý je výsledkom úniku kladných iónov draslíka z bunky a elektrogénneho pôsobenia sodíkovo-draselnej pumpy.
Obsah témy "Endocytóza. Exocytóza. Regulácia bunkových funkcií.":1. Vplyv Na/K pumpy (sodno-draselná pumpa) na membránový potenciál a objem buniek. Konštantný objem buniek.
2. Gradient koncentrácie sodíka (Na) ako hnacia sila membránového transportu.
3. Endocytóza. Exocytóza.
4. Difúzia pri transporte látok v bunke. Význam difúzie pri endocytóze a exocytóze.
5. Aktívny transport v membránach organel.
6. Transport v bunkových vezikulách.
7. Transport cez tvorbu a deštrukciu organel. Mikrovlákna.
8. Mikrotubuly. Aktívne pohyby cytoskeletu.
9. Transport axónov. Rýchly transport axónov. Pomalý transport axónov.
10. Regulácia bunkových funkcií. Regulačné účinky na bunkovú membránu. Membránový potenciál.
11. Extracelulárne regulačné látky. Synaptické mediátory. Lokálne chemické látky (histamín, rastový faktor, hormóny, antigény).
12. Intracelulárna komunikácia s účasťou druhých poslov. Vápnik.
13. Cyklický adenozínmonofosfát, cAMP. cAMP v regulácii funkcie buniek.
14. Inozitol fosfát "IF3". Inozitol trifosfát. diacylglycerol.
Vplyv Na/K pumpy (sodno-draselná pumpa) na membránový potenciál a objem buniek. Konštantný objem buniek.
Ryža. 1.9. Diagram znázorňujúci koncentrácie Na+, K+ a CI vo vnútri a mimo bunky a cesty pre penetráciu týchto iónov cez bunkovú membránu (cez špecifické iónové kanály alebo pomocou Na/K pumpy. Pri týchto koncentračných gradientoch sú rovnovážne potenciály E(Na), E(K) a E(Cl) rovnaké k tým uvedeným, membránový potenciál Et = -90 mVNa obr. 1.9 ukazuje rôzne komponenty membránový prúd a daný intracelulárne koncentrácie iónov ktoré zabezpečujú ich existenciu. Cez draslíkové kanály sa pozoruje vonkajší prúd iónov draslíka, pretože membránový potenciál je o niečo elektropozitívnejší ako rovnovážny potenciál draselných iónov. Celková vodivosť sodíkového kanála oveľa nižšie ako draslík, t.j. sodíkové kanály sú pri pokojovom potenciáli otvorené oveľa menej často ako draslíkové kanály; avšak približne rovnaký počet sodíkových iónov vstupuje do bunky ako draselné ióny opúšťajú bunku, pretože na to, aby sodíkové ióny difundovali do bunky, sú potrebné veľké koncentračné a potenciálne gradienty. Na/K pumpa poskytuje ideálnu kompenzáciu pasívnych difúznych prúdov, pretože transportuje sodíkové ióny von z bunky a draselné ióny do nej. Čerpadlo je teda elektrogénne v dôsledku rozdielu v počte nábojov prenesených do a z článku, čo pri normálnej prevádzkovej rýchlosti vytvára membránový potenciál, ktorý je približne o 10 mV elektronegatívnejší, ako keby sa vytvoril len vďaka k pasívnym tokom iónov. V dôsledku toho sa membránový potenciál blíži rovnovážnemu potenciálu draslíka, čo znižuje únik iónov draslíka. Aktivita Na/K pumpy regulované intracelulárna koncentrácia sodných iónov. Rýchlosť pumpy sa spomaľuje, keď sa koncentrácia sodíkových iónov, ktoré sa majú z bunky odstraňovať, znižuje (obr. 1.8), takže prevádzka pumpy a tok sodíkových iónov do bunky sa navzájom vyrovnávajú, pričom sa udržiava vnútrobunková koncentrácia sodíka. iónov na úrovni približne 10 mmol/l.
Na udržanie rovnováhy medzi čerpacie a pasívne membránové prúdy je potrebných oveľa viac molekúl pumpy Na/K ako kanálových proteínov pre ióny draslíka a sodíka. Keď je kanál otvorený, prejdú ním desiatky tisíc iónov za niekoľko milisekúnd, a keďže sa kanál zvyčajne otvára niekoľkokrát za sekundu, celkovo ním prejde počas tejto doby viac ako 105 iónov. Jeden proteín pumpy presunie niekoľko stoviek iónov sodíka za sekundu, takže plazmatická membrána musí obsahovať asi 1000-krát viac molekúl pumpy ako molekúl kanálov. Merania kanálových prúdov v pokoji ukázali priemerne jeden draslíkový a jeden sodíkový otvorený kanál na 1 µm2 membránu; Z toho vyplýva, že v rovnakom priestore by malo byť prítomných asi 1000 molekúl Na/K pumpy, t.j. vzdialenosť medzi nimi je v priemere 34 nm; Priemer pumpového proteínu, podobne ako kanálového proteínu, je 8-10 nm. Membrána je teda pomerne husto nasýtená čerpacími molekulami.
Skutočnosť, že prietok sodných iónov do bunky, A draselné ióny – z bunky kompenzovaný chodom čerpadla, má ďalší následok, ktorým je udržiavanie stabilného osmotického tlaku a konštantného objemu. Vo vnútri bunky je vysoká koncentrácia veľkých aniónov, hlavne proteínov (A v tabuľke 1.1), ktoré nie sú schopné preniknúť cez membránu (alebo do nej prenikajú veľmi pomaly) a sú teda pevnou zložkou vo vnútri bunky. Na vyrovnanie náboja týchto aniónov je potrebný rovnaký počet katiónov. Vďaka činnosť Na/K pumpy Tieto katióny sú hlavne draselné ióny. Výrazný nárast intracelulárna koncentrácia iónov mohlo nastať len pri zvýšení koncentrácie aniónov v dôsledku toku Cl pozdĺž koncentračného gradientu do bunky (tabuľka 1.1), ale membránový potenciál tomu bráni. Vnútorný prúd Cl sa pozoruje iba dovtedy, kým sa nedosiahne rovnovážny potenciál pre chloridové ióny; toto sa pozoruje, keď je gradient iónov chlóru takmer opačný ako gradient iónov draslíka, pretože ióny chlóru sú negatívne nabité. Tak sa vytvorí nízka intracelulárna koncentrácia iónov chlóru, čo zodpovedá nízkej extracelulárnej koncentrácii draselných iónov. Výsledkom je obmedzenie celkového počtu iónov v bunke. Ak membránový potenciál klesne pri zablokovaní Na/K pumpy, napríklad počas anoxie, potom sa zníži rovnovážny potenciál pre chloridové ióny a zodpovedajúcim spôsobom sa zvýši intracelulárna koncentrácia chloridových iónov. Po obnovení rovnováhy nábojov vstupujú do bunky aj draselné ióny; celková koncentrácia iónov v bunke sa zvyšuje, čo zvyšuje osmotický tlak; to tlačí vodu do bunky. Bunka napučí. Tento opuch je pozorovaný in vivo v podmienkach nedostatku energie.
Myšlienku dvoch foriem konvertibilnej energie som vyjadril v roku 1975. O dva roky neskôr tento názor podporil aj Mitchell. Medzitým v skupine A. Glagoleva začali experimenty testovať jednu z predpovedí tohto nového konceptu.
Zdôvodnil som to nasledovne. Ak je protónový potenciál vyjednávacím čipom, potom bunka musí mať dostatočný počet takýchto „menoviek“.
Táto požiadavka bola splnená, pokiaľ ide o ATP. Bunka vždy obsahuje pomerne veľké množstvo ATP a boli prijaté opatrenia na stabilizáciu tohto množstva v meniacich sa podmienkach – neustále sa meniace rýchlosti tvorby a využitia ATP. Existuje špeciálna látka - kreatínfosfát, ktorý sa podieľa iba na jednej reakcii - fosforylácii ADP:
ADP + kreatínfosfát ⇔ ATP + kreatín.
Keď je ATP nadbytok a ADP nedostatok, reakcia prebieha sprava doľava a hromadí sa kreatínfosfát, ktorý sa za týchto podmienok stáva oveľa hojnejším ako ATP. Ale akonáhle sa hladina ADP zvýši a ATP zníži, reakcia zmení smer a kreatínfosfát sa ukáže ako dodávateľ ATP. Kreatínfosfát teda plní svoju funkciu stabilizátora, tlmiča hladín ATP.
A čo protónový potenciál?
Jednoduchý výpočet vám umožňuje previesť jednu energetickú „menu“ na druhú. Tento výpočet ukazuje, že množstvo energie akumulovanej napríklad bakteriálnou bunkou vo forme protónového potenciálu je takmer tisíckrát menšie ako množstvo ATP, ak je protónový potenciál v elektrickej forme. Toto množstvo je rovnakého rádu ako počet potenciálnych generátorov a spotrebiteľov v bakteriálnej membráne.
Táto situácia vytvára špeciálnu potrebu pufrovacieho systému, ktorý stabilizuje úroveň protónového potenciálu. V opačnom prípade aj krátkodobé prevýšenie celkovej rýchlosti procesov spotrebúvajúcich potenciál nad rýchlosťou jeho generovania povedie k zániku potenciálu a zastaveniu všetkých systémov poháňaných potenciálom.
Takže musí existovať tlmivý roztok pre protónový potenciál, ako je kreatínfosfát pre ATP. Aký druh zložky si však príroda vybrala do takejto úlohy?
Pri premýšľaní o tomto probléme som sa snažil nájsť nejaký potenciálny biologický systém, ktorého funkcia bola neznáma.
Jedna zo starých záhad biológie: prečo bunka absorbuje draselné ióny a vylučuje sodíkové ióny, čím vzniká nákladná asymetria v distribúcii týchto iónov s podobnými vlastnosťami medzi cytoplazmou a prostredím? Takmer v každej živej bunke je oveľa viac iónov draslíka ako iónov sodíka, zatiaľ čo v prostredí je sodík v obrovskom prebytku nad draslíkom. Možno je Na+ jed pre bunku?
Nie, to nie je pravda. Hoci niektoré enzýmové systémy skutočne fungujú lepšie v KCl ako v NaCl, zdá sa, že ide o sekundárnu adaptáciu na vnútorné prostredie bunky s „vysokým obsahom draslíka“ a „s nízkym obsahom sodíka“. Počas obrovského obdobia biologickej evolúcie sa bunka mohla prispôsobiť prirodzenému pomeru iónov alkalických kovov vo vonkajšom prostredí. Halofilné baktérie žijú v nasýtenom roztoku NaCl a koncentrácia Na + v ich cytoplazme niekedy dosahuje mol na liter, čo je takmer tisíckrát viac ako koncentrácia Na + v bežných bunkách. Takže Na+ nie je jed.
Všimnite si, že tie isté halofilné baktérie si udržiavajú intracelulárnu koncentráciu K+ asi 4 móly na liter, pričom míňajú obrovské množstvá energetických zdrojov na úrovni bunky na vytvorenie gradientu sodíka a draslíka.
Je známe, že excitabilné živočíšne bunky, ako sú neuróny, využívajú na vedenie nervových impulzov gradient sodík-draslík. Ale čo iné typy buniek, napríklad baktérie?
Pozrime sa na mechanizmus transportu K+ a Na+ cez bakteriálnu membránu. Je známe, že medzi cytoplazmou baktérie a vonkajším prostredím existuje rozdiel v elektrických potenciáloch, udržiavaných prácou generátorových proteínov v bakteriálnej membráne. Pumpovaním protónov z vnútra bunky von, generátorové proteíny tým negatívne nabíjajú vnútro baktérie. Za týchto podmienok by akumulácia iónov K + vo vnútri bunky mohla nastať jednoducho v dôsledku elektroforézy - pohybu kladne nabitého iónu draslíka do negatívne nabitej cytoplazmy baktérie.
V tomto prípade by tok draslíka mal vybiť membránu, predtým nabitú protónovými generátormi.
Na druhej strane, vybitie membrány by malo okamžite aktivovať generátory.
To znamená, že energetické zdroje vynaložené na generovanie rozdielu elektrického potenciálu medzi bunkou a prostredím sa použijú na sústredenie iónov K + vo vnútri bunky. Konečnou rovnováhou takéhoto procesu bude výmena intracelulárnych iónov H + za extracelulárne ióny K + (ióny H + sú odčerpávané generátorovými proteínmi, ióny K + vstupujú dovnútra, pohybujú sa v elektrickom poli vytvorenom pohybom H + ióny).
Vo vnútri bunky sa teda nevytvorí len nadbytok K + iónov, ale aj nedostatok H + iónov.
Tento nedostatok možno využiť na odčerpanie iónov Na+. Môžete to urobiť nasledovne. Je známe, že baktérie majú špeciálny nosič sodíkových iónov, ktorý vymieňa Na + za H + (tento nosič sa nazýva Na + /H + antiporter). V podmienkach nedostatku H+ v cytoplazme môže antiport kompenzovať nedostatok protónov prenosom H+ z vonkajšieho prostredia do bunky. Transportér môže vyrobiť takýto antiport iba jedným spôsobom: výmenou vonkajšieho za vnútorný Na +. To znamená, že pohyb iónov H + do bunky možno využiť na odčerpanie iónov Na + z tej istej bunky.
Vytvorili sme teda gradient draslíka a sodíka: K + sa nahromadil vo vnútri bunky a Na + sa odtiaľ odčerpával. Hnacou silou týchto procesov bol protónový potenciál vytvorený generátorovými proteínmi. (Smer potenciálu bol taký, že vnútro článku sa negatívne nabilo a bol nedostatok vodíkových iónov.)
Predpokladajme teraz, že protónové generátory sú z nejakého dôvodu vypnuté. Čo sa stane s gradientom draslíka a sodíka za týchto nových podmienok?
Samozrejme, že sa rozplynie: ióny K + vytečú z bunky do okolia, kde ich je málo, ióny Na + sa dostanú dovnútra, kde je týchto iónov nedostatok.
Ale tu je to, čo je zaujímavé. Keď sa gradient draslíka a sodíka rozptýli, sám sa ukáže ako generátor protónového potenciálu v rovnakom smere, aký sa vytvoril počas prevádzky generátorových proteínov.
Uvoľnenie iónu K + ako kladne nabitej častice skutočne vytvára rozdiel difúzneho potenciálu na bunkovej membráne so znamienkom mínus vo vnútri bunky. Vstup Na + za účasti Na + /H + - antiportera bude sprevádzaný uvoľnením H +, to znamená vytvorením nedostatku H + vo vnútri bunky.
Tak čo sa stane? Keď generátorové proteíny fungujú, protónový potenciál, ktorý vytvárajú, sa používa na vytvorenie gradientu draslíka a sodíka. Ale keď sú vypnuté (alebo ich výkon nestačí na uspokojenie mnohých potenciálnych spotrebiteľov), gradient draslíka a sodíka, ktorý sa rozptýli, začne generovať protónový potenciál.
Takže toto je vyrovnávacia pamäť protónového potenciálu, rovnaká vyrovnávacia pamäť, ktorá je taká nevyhnutná pre fungovanie membránových energetických systémov!
Tento koncept možno schematicky znázorniť takto:
Draslík-sodný gradient ↓ vonkajšie zdroje energie → protónový potenciál → prac.
Ak je však táto schéma správna, potom by gradient draslíka a sodíka mal predĺžiť výkon bunky v podmienkach, keď sú energetické zdroje vyčerpané.
A. Glagolev a I. Brown overili platnosť tohto záveru. Bol odobratý mutant Escherichia coli, ktorému chýbala protónová ATP syntetáza. Pre takéhoto mutanta je oxidácia substrátov kyslíkom jediným dostupným zdrojom energie na generovanie protónového potenciálu. Ako svojho času ukázal J. Adler a jeho kolegovia, mutant je mobilný, pokiaľ je v médiu kyslík.
Glagolev a Brown zopakovali Adlerov experiment a presvedčili sa, že vyčerpanie kyslíka v roztoku skutočne zastavuje baktérie, ak sú v prostredí s KCl. Za týchto podmienok neexistuje gradient draslíka a sodíka: v bunkách a v prostredí je veľa draslíka, ale ani tu, ani tu nie je žiadny sodík.
Teraz si vezmime médium s NaCl. Za takýchto podmienok by mali existovať oba gradienty, ktoré nás zaujímajú: draslík (veľa draslíka vo vnútri a málo vonku) a sodík (veľa sodíka vonku a málo vo vnútri). Hypotéza predpovedala, že v takejto situácii by mobilita nejaký čas zostala aj v podmienkach bez kyslíka, pretože bola možná premena energie:
gradient draslík-sodík → protónový potenciál → rotácia bičíkov.
V skutočnosti sa baktérie pohybovali ďalších 15-20 minút po tom, čo meracie zariadenie zaregistrovalo nulovú hladinu Cb v médiu.
Ale skúsenosť s baktériami milujúcimi soľ, ktoré transportujú veľmi veľké množstvá K + a Na + iónov na vytvorenie gradientu draslíka a sodíka, sa ukázala byť obzvlášť jasná, ako by sa dalo očakávať. Takéto baktérie sa rýchlo zastavili v tme v podmienkach bez kyslíka, ak bol v médiu KCl, a stále sa pohybovali o deväť (!) hodín neskôr, ak bol KCl nahradený NaCl.
Táto hodnota - deväť hodín - je zaujímavá predovšetkým ako ilustrácia objemu zásobníka energie, ktorý predstavuje gradient draslíka a sodíka v baktériách milujúcich soľ. Okrem toho nadobúda zvláštny význam, ak si spomenieme, že baktérie milujúce soľ majú bakteriorhodopsín, a preto sú schopné premieňať svetelnú energiu na protónový potenciál. Je jasné, že takáto premena je možná len počas denného svetla. A čo v noci? Ukazuje sa teda, že energia uložená počas dňa vo forme gradientu draslíka a sodíka vystačí na celú noc.
Tvrdenie, že gradient draslíka a sodíka hrá úlohu tlmiča protónového potenciálu, nám umožňuje pochopiť nielen biologickú funkciu tohto gradientu, ale aj dôvod, ktorý dlhé roky bránil objasneniu jeho významu pre život bunky. Myšlienka vyrovnávacej úlohy pre gradient draslík-sodík nemohla vzniknúť, kým sa neobjavil protónový potenciál a nedokázalo sa, že slúži ako konvertibilná forma energie. Celé tie roky problém draslíka a sodíka len čakal v krídlach.
