V bunke je viac sodíka alebo draslíka. Zmeny extracelulárnej koncentrácie draslíka (K)

Minerálne zloženie buniek sa výrazne líši od minerálneho zloženia vonkajšieho prostredia. V bunke spravidla prevláda koncentrácia iónov draslíka, horčíka a fosforu a v prostredí - sodík a chlór. To je jasne vidieť z údajov uvedených v tabuľke 7.

Vo vnútri bunky sú minerály tiež rozložené nerovnomerne medzi cytoplazmou, jej organelami a jadrom. Koncentrácia sodíka v jadre žabích vajec je teda trikrát vyššia ako v cytoplazme a draslík je dvakrát vyšší (tabuľka 8).

Mitochondrie sú tiež schopné akumulovať draslík a najmä vápnik. Jeho koncentrácia v izolovaných mitochondriách môže 3500-krát prekročiť koncentráciu vápnika v okolitom soľnom roztoku. Toto nerovnomerné rozloženie sa vysvetľuje tým, že tieto látky v jadre a mitochondriách sú čiastočne viazané.

Asymetria solí závisí od funkčného stavu bunky a smrťou bunky sa stráca, t.j. obsah solí v bunke a prostredí sa vyrovná. Izoláciu buniek a tkanív z tela zvyčajne sprevádza mierna strata draslíka a zvýšenie sodíka.

Ryža. 25. Závislosť koncentrácie iónov sodíka a chlóru vo svalových vláknach od ich koncentrácie v médiu, meq% (Fenn, Cobb a Marsh, 1934–1935)

Pri zmene koncentrácie iónov sodíka a chlóru v médiu sa priamo úmerne mení ich obsah v bunkách (obr. 25). Pre mnohé iné ióny (K+, Ca2+, Mg2+ atď.) sa proporcionalita nedodržiava. Závislosť koncentrácie draslíka vo svaloch žaby od jeho koncentrácie v prostredí je znázornená na obrázku 26.

Ryža. 26. Závislosť koncentrácie draselných iónov vo svaloch žaby (C avg, meq na 100 g svaloviny) od ich koncentrácie v médiu (C avg, meq %)

Takmer všetky minerálne ióny prenikajú do buniek, aj keď veľmi rozdielnou rýchlosťou. Pomocou izotopovej techniky sa ukázalo, že dochádza k neustálej výmene bunkových iónov za ióny prostredia a so stacionárnou (nemennou) distribúciou. V tomto prípade sa veľkosť toku iónov dovnútra rovná jeho toku v opačnom smere. Toky iónov sú zvyčajne vyjadrené v pikomoloch (1 pmol sa rovná 10-12 M). Tabuľka 9 ukazuje toky iónov draslíka a sodíka do bunky pre rôzne objekty. Minerálne ióny prenikajú rýchlejšie do tých buniek, ktoré majú vyššiu úroveň metabolizmu.V niektorých bunkách bola objavená prítomnosť iónových frakcií s rôznou rýchlosťou metabolizmu (rýchle a pomalé frakcie), čo súvisí s ich rozdielnymi stavmi vo vnútri bunky. Ióny môžu byť prítomné v bunke vo voľnej ionizovanej forme a v neionizovanom stave spojenom s proteínmi, nukleovými kyselinami a fosfolipidmi. Takmer všetok vápnik a horčík sa nachádza v protoplazme vo viazanej forme. Minerálne anióny bunky sú zjavne úplne vo voľnom stave.

Rýchlosť prieniku katiónov do bunky sa môže líšiť v desiatkach alebo stovkách krát (tabuľka 10).

Pokiaľ ide o anióny, jednomocné prenikajú niekoľkonásobne rýchlejšie ako dvojmocné. Pre erytrocyty sa pozoruje výnimočne vysoká permeabilita aniónov. Podľa rýchlosti prieniku do ľudských erytrocytov možno anióny zoradiť do nasledujúcich radov: I (1,24) > CNS - (1,09), NO 3 - (l,09) > Cl - (1,00) > SO 4 2- ( 0,21) > HPO42- (0,15).

Ryža. 27. Závislosť toku draselných iónov do erytrocytov od ich koncentrácie v médiu. Na vodorovnej osi je koncentrácia draselných iónov v médiu, mM; pozdĺž ordináty - tok draselných iónov do erytrocytov, µM/g h

Veľkosť tokov iónov do bunky nezávisí lineárne od ich koncentrácie. So zvýšením koncentrácie iónu vo vonkajšom prostredí sa tok spočiatku rýchlo zvyšuje a potom sa jeho nárast znižuje. To je možné vidieť na krivke (1) na obrázku 27, ktorá ukazuje závislosť toku iónov draslíka do ľudských erytrocytov od ich koncentrácie v médiu. Táto krivka pozostáva z dvoch komponentov. Jeden z nich (2) odráža lineárny vzťah - ide o pasívnu zložku a odráža difúziu. Druhá zložka (3) označuje proces saturácie a je spojená s transportom iónov a spotrebou energie, preto sa nazýva aktívna a môže byť vyjadrená Michaelis-Mentenovým vzorcom.

Keď je bunka vzrušená a poškodená, dochádza k redistribúcii minerálnych iónov medzi bunkou a prostredím: bunky strácajú draselné ióny a sú obohatené o ióny sodíka a chlóru. Fyziologická aktivita je sprevádzaná zvýšením rýchlosti výmeny bunkových iónov za zodpovedajúce ióny prostredia a zvýšením permeability pre ióny.

S každým impulzom prebiehajúcim pozdĺž nervového vlákna vlákno stráca určité množstvo iónov draslíka a približne rovnaké množstvo iónov sodíka vstupuje do vlákna (tabuľka 11). Keď je bunka vzrušená, zvyšuje sa aj priepustnosť pre ióny lítia, rubídia, cézia, cholínu a vápnika. Pri jednej kontrakcii kostrového svalstva sa teda vstup vápnika do bunky zvýši o 0,2 pmol/cm 2 .

Teraz je dokázané, že iónová asymetria, vlastná všetkým živým bunkám, je zabezpečená činnosťou membrán, ktoré majú funkciu aktívneho transportu. S jeho pomocou sú sodíkové ióny čerpané z bunky a draselné ióny sú zavádzané do bunky. Túto transportnú funkciu vykonávajú enzýmové systémy s aktivitou ATPázy závislou od draslíka a sodíka.

Transportný diagram iónov draslíka a sodíka je uvedený na obrázku 28. Predpokladá sa, že keď sa forma nosiča x zmení na y, keď je potrebná energia ATP, dôjde k fosforylácii: x + ATP → xATP → xP + ADP, kde xP zodpovedá y.

Ryža. 28. Schéma transportu sodných a draselných iónov cez povrchovú membránu (podľa Glynna)

Membrány sarkoplazmatického retikula svalových vlákien majú výkonný aktívny transportný systém, ktorý transportuje ióny draslíka v určitom smere. Nie je známe, aký je konkrétny mechanizmus fungovania dopravného systému. Existujú predstavy o mobilných jednotlivých dopravcoch, o hromadnej doprave ao reléovom prenose.

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 s 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.

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.

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.

Článok do súťaže „bio/mol/text“: Pokojový potenciál je dôležitým javom v živote všetkých buniek v tele a je dôležité vedieť, ako sa tvorí. Ide však o zložitý dynamický proces, ťažko pochopiteľný vo svojej celistvosti, najmä pre mladších študentov (biologické, lekárske a psychologické odbory) a nepripravených čitateľov. Pri posudzovaní bod po bode je však celkom možné pochopiť jeho hlavné detaily a fázy. Práca predstavuje koncept pokojového potenciálu a poukazuje na hlavné fázy jeho formovania pomocou obrazných metafor, ktoré pomáhajú pochopiť a zapamätať si molekulárne mechanizmy vzniku pokojového potenciálu.

Membránové transportné štruktúry – sodíkovo-draselné pumpy – vytvárajú predpoklady pre vznik kľudového potenciálu. Týmito predpokladmi je rozdiel v koncentrácii iónov na vnútornej a vonkajšej strane bunkovej membrány. Rozdiel v koncentrácii sodíka a rozdiel v koncentrácii draslíka sa prejavujú oddelene. Pokus iónov draslíka (K+) o vyrovnanie ich koncentrácie na oboch stranách membrány vedie k jeho úniku z článku a spolu s nimi aj strate kladných elektrických nábojov, v dôsledku čoho celkový negatívny náboj vnútorného povrchu článku je výrazne zvýšená. Táto „draslíková“ negativita tvorí väčšinu pokojového potenciálu (v priemere -60 mV) a menšiu časť (-10 mV) predstavuje negativita "výmeny" spôsobená elektrogenitou samotnej iónomeničovej pumpy.

Poďme sa na to pozrieť bližšie.

Prečo potrebujeme vedieť, čo je to oddychový potenciál a ako vzniká?

Viete, čo je „živočíšna elektrina“? Odkiaľ pochádzajú „bioprúdy“ v tele? Ako sa môže živá bunka umiestnená vo vodnom prostredí zmeniť na „elektrickú batériu“ a prečo sa okamžite nevybije?

Na tieto otázky možno odpovedať iba vtedy, ak vieme, ako bunka vytvára svoj rozdiel v elektrickom potenciáli (kľudový potenciál) cez membránu.

Je celkom zrejmé, že na pochopenie fungovania nervového systému je potrebné najprv pochopiť, ako funguje jeho individuálna nervová bunka, neurón. Hlavná vec, ktorá je základom práce neurónu, je pohyb elektrických nábojov cez jeho membránu a v dôsledku toho výskyt elektrických potenciálov na membráne. Môžeme povedať, že neurón, ktorý sa pripravuje na svoju nervovú prácu, najskôr ukladá energiu v elektrickej forme a potom ju používa v procese vedenia a prenosu nervového vzruchu.

Naším prvým krokom k štúdiu fungovania nervového systému je teda pochopiť, ako sa elektrický potenciál objavuje na membráne nervových buniek. To je to, čo urobíme, a nazveme tento proces formovanie pokojového potenciálu.

Definícia pojmu „potenciál odpočinku“

Normálne, keď je nervová bunka vo fyziologickom pokoji a je pripravená pracovať, už zažila redistribúciu elektrických nábojov medzi vnútornou a vonkajšou stranou membrány. V dôsledku toho vzniklo elektrické pole a na membráne sa objavil elektrický potenciál - kľudový membránový potenciál.

Membrána sa tak polarizuje. To znamená, že má rozdielne elektrické potenciály na vonkajšom a vnútornom povrchu. Rozdiel medzi týmito potenciálmi je celkom možné zaregistrovať.

Toto je možné overiť, ak je do bunky vložená mikroelektróda pripojená k záznamovej jednotke. Hneď ako sa elektróda dostane do článku, okamžite získa určitý konštantný elektronegatívny potenciál vzhľadom na elektródu umiestnenú v tekutine obklopujúcej článok. Hodnota vnútrobunkového elektrického potenciálu v nervových bunkách a vláknach, napríklad obrovských nervových vláknach chobotnice, v pokoji je asi -70 mV. Táto hodnota sa nazýva pokojový membránový potenciál (RMP). Vo všetkých bodoch axoplazmy je tento potenciál takmer rovnaký.

Nozdrachev A.D. a iné.Začiatky fyziológie.

Trochu viac fyziky. Makroskopické fyzické telá sú spravidla elektricky neutrálne, t.j. obsahujú kladné aj záporné náboje v rovnakom množstve. Teleso môžete nabiť tak, že v ňom vytvoríte prebytok nabitých častíc jedného typu, napríklad trením o iné teleso, pri ktorom sa vytvorí prebytok nábojov opačného typu. Vzhľadom na prítomnosť elementárneho náboja ( e), celkový elektrický náboj akéhokoľvek telesa možno znázorniť ako q= ±Nx e, kde N je celé číslo.

Oddychový potenciál- to je rozdiel v elektrických potenciáloch prítomných na vnútornej a vonkajšej strane membrány, keď je bunka v stave fyziologického pokoja. Jeho hodnota sa meria zvnútra bunky, je záporná a má priemer -70 mV (milivoltov), ​​hoci sa môže v rôznych bunkách líšiť: od -35 mV do -90 mV.

Je dôležité vziať do úvahy, že v nervovom systéme nie sú elektrické náboje reprezentované elektrónmi, ako v bežných kovových drôtoch, ale iónmi - chemickými časticami, ktoré majú elektrický náboj. Vo vodných roztokoch sa vo všeobecnosti vo forme elektrického prúdu nepohybujú elektróny, ale ióny. Preto sú všetky elektrické prúdy v bunkách a ich prostredí iónové prúdy.

Takže vnútro bunky v pokoji je záporne nabité a vonkajšok je nabité kladne. To je charakteristické pre všetky živé bunky, možno s výnimkou červených krviniek, ktoré sú naopak navonok negatívne nabité. Konkrétnejšie sa ukazuje, že kladné ióny (katióny Na + a K +) budú prevládať mimo bunky okolo bunky a negatívne ióny (anióny organických kyselín, ktoré sa nemôžu voľne pohybovať cez membránu, ako Na + a K +) bude prevládať vo vnútri.

Teraz už len musíme vysvetliť, ako to všetko takto dopadlo. Aj keď je samozrejme nepríjemné uvedomiť si, že všetky naše bunky okrem červených krviniek vyzerajú len navonok pozitívne, no vo vnútri sú negatívne.

Pojem „negativita“, ktorý budeme používať na charakterizáciu elektrického potenciálu vo vnútri bunky, nám bude užitočný na jednoduché vysvetlenie zmien úrovne pokojového potenciálu. Na tomto termíne je cenné to, že intuitívne je jasné: čím väčšia negativita vo vnútri bunky, tým nižší je potenciál posunutý na negatívnu stranu od nuly a čím menej negativity, tým je negatívny potenciál bližšie k nule. Je to oveľa jednoduchšie pochopiť, ako zakaždým pochopiť, čo presne znamená výraz „potenciál sa zvyšuje“ - zvýšenie absolútnej hodnoty (alebo „modulo“) bude znamenať posun pokojového potenciálu dole od nuly a jednoducho „zvýšenie“ znamená posun potenciálu až k nule. Pojem „negativita“ nevytvára také problémy nejednoznačnosti porozumenia.

Podstata formovania pokojového potenciálu

Skúsme prísť na to, odkiaľ pochádza elektrický náboj nervových buniek, hoci ich nikto neotiera, ako to robia fyzici pri svojich experimentoch s elektrickými nábojmi.

Tu na výskumníka a študenta čaká jedna z logických pascí: vnútorná negativita bunky nevzniká v dôsledku výskyt extra negatívnych častíc(anióny), ale naopak v dôsledku strata určitého množstva kladných častíc(katióny)!

Kam teda odchádzajú kladne nabité častice z bunky? Pripomínam, že ide o ióny sodíka - Na + - a draslíka - K +, ktoré opustili bunku a nahromadili sa vonku.

Hlavné tajomstvo vzhľadu negativity vo vnútri bunky

Okamžite odhaľme toto tajomstvo a povedzme, že bunka stráca časť svojich pozitívnych častíc a stáva sa záporne nabitá v dôsledku dvoch procesov:

1. najprv vymení „svoj“ sodík za „cudzí“ draslík (áno, niektoré kladné ióny za iné, rovnako pozitívne);
2. potom z nej unikajú tieto „nahradené“ kladné draselné ióny, spolu s ktorými z bunky unikajú kladné náboje.

Tieto dva procesy si musíme vysvetliť.

Prvá fáza vytvárania vnútornej negativity: výmena Na + za K +

Proteíny neustále pracujú v membráne nervovej bunky. výmenníkové čerpadlá(adenozíntrifosfatázy alebo Na+/K+-ATPázy) uložené v membráne. Vymieňajú „vlastný“ sodík bunky za vonkajší „cudzí“ draslík.

Ale keď sa jeden kladný náboj (Na +) vymení za iný s rovnakým kladným nábojom (K +), v bunke nemôže vzniknúť nedostatok kladných nábojov! Správny. Napriek tomu však v dôsledku tejto výmeny zostáva v bunke veľmi málo iónov sodíka, pretože takmer všetky odišli von. A zároveň je bunka preplnená iónmi draslíka, ktoré do nej pumpovali molekulárne pumpy. Ak by sme mohli ochutnať cytoplazmu bunky, všimli by sme si, že v dôsledku práce výmenných púmp sa zmenila zo slanej na horko-slano-kyslú, pretože slanú chuť chloridu sodného nahradila komplexná chuť pomerne koncentrovaný roztok chloridu draselného. V bunke dosahuje koncentrácia draslíka 0,4 mol/l. Roztoky chloridu draselného v rozsahu 0,009-0,02 mol/l majú sladkú chuť, 0,03-0,04 - horkú, 0,05-0,1 - horko-slanú a od 0,2 a viac - komplexnú chuť pozostávajúcu zo slanej, horkej a kyslej .

Dôležité je tu to výmena sodíka za draslík - nerov. Za každú danú bunku tri ióny sodíka dostane všetko dva draselné ióny. To má za následok stratu jedného kladného náboja pri každej iónovej výmene. Takže už v tomto štádiu bunka v dôsledku nerovnakej výmeny stráca viac „plusov“, ako dostáva na oplátku. V elektrickom vyjadrení to predstavuje približne -10 mV negativity v bunke. (Pamätajte však, že stále musíme nájsť vysvetlenie pre zvyšných -60 mV!)

Aby sme si ľahšie zapamätali činnosť výmenníkových čerpadiel, môžeme to obrazne povedať takto: "Bunka miluje draslík!" Preto bunka ťahá draslík k sebe, napriek tomu, že je ho už plná. A preto ho nerentabilne vymieňa za sodík, čím dáva 3 ióny sodíka za 2 ióny draslíka. A preto na túto výmenu míňa energiu ATP. A ako ho trávi! Až 70 % celkového energetického výdaja neurónu možno minúť na prevádzku sodíkovo-draslíkových púmp. (To robí láska, aj keď to nie je skutočné!)

Mimochodom, je zaujímavé, že bunka sa nerodí s hotovým odpočinkovým potenciálom. Ešte ju potrebuje vytvoriť. Napríklad pri diferenciácii a fúzii myoblastov sa ich membránový potenciál mení z −10 na −70 mV, t.j. ich membrána sa v procese diferenciácie stáva negatívnejšou – polarizovanou. A v experimentoch na multipotentných mezenchymálnych stromálnych bunkách ľudskej kostnej drene umelá depolarizácia, pôsobiaca proti pokojovému potenciálu a redukujúca bunkovú negativitu, dokonca inhibovala (deprimovala) diferenciáciu buniek.

Obrazne povedané, môžeme to povedať takto: Vytvorením pokojového potenciálu je bunka „nabitá láskou“. Toto je láska k dvom veciam:

1. láska bunky k draslíku (preto ho bunka násilne ťahá k sebe);
2. láska draslíka k slobode (preto draslík opúšťa bunku, ktorá ho zachytila).

Mechanizmus saturácie bunky draslíkom sme si už vysvetlili (toto je práca výmenných púmp) a mechanizmus odchodu draslíka z bunky bude vysvetlený nižšie, keď prejdeme k popisu druhého štádia vytvárania intracelulárnej negativity. Takže výsledok činnosti membránových iónomeničových púmp v prvej fáze tvorby pokojového potenciálu je nasledovný:

1. Nedostatok sodíka (Na+) v bunke.
2. Nadbytok draslíka (K+) v bunke.
3. Výskyt slabého elektrického potenciálu (-10 mV) na membráne.

Môžeme povedať toto: v prvom štádiu membránové iónové pumpy vytvárajú rozdiel v koncentráciách iónov alebo koncentračný gradient (rozdiel) medzi intracelulárnym a extracelulárnym prostredím.

Druhá fáza vytvárania negativity: únik iónov K+ z bunky

Čo teda začína v bunke potom, čo jej membránové čerpadlá sodíkovo-draslíkového výmenníka pracujú s iónmi?

Kvôli výslednému nedostatku sodíka vo vnútri bunky sa o to tento ión snaží ponáhľať sa dovnútra: rozpustené látky sa vždy snažia vyrovnať svoju koncentráciu v celom objeme roztoku. Sodík to však robí zle, pretože sodíkové iónové kanály sú zvyčajne uzavreté a otvorené iba za určitých podmienok: pod vplyvom špeciálnych látok (vysielačov) alebo keď sa znižuje negativita v bunke (depolarizácia membrány).

Zároveň je v bunke nadbytok iónov draslíka v porovnaní s vonkajším prostredím – membránové pumpy ho totiž násilne pumpovali do bunky. A on, ktorý sa tiež snaží vyrovnať svoju koncentráciu vo vnútri a navonok, sa naopak snaží, vypadni z klietky. A darí sa mu to!

Draselné ióny K + opúšťajú bunku pod vplyvom chemického gradientu ich koncentrácie na rôznych stranách membrány (membrána je oveľa priepustnejšia pre K + ako pre Na +) a odnášajú so sebou kladné náboje. Kvôli tomu vo vnútri bunky rastie negativita.

Je tiež dôležité pochopiť, že sodíkové a draselné ióny sa navzájom „nevšimnú“, reagujú iba „na seba“. Tie. sodík reaguje na rovnakú koncentráciu sodíka, ale „nevenuje pozornosť“ tomu, koľko draslíka je okolo. Naopak, draslík reaguje len na koncentrácie draslíka a sodík „ignoruje“. Ukazuje sa, že na pochopenie správania iónov je potrebné samostatne zvážiť koncentrácie sodíkových a draselných iónov. Tie. je potrebné zvlášť porovnávať koncentráciu sodíka vo vnútri a mimo bunky a zvlášť - koncentráciu draslíka vo vnútri a mimo bunky, ale nemá zmysel porovnávať sodík s draslíkom, ako sa to niekedy robí v učebniciach.

Podľa zákona o vyrovnávaní chemických koncentrácií, ktorý funguje v roztokoch, sodík „chce“ vstúpiť do bunky zvonku; ťahá sa tam aj elektrickou silou (ako si pamätáme, cytoplazma je záporne nabitá). Chce, ale nemôže, pretože membrána v normálnom stave mu neumožňuje dobre prejsť. Kanály sodíkových iónov prítomné v membráne sú normálne uzavreté. Ak ho predsa len trochu vnikne, bunka ho okamžite vymení za vonkajší draslík pomocou svojich čerpadiel na výmenu sodíka a draslíka. Ukazuje sa, že ióny sodíka prechádzajú bunkou ako pri prechode a nezostávajú v nej. Preto je sodíka v neurónoch vždy nedostatok.

Ale draslík môže ľahko odísť z bunky von! Klietka je ho plná a ona ho nemôže držať. Vystupuje cez špeciálne kanály v membráne - "kanály úniku draslíka", ktoré sú normálne otvorené a uvoľňujú draslík.

Únikové kanály K+ sú neustále otvorené pri normálnych hodnotách pokojového membránového potenciálu a vykazujú výbuchy aktivity pri posunoch membránového potenciálu, ktoré trvajú niekoľko minút a sú pozorované pri všetkých potenciálnych hodnotách. Zvýšenie zvodových prúdov K+ vedie k hyperpolarizácii membrány, zatiaľ čo ich potlačenie vedie k depolarizácii. ...Existencia kanálového mechanizmu zodpovedného za zvodové prúdy však zostala dlho otázna. Až teraz sa ukázalo, že únik draslíka je prúd cez špeciálne draslíkové kanály.

Zefirov A.L. a Sitdiková G.F. Iónové kanály excitabilnej bunky (štruktúra, funkcia, patológia).

Od chemických až po elektrické

A teraz - ešte raz to najdôležitejšie. Musíme sa vedome vzdialiť od pohybu chemické častice k pohybu elektrické náboje.

Draslík (K+) je kladne nabitý, a preto, keď opustí bunku, nabije nielen seba, ale aj kladný náboj. Za ním sa z vnútra bunky do membrány tiahnu „mínusy“ - záporné náboje. Ale nemôžu preniknúť cez membránu - na rozdiel od draselných iónov - pretože... neexistujú pre ne vhodné iónové kanály a membrána im neumožňuje prejsť. Pamätáte si na −60 mV negativity, ktorá nám zostáva nevysvetlená? Toto je samotná časť pokojového membránového potenciálu, ktorý vzniká únikom iónov draslíka z bunky! A to je veľká časť oddychového potenciálu.

Pre túto zložku pokojového potenciálu existuje dokonca špeciálny názov – koncentračný potenciál. Koncentračný potenciál - je to časť pokojového potenciálu vytvoreného nedostatkom kladných nábojov vo vnútri bunky, ktorý vzniká v dôsledku úniku kladných iónov draslíka z bunky.

No a teraz trochu fyziky, chémie a matematiky pre milovníkov presnosti.

Elektrické sily súvisia s chemickými silami podľa Goldmannovej rovnice. Jej špeciálnym prípadom je jednoduchšia Nernstova rovnica, ktorej vzorec možno použiť na výpočet rozdielu transmembránového difúzneho potenciálu na základe rôznych koncentrácií iónov rovnakého typu na rôznych stranách membrány. Takže, keď poznáme koncentráciu draselných iónov vonku a vo vnútri bunky, môžeme vypočítať rovnovážny potenciál draslíka E K:

Kde E k - rovnovážny potenciál, R- plynová konštanta, T- absolútna teplota, F- Faradayova konštanta, K + ext a K + int - koncentrácie iónov K + mimo bunky a vo vnútri bunky. Vzorec ukazuje, že na výpočet potenciálu sa porovnávajú koncentrácie iónov rovnakého typu - K + - navzájom.

Presnejšie, konečná hodnota celkového difúzneho potenciálu, ktorý vzniká únikom viacerých druhov iónov, sa vypočíta pomocou Goldman-Hodgkin-Katzovho vzorca. Berie do úvahy, že pokojový potenciál závisí od troch faktorov: (1) polarita elektrického náboja každého iónu; (2) priepustnosť membrány R pre každý ión; (3) [koncentrácie zodpovedajúcich iónov] vo vnútri (vnútorná) a mimo membrány (vonkajšia). Pre pokojovú membránu axónu chobotnice je pomer vodivosti R K: PNa :P Cl = 1 : 0,04 : 0,45.

Záver

Odpočinkový potenciál sa teda skladá z dvoch častí:

1. -10 mV, ktoré sa získavajú „asymetrickou“ prevádzkou membránového čerpadlo-výmenníka (ten predsa odčerpáva z článku viac kladných nábojov (Na +), ako prečerpáva späť draslíkom).
2. Druhou časťou je draslík, ktorý neustále vyteká z bunky a odnáša kladné náboje. Jeho hlavným prínosom je: -60 mV. Celkovo to dáva požadovaných -70 mV.

Je zaujímavé, že draslík prestane opúšťať bunku (presnejšie, jeho vstup a výstup sa vyrovnajú) až pri zápornej úrovni bunky -90 mV. V tomto prípade sú chemické a elektrické sily, ktoré tlačia draslík cez membránu, rovnaké, ale smerujú ho opačným smerom. Tomu však bráni neustály únik sodíka do bunky, ktorý so sebou nesie kladné náboje a znižuje negativitu, o ktorú draslík „bojuje“. Výsledkom je, že bunka si udržiava rovnovážny stav na úrovni -70 mV.

Teraz je konečne vytvorený pokojový membránový potenciál.

Schéma činnosti Na+/K+-ATPázy jasne ilustruje „asymetrickú“ výmenu Na + za K +: odčerpanie prebytku „plus“ v každom cykle enzýmu vedie k negatívnemu nabitiu vnútorného povrchu membrány. Toto video nehovorí, že ATPáza je zodpovedná za menej ako 20 % pokojového potenciálu (-10 mV): zvyšná „negativita“ (-60 mV) pochádza z K iónov opúšťajúcich bunku cez „kanály úniku draslíka“. “ + snažiac sa vyrovnať svoju koncentráciu vo vnútri a mimo bunky.

Literatúra

1. Jacqueline Fischer-Lougheed, Jian-Hui Liu, Estelle Espinos, David Mordasini, Charles R. Bader, et. al.. (2001). Fúzia ľudského myoblastu vyžaduje vyjadrenie funkčných kanálov Kir2.1 vnútorného usmerňovača. J Cell Biol. 153 , 677-686;
2. Liu J.H., Bijlenga P., Fischer-Lougheed J. a kol. (1998). Úloha vnútorného usmerňovacieho prúdu K+ a hyperpolarizácie pri fúzii ľudských myoblastov. J. Physiol. 510 , 467–476;
3. Sarah Sundelacruz, Michael Levin, David L. Kaplan. (2008). Membránový potenciál riadi adipogénnu a osteogénnu diferenciáciu mezenchymálnych kmeňových buniek. PLoS ONE. 3 e3737;
4. Pavlovská M.V. a Mamykin A.I. Elektrostatika. Dielektrika a vodiče v elektrickom poli. Jednosmerný prúd / Elektronická príručka pre všeobecný kurz fyziky. SPb: Štátna elektrotechnická univerzita v Petrohrade;
5. Nozdrachev A.D., Bazhenov Yu.I., Barannikova I.A., Batuev A.S. a iné.Počiatky fyziológie: Učebnica pre vysoké školy / Ed. akad. PEKLO. Nozdracheva. Petrohrad: Lan, 2001. - 1088 s.;
6. Makarov A.M. a Luneva L.A. Základy elektromagnetizmu / Fyzika na technickej univerzite. T. 3;
7. Zefirov A.L. a Sitdiková G.F. Iónové kanály excitabilnej bunky (štruktúra, funkcia, patológia). Kazaň: Art Cafe, 2010. - 271 s.;
8. Rodina T.G. Senzorická analýza potravinárskych výrobkov. Učebnica pre vysokoškolákov. M.: Akadémia, 2004. - 208 s.;
9. Kolman, J. a Rehm, K.-G. Vizuálna biochémia. M.: Mir, 2004. - 469 s.;
10. Šulgovský V.V. Základy neurofyziológie: Učebnica pre vysokoškolákov. M.: Aspect Press, 2000. - 277 strán.

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 nepriechodná 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 sodné ióny stále prenikajú do pokojovej bunky, ako aj chloridové ióny. 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.

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 (prestrelí) - 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. 9). Na vodorovnú os vynesieme hodnoty membránového potenciálu v milivoltoch, na zvislú os čas v milisekundách.

1. Depolarizácia membrány na CUD - 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.