Membránový potenciál neurónu v pokoji je rovnaký. Tvorba pokojového membránového potenciálu
Na + /K + pumpa alebo Na + /K + ATP-áza 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 koncentračný gradient. Mechanizmus čerpadla je znázornený na obrázku 8.
Proteínový komplex je v stave E1, v tomto stave je pumpa citlivá na sodíkové ióny a na enzým sa viažu 3 sodíkové ióny z cytoplazmatickej strany
Po naviazaní sodíkových iónov sa ATP hydrolyzuje a uvoľňuje energia, nevyhnutné pre 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 sodíkových iónov 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.
Dochádza k presunu draslíka, jeho uvoľneniu do vnútrobunkového prostredia a prichyteniu molekuly ATP – pumpa sa vrátila do konformácie E1, opäť získala afinitu k sodným iónom a zaraďuje sa do nového cyklu.
Obrázok 8 Mechanizmus Na+/K+ ATP-ázy
Všimnite si, že Na + /K + čerpadlo 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. Pretože prevádzka čerpadla je viacstupňová chemická reakcia, ako všetky chemické reakcie, je veľmi 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 prietok pasívne difundujúcej látky rastie úmerne s rozdielom koncentrácií.
Okrem pumpy Na + /K + obsahuje membrána aj pumpu vápnika, ktorá pumpuje ióny vápnika z bunky. Kalciová pumpa je prítomná vo veľmi vysokej hustote v sarkoplazmatickom retikule svalových buniek. Nádrže retikula akumulujú vápenaté ióny v dôsledku štiepenia 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 vziať do úvahy, 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 priepustnosť membrány v pokoji zanedbateľná. Ak vezmeme priepustnosť pre draslík ako 1, potom bude priepustnosť pre sodík v pokoji len 0,04. teda je tu stály tok iónov K + z cytoplazmy pozdĺž koncentračného gradientu. Prúd draslíka z cytoplazmy vytvára relatívny deficit kladných nábojov na vnútornom povrchu; pre anióny je bunková membrána nepriepustná; výsledkom je, že cytoplazma bunky je negatívne nabitá vzhľadom na prostredie obklopujúce bunku . Tento potenciálny rozdiel medzi bunkou a extracelulárnym priestorom, polarizácia bunky, sa nazýva pokojový membránový potenciál (RMP).
Vynára sa otázka: prečo prúd draselných iónov nepokračuje, kým sa koncentrácie iónov 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 prúdom 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. Preto pri danom rozdiele koncentrácií iónov na membráne vzniká pre draslík takzvaný ROVNOVÁHA POTENCIÁL. 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 časť sodíkových iónov stále preniká 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.
Plnenie jeho hlavných funkcií - generovania, vedenia a prenosu nervového impulzu neurónom je možné predovšetkým preto, že koncentrácia množstva iónov vo vnútri a mimo bunky sa výrazne líši. Najväčší význam tu majú ióny 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 chloridových a voľných iónov vápnika ako v medzibunkovom médiu.
Rozdiel medzi koncentráciami sodíka a draslíka vzniká špeciálnym biochemickým mechanizmom tzv sodno-draselná pumpa. Je to proteínová molekula uložená v membráne neurónu (obr. 6) a aktívne transportujúca ióny. 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 koncentrácii gradient), je potrebná energia jednej molekuly ATP.
Keď dozrievajú neuróny, v ich membráne sú zabudované sodno-draselné pumpy (na 1 μm2 môže byť umiestnených až 200 takýchto molekúl), po ktorých sa draselné ióny čerpajú do nervovej bunky a sodíkové ióny sa z nej odstraňujú. 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 určená predovšetkým dostupnosťou intracelulárneho Na + a prudko sa zvyšuje, keď preniká zvonku. V neprítomnosti jedného z dvoch typov iónov sa činnosť pumpy zastaví, pretože môže prebiehať iba ako proces výmeny intracelulárneho Na+ za extracelulárny K+.
Podobné transportné systémy existujú aj pre ióny Cl- a Ca2+. V tomto prípade sú chloridové ióny odstránené z cytoplazmy do medzibunkového prostredia a ióny vápnika sú zvyčajne prenesené do bunkových organel - mitochondrií a kanálov endoplazmatického retikula.
Na pochopenie procesov prebiehajúcich v neuróne je potrebné vedieť, že v bunkovej membráne sú iónové kanály, ktorých počet je daný geneticky. iónový kanál je diera v špeciálnej molekule proteínu uloženej v membráne. Proteín môže zmeniť svoju konformáciu (priestorovú konfiguráciu), v dôsledku čoho je kanál v otvorenom alebo uzavretom stave. Existujú tri hlavné typy takýchto kanálov:
- trvalo otvorené;
- napäťovo 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;
- chemo-dependentný (ligand-dependentný, chemosenzitívny) - kanál sa otvára v závislosti od vplyvu jednej alebo druhej látky špecifickej pre každý kanál naň.
Mikroelektródová technika sa používa na štúdium elektrických procesov v nervovej bunke. Mikroelektródy umožňujú zaznamenávať elektrické procesy v jednom jedinom neuróne alebo nervovom vlákne. Zvyčajne ide o sklenené kapiláry s veľmi tenkým hrotom s priemerom menším ako 1 µm, naplnené elektricky vodivým roztokom (napríklad chloridom draselným).
Ak sú na povrchu článku umiestnené dve elektródy, nezaznamená sa medzi nimi žiadny potenciálny rozdiel. Ale ak jedna z elektród prerazí cytoplazmatickú membránu neurónu (t.j. hrot elektródy bude vo vnútornom prostredí), voltmeter zaregistruje potenciálny skok až do cca -70 mV (obr. 7). Tento potenciál sa nazýva membránový potenciál. Môže byť zaregistrovaný nielen v neurónoch, ale v menej výraznej forme aj v iných bunkách tela. Ale iba v nervových, svalových a žľazových bunkách sa membránový potenciál môže zmeniť v reakcii na pôsobenie dráždidla. V tomto prípade sa nazýva membránový potenciál bunky, ktorý nie je ovplyvnený žiadnym stimulom oddychový potenciál(PP). V rôznych nervových bunkách je hodnota PP odlišná. Pohybuje sa od -50 do -100 mV. Čo spôsobuje tento PP?
Počiatočný (pred rozvojom PP) stav neurónu možno charakterizovať ako bez vnútorného náboja, t.j. počet katiónov a aniónov v cytoplazme bunky je rovnaký v dôsledku prítomnosti veľkých organických aniónov, pre ktoré je membrána neurónu 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. Ióny K+ sú po svojom zabudovaní do membrány schopné voľne vystupovať z bunky (kde ich je veľa) vďaka difúzii do medzibunkového prostredia (kde ich je oveľa menej).
Ale to nevedie k rovnováhe 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. V dôsledku toho vzniká potenciálny rozdiel medzi vonkajším a vnútorným prostredím bunky 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 logickým uvažovaním – čím väčší je rozdiel v koncentráciách draselných iónov vo vonkajšom a vnútornom prostredí, tým je väčší (v absolútnej hodnote) 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 RI, ktorý sa ukázal ako -75 mV. Rovnovážny draslíkový potenciál vypočítaný Nernstovou rovnicou pre tento prípad sa ukázal byť veľmi blízky potenciálu získanému v experimente.
Ale RI 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 obsahujú aj neurónové membrány trvalo otvorené sodíkové kanály. Je ich oveľa menej ako draslíkových, membrána však stále umožňuje vstup malého množstva iónov Na + do bunky, a preto je vo väčšine neurónov RP -60-(-65) mV. Prúd sodíka je tiež úmerný rozdielu medzi jeho koncentráciami vo vnútri a mimo bunky – teda čím menší je tento rozdiel, tým väčšia je absolútna hodnota PP. Sodíkový prúd závisí aj od samotného PP. Okrem toho cez membránu difunduje veľmi malé množstvo iónov Cl-. 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 veľmi približujú k 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. Pôsobením na ktorýkoľvek z nich je možné posunúť úroveň PP a tým aj úroveň excitability nervovej bunky.
V dôsledku vyššie opísaných dejov je membrána neustále v stave polarizácie - jej vnútorná strana je nabitá záporne voči vonkajšej. Proces znižovania potenciálneho rozdielu (t. j. znižovanie PP v absolútnej hodnote) sa nazýva depolarizácia a jeho zvýšenie (zvýšenie PP v absolútnej hodnote) sa nazýva hyperpolarizácia.
Dátum zverejnenia: 09.10.2015; 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 poškodenou a nepoškodenou časťou membrány
2–2. V stave fyziologického pokoja je vnútorný povrch membrány excitabilnej bunky vo vzťahu k vonkajšiemu nabitý:
1) pozitívne
2), ako aj vonkajší povrch membrány
3) negatívne*
4) je bez poplatku
5) neexistuje správna odpoveď
2–3. Pozitívny posun (pokles) pokojového membránového potenciálu pôsobením 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 v porovnaní s medzibunkovou tekutinou je 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) stopová 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 na vnútornej strane 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 proteínových kanálov a membránových enzýmov*
2) charakterizuje zvýšenie excitability buniek
3) je hlavnou jednotkou kódovania informácií v nervovom systéme
4) zabezpečuje prevádzku membránových čerpadiel
5) charakterizuje zníženie excitability buniek
2–13. Schopnosť buniek reagovať na pôsobenie stimulov špecifickou reakciou, charakterizovanou rýchlou, reverzibilnou membránovou depolarizáciou a zmenou metabolizmu, sa nazýva:
1) podráždenosť
2) vzrušivosť*
3) labilita
4) vodivosť
5) automatizácia
2–14. Biologické membrány, ktoré sa podieľajú na zmene 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 to, aby došlo k reakcii, sa nazýva:
1) prah*
2) superprah
3) submaximálne
4) podprahové
5) maximálne
2–16. So zvýšením prahu podráždenia, excitabilita bunky:
1) zvýšená
2) znížená*
3) sa nezmenil
4) všetko je správne
5) neexistuje správna odpoveď
2–17. Biologické membrány, podieľajúce sa na premene vonkajších podnetov neelektrickej a elektrickej povahy na bioelektrické signály, plnia najmä 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, keď sú dve sily v rovnováhe: difúzna a elektrostatická
2) potenciál medzi vonkajším a vnútorným povrchom bunky v stave funkčného pokoja
3) rýchle, aktívne sa šíriace, fázové kolísanie membránového potenciálu, sprevádzané spravidla dobíjaním membrány *
4) mierna zmena membránového potenciálu pôsobením podprahového stimulu
5) predĺžená kongestívna depolarizácia membrány
2–19. Priepustnosť membrány pre Na+ vo fáze depolarizácie akčného potenciálu:
1) prudko stúpa a do bunky vstupuje silný sodíkový prúd *
2) prudko klesá a objavuje sa silný sodíkový prúd opúšťajúci bunku
3) sa výrazne nemení
4) všetko je správne
5) neexistuje správna odpoveď
2–20. Biologické membrány, ktoré sa podieľajú na uvoľňovaní neurotransmiterov v synaptických zakončeniach, vykonávajú hlavne 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 iónov draslíka 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 pohybu iónov cez membránu pozdĺž koncentračného gradientu, nie vyžadujúci priamy výdaj energie 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:
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 (zvýšený pokojový potenciál)
3) zníženie strmosti depolarizačnej fázy akčného potenciálu *
4) spomalenie fázy repolarizácie akčného potenciálu
5) neexistuje správna odpoveď
3. HLAVNÉ VZORKY DRÁŽDENIA
VZRUŠITEĽNÉ TKANIVÁ
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) sily (mocenské vzťahy) *
5) polárne
3–2. Zákon, podľa ktorého excitabilná štruktúra reaguje na prahové a nadprahové podnety 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) dobrý 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
Zákon „Všetko alebo nič“ sa riadi štruktúrou:
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 zvýšením sily stimulu *
2) zníženie odozvy so znížením sily stimulu
3) zvýšenie odozvy so zvýšením sily stimulu
4) rovnaká odozva so zvýšením sily stimulu
5) nedostatok reakcie na podnety akejkoľvek sily
3–8. Prah podráždenia je indikátorom:
1) vzrušivosť*
2) kontraktilita
3) labilita
4) vodivosť
5) automatizácia
Dátum zverejnenia: 08.04.2015; 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 prechod akéhokoľvek iónu, je udržanie membránového potenciálu po ľubovoľne dlhý čas bez výdaja energie, za predpokladu, že prenikajúci ión je spočiatku rozmiestnený nerovnomerne na oboch stranách membrány. Zároveň je membrána živých buniek do tej či onej miery priepustná pre všetky anorganické ióny prítomné v roztoku obklopujúcom bunku. Preto musia bunky
nejako udržiavame intracelulárnu koncentráciu iónov na určitej úrovni. Celkom indikatívne sú v tomto smere sodné ióny, na príklade ktorých permeability bola v predchádzajúcej časti analyzovaná odchýlka potenciálu svalovej membrány od rovnovážneho draslíkového potenciálu. Podľa nameraných koncentrácií sodíkových iónov mimo a vo vnútri svalovej bunky bude rovnovážny potenciál vypočítaný Nernstovou rovnicou pre tieto ióny asi 60 mV a so znamienkom plus vo vnútri bunky. Membránový potenciál, vypočítaný podľa 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. Pri pôsobení takého vysokého potenciálu, dokonca aj pri nízkej permeabilite, sodíkové ióny vstúpia cez membránu a akumulujú sa vo vnútri bunky, čo bude teda 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 ióny sodíka sa z bunky neustále odstraňujú pomocou takzvanej iónovej pumpy. Predpoklad o existencii iónovej pumpy predložil R. Dean v 40-tych rokoch XX storočia. a bol mimoriadne dôležitým doplnkom k membránovej teórii tvorby pokojového potenciálu v živých bunkách. Experimentálne sa ukázalo, že aktívne „odčerpávanie“ Na + z bunky prichádza s povinným „odčerpávaním“ 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, tá sa udržiava vďaka vznikajúcemu transmembránovému rozdielu potenciálu, ktorého mechanizmy sú podrobne opísané v predchádzajúcich častiach. Prenos iónov pumpou vyžaduje vynaloženie metabolickej energie bunky. Zdrojom energie tohto procesu je energia uložená v makroergických väzbách molekúl ATP. Energia sa uvoľňuje v dôsledku hydrolýzy ATP pomocou enzýmu adenozíntrifosfatázy. Predpokladá sa, že ten istý enzým priamo vykonáva prenos iónov. V súlade so štruktúrou bunkovej membrány je ATPáza jedným z integrálnych proteínov zabudovaných do lipidovej dvojvrstvy. Charakteristickým znakom nosného enzýmu je jeho vysoká afinita na vonkajšom povrchu k draselným iónom a na vnútornom povrchu k sodným iónom. Pôsobenie inhibítorov oxidačných procesov (kyanidov alebo azidov) na bunku, ochladzovanie bunky blokuje hydrolýzu ATP, ako aj aktívny prenos sodných a draselných iónov. Sodíkové ióny postupne vstupujú do bunky a draselné ióny ju opúšťajú 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.
Physiologia_Answer
To znamená, že on sám vytvára malý, ale konštantný celkový prúd kladných nábojov z bunky a navyše v nej prispieva k vytvoreniu negatívneho potenciálu. Všimnite si, že dodatočný potenciál vytvorený elektrogénnou pumpou 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 objavenie sa elektrického potenciálu, ktorý oneskoruje pasívny výstup iónov draslíka z bunky pozdĺž jej koncentračného gradientu cez draslík. kanály - v -
 |
tegrálne 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 pokoji 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 hlavnými intracelulárnymi iónmi tvoriacimi potenciál sa stávajú ióny draslíka. Malý príspevok k pokojovému potenciálu môže urobiť priamo samotná iónová pumpa, ale pod podmienkou, že jej práca v bunke je elektrogénna.
Koncentrácia iónov vo vnútri a mimo bunky
Existujú teda dve skutočnosti, ktoré je potrebné vziať do úvahy, 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 priepustnosť membrány v pokoji zanedbateľná. Ak vezmeme priepustnosť pre draslík ako 1, potom bude priepustnosť pre sodík v pokoji len 0,04. teda je konštantný tok iónov K+ z cytoplazmy pozdĺž koncentračného gradientu. Prúd draslíka z cytoplazmy vytvára relatívny deficit kladných nábojov na vnútornom povrchu; pre anióny je bunková membrána nepriepustná; výsledkom je, že cytoplazma bunky je negatívne nabitá vzhľadom na prostredie obklopujúce bunku . Tento potenciálny rozdiel medzi bunkou a extracelulárnym priestorom, polarizácia bunky, sa nazýva pokojový membránový potenciál (RMP).
Vynára sa otázka: prečo prúd draselných iónov nepokračuje, kým sa koncentrácie iónov 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 prúdom 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. Preto pri danom rozdiele koncentrácií iónov na membráne vzniká pre draslík takzvaný ROVNOVÁHA POTENCIÁL. 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 časť sodíkových iónov stále preniká 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 pokoja do aktívneho stavu) nastáva so zvýšením permeability iónových kanálov pre sodík a niekedy aj pre vápnik. Dôvodom zmeny permeability môže byť zmena potenciálu membrány - aktivujú sa elektricky excitovateľné kanály a interakcia membránových receptorov s biologicky aktívnou látkou - receptormi - riadené kanály a mechanické pôsobenie. V každom prípade pre rozvoj vzrušenia je to nevyhnutné 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 (vplyv 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 počas bunkovej excitácie.
Venujte pozornosť skutočnosti, že sodík vstupuje do bunky pozdĺž koncentračného gradientu a pozdĺž elektrického gradientu: koncentrácia sodíka v bunke je 10-krát nižšia ako v extracelulárnom prostredí a náboj vo vzťahu k extracelulárnemu je negatívny. Súčasne sú aktivované aj draslíkové kanály, ale sodíkové (rýchle) sú aktivované a inaktivované v priebehu 1–1,5 milisekúnd a draslíkové kanály trvajú dlhšie.
Zmeny membránového potenciálu sú zvyčajne znázornené graficky. Horný obrázok znázorňuje počiatočnú depolarizáciu membrány – zmenu potenciálu v reakcii na pôsobenie stimulu. Pre každú excitabilnú bunku existuje špeciálna úroveň membránového potenciálu, po dosiahnutí ktorej sa vlastnosti sodíkových kanálov dramaticky menia. Tento potenciál sa nazýva kritická úroveň depolarizácie (KUD). Keď sa membránový potenciál zmení na KUD, otvoria sa rýchle, na potenciáli závislé sodíkové kanály, tok sodíkových iónov sa ponáhľa do bunky. S prechodom kladne nabitých iónov do bunky v cytoplazme sa kladný náboj zvyšuje. V dôsledku toho sa transmembránový potenciálny rozdiel zníži, hodnota MP sa zníži na 0 a potom, keď sodík ďalej vstupuje do bunky, membrána sa znovu nabije a náboj sa obráti (prestrelí) - teraz sa povrch stáva elektronegatívnym vzhľadom na cytoplazmu - membrána je úplne DEPOLARIZOVANÁ - stredná postava. Nedochádza k ďalšej zmene poplatku, 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 FCD, tento stimul sa nazýva prahový stimul, 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) – rýchla zmena membránového potenciálu v reakcii na pôsobenie prahového stimulu. AP má štandardné parametre amplitúdy a času, ktoré nezávisia od sily podnetu – pravidlo „ALL OR NIČ“. 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 do bunky draselné ióny. Obnovenie membránového potenciálu nastáva v dôsledku prúdu draslíkových iónov z bunky - aktivujú sa draslíkové kanály a umožňujú draslíkovým iónom prechádzať, kým sa nedosiahne rovnovážny draslíkový potenciál. Tento proces je dôležitý, pretože kým sa MPP neobnoví, bunka nie je schopná vnímať nový excitačný impulz.
HYPERPOLARIZÁCIA - krátkodobé zvýšenie MP po jej obnovení, čo je spôsobené zvýšením priepustnosti membrány pre ióny draslíka a chlóru. Hyperpolarizácia nastáva až po PD a nie je charakteristická pre všetky bunky. Skúsme ešte raz graficky znázorniť fázy akčného potenciálu a iónové procesy, ktoré sú základom zmien membránového potenciálu (obr.
Pokojový potenciál neurónu
9). Na osi x vynesme hodnoty membránového potenciálu v milivoltoch a na zvislú os čas v milisekundách.
1. Depolarizácia membrány na KUD - môžu sa otvoriť akékoľvek sodíkové kanály, niekedy vápnikové, rýchle aj pomalé, závislé od napätia a riadené receptormi. Závisí to od typu stimulu a typu bunky.
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 prechádza 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 počiatočnú úroveň MPP. Trvanie AP je pre rôzne bunky od 1 do 3-4 ms.
Obrázok 9 Fázy akčného potenciálu
Všimnite si tri potenciálne hodnoty, ktoré sú dôležité a konštantné pre každú bunku jej elektrických charakteristík.
1. MPP - elektronegativita bunkovej membrány v pokoji, poskytujúca schopnosť excitácie - excitabilita. Na obrázku MPP \u003d -90 mV.
2. KUD - kritická úroveň depolarizácie (alebo prah pre generovanie membránového akčného potenciálu) - je to hodnota membránového potenciálu, po dosiahnutí ktorej sa otvárajú rýchlo, potenciálne 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 FCD, tým je takýto článok menej excitabilný.
3. Potenciálny bod zvratu (prekmit) - taká 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 vznikol v neuróne, rozšíri sa pozdĺž nervového vlákna, ak sa vo svalových bunkách rozšíri po membráne svalového vlákna a povedie ku kontrakcii, v žľazovom k sekrécii – k pôsobeniu bunky. Toto je špecifická odpoveď bunky na pôsobenie stimulu, excitácia.
Pri vystavení podnetu podprahová pevnosť dochádza k neúplnej depolarizácii - LOCAL RESPONSE (LO).
Neúplná alebo čiastočná depolarizácia je zmena v náboji membrány, ktorá nedosahuje kritickú úroveň depolarizácie (CDL).
Obrázok 10. Zmena membránového potenciálu ako reakcia na pôsobenie stimulu podprahovej sily – lokálna odpoveď
Lokálna odpoveď má v podstate rovnaký mechanizmus ako AP, jej vzostupná fáza je určená vstupom sodíkových iónov a zostupná fáza je určená výstupom draselných iónov.
Amplitúda LO je však úmerná sile podprahovej stimulácie a nie je štandardná, ako pri PD.
Tabuľka 5
Je ľahké vidieť, že v bunkách existujú podmienky, za ktorých by mal vzniknúť potenciálny rozdiel medzi bunkou a medzibunkovým médiom:
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 sú veľmi odlišné (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 potenciálny rozdiel, ktorý sa nazýva pokojový potenciál. Membrána je vraj v pokoji polarizovaná.
Prvýkrát bola hypotéza o podobnej povahe PP buniek a difúznom potenciáli Nernsta vyjadrená v roku 1896.
Vedomostná základňa
študent Vojenskej lekárskej akadémie Yu.V. Chagovets. Teraz je tento názor potvrdený mnohými experimentálnymi údajmi. Je pravda, že medzi nameranými hodnotami PP a hodnotami vypočítanými pomocou vzorca (1) existujú určité nezrovnalosti, ale sú vysvetlené dvoma zrejmými dôvodmi. Po prvé, v bunkách nie je jeden katión, ale veľa (K, Na, Ca, Mg atď.). Dá sa to vziať do úvahy nahradením Nernstovho vzorca (1) komplexnejším vzorcom, ktorý zhltol 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); elipsa označuje zodpovedajúce výrazy pre iné ióny. Ióny chlóru (a iné anióny) idú opačným smerom ako ióny draslíka a sodíka, takže znamienka „e“ a „i“ sú pre ne v opačnom poradí.
Výpočet pomocou Goldmanovho vzorca poskytuje oveľa lepšiu zhodu s experimentom, ale stále pretrvávajú niektoré nezrovnalosti. Vysvetľuje to skutočnosť, že pri odvodzovaní vzorca (2) sa neuvažovalo s prácou aktívneho transportu. Účtovanie týchto údajov umožňuje dosiahnuť takmer úplnú zhodu s experimentom.
19. Sodíkové a draslíkové kanály v membráne a ich úloha v bioelektrogenéze. Mechanizmus brány. Vlastnosti potenciálne závislých kanálov. Mechanizmus akčného potenciálu. Stav kanálov a povaha tokov iónov v rôznych fázach PD. Úloha aktívneho transportu v bioelektrogenéze. Kritický membránový potenciál. Zákon všetko alebo nič pre vzrušivé membrány. Žiaruvzdorné.
Ukázalo sa, že selektívny filter má „tuhú“ štruktúru, to znamená, že za rôznych podmienok nemení svoju vôľu. Prechody kanála z otvoreného na uzavretý a naopak súvisia s činnosťou neselektívneho filtra, hradlového mechanizmu. Pod hradlovými procesmi vyskytujúcimi sa v jednej alebo druhej časti iónového kanála, ktorá sa nazýva brána, rozumieme akékoľvek zmeny v konformácii proteínových molekúl, ktoré tvoria kanál, v dôsledku čoho sa jeho pár môže otvárať alebo zatvárať. Preto je zvykom nazývať bránu funkčnými skupinami proteínových molekúl, ktoré zabezpečujú procesy brány. Dôležité je, aby brány uvádzali do pohybu fyziologické podnety, teda tie, ktoré sú prítomné v prirodzených podmienkach. Medzi fyziologickými stimulmi zohrávajú zvláštnu úlohu posuny membránového potenciálu.
Existujú kanály, ktoré sú riadené potenciálnym rozdielom na membráne, pričom sú pri niektorých hodnotách membránového potenciálu otvorené a pri iných zatvorené. Takéto kanály sa nazývajú potenciálne závislé. Práve s nimi je spojené generovanie PD. Všetky iónové kanály biomembrán sú vďaka svojmu osobitnému významu rozdelené do 2 typov: napäťovo závislé a napäťovo nezávislé. Prirodzenými stimulmi, ktoré riadia pohyb brány v kanáloch druhého typu, nie sú posuny membránového potenciálu, ale iné faktory. Napríklad v chemosenzitívnych kanáloch patrí úloha kontrolného stimulu chemikáliám.
Základnou súčasťou napäťovo riadeného iónového kanála je snímač napätia. Toto je názov 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 médiu interagovať iba s nábojmi (buď voľnými alebo viazanými). Predpokladalo sa, že Ca2+ (voľné náboje) slúži ako napäťový senzor, 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 snímača napätia, ale nie je sám osebe. PD 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 plazmatickej membrány. Je zrejmé, že na napäťový senzor sú viazané náboje - skupiny proteínových molekúl s veľkým dipólovým momentom. Sú vložené do lipidovej dvojvrstvy, ktorá sa vyznačuje skôr nízkou viskozitou (30 - 100 cP) a nízkou dielektrickou konštantou. Tento záver bol vyvodený zo štúdia kinetických charakteristík pohybu napäťového snímača s posunmi membránového potenciálu. Tento pohyb je typickým posunovým prúdom.
Moderný funkčný model sodíkového napäťovo závislého kanála v ňom zabezpečuje existenciu dvoch typov brán, ktoré pracujú v protifáze. Líšia sa inerciálnymi vlastnosťami. Mobilnejšie (ľahké) sa nazývajú m-brány, viac zotrvačné (ťažké) - h - brány. V pokoji sú h-brány otvorené, m-brány zatvorené, pohyb Na+ cez kanál je nemožný. Keď je plazmolema depolarizovaná, brány oboch typov sa začnú pohybovať, ale v dôsledku nerovnakej zotrvačnosti majú m-brány čas
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 uzavrie, prietok Na + cez membránu sa zastaví a začne sa repolarizácia. Potom sa h - a m - brány vrátia do pôvodného stavu. Potenciálne závislé sodíkové kanály sa aktivujú (zapnú) počas rýchlej (skokovej) 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. Preto je depolarizácia spojená so vstupom sodíkových katiónov do cytoplazmy. S rozvojom PD sa sodík nehromadí v bunke. Pri vzrušení dochádza k prichádzajúcemu a odchádzajúcemu toku sodíka. Výskyt AP nie je spôsobený porušením iónových koncentrácií v cytoplazme, ale poklesom elektrického odporu plazmatickej membrány v dôsledku zvýšenia jej permeability pre sodík.
Ako už bolo spomenuté, pôsobením 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 AP nezávisia od intenzity podnetu. Po dosiahnutí IMF 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 na úkor predchádzajúcich, už bez ohľadu na podnet. Hovoria o spantanovej povahe procesu zapájania stále nových potenciálne závislých iónových kanálov do transmembránového transportu iónov. Takže amplitúda. Trvanie a strmosť prednej a zadnej strany AP závisí iba od iónových gradientov na bunkovej membráne a kinetických charakteristík jej kanálov. Zákon všetko alebo nič je najcharakteristickejšou vlastnosťou jednotlivých buniek a vlákien, ktoré majú excitabilnú membránu. Nie je charakteristický pre väčšinu mnohobunkových útvarov. Výnimkou sú štruktúry organizované podľa typu syncýtia.
Dátum publikácie: 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 buniek cytoplazmy v procese vytvárania 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 okolím vysoká, difundujú z cytoplazmy, až kým elektrický náboj, ktorý vytvárajú, nezačne vyrovnávať 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 klietku. Bude to typická bunka a je naplnená draslíkom. Vieme, že bunky ho milujú akumulovať v sebe. Veľa draslíka. Nech je jeho koncentrácia niekde okolo 150 milimólov na liter. Obrovské množstvo draslíka. Dajme to do zátvoriek, pretože zátvorky označujú koncentráciu. Vonkajšie je tiež určité množstvo draslíka. Tu bude koncentrácia približne 5 milimólov na liter. Ukážem vám, ako bude nastavený koncentračný gradient. Nedeje sa to samo od seba. To si vyžaduje veľa energie. Načerpajú sa dva draselné ióny a súčasne tri sodíkové ióny opustia bunku. Takže draselné ióny sa dostanú dovnútra. Teraz, keď sú vnútri, budú tu držané sami? Samozrejme, že nie. Nájdu anióny, malé molekuly alebo atómy so záporným nábojom a umiestnia sa blízko nich. Celkový náboj sa tak stane neutrálnym. Každý katión má svoj vlastný anión. A zvyčajne sú tieto anióny proteíny, niektoré štruktúry, 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 vyzerá. Ak je všetko dobré a statické, potom vyzerajú takto. A v skutočnosti, aby som bol úplne spravodlivý, sú tu aj malé anióny, ktoré sú tu na rovnakej úrovni ako ióny draslíka. V bunke sú malé otvory, cez ktoré môže draslík vytekať. Uvidíme, ako to bude vyzerať a ako to ovplyvní to, čo sa tu stane. 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. Žiadne anióny, žiadne bielkoviny. Draselné ióny, ako to bolo, hľadajú tieto kanály a uvažujú: „Wow, aké zaujímavé! Je tu toľko draslíka! Mali by sme ísť von." A všetky tieto draselné ióny len opustia bunku. Idú von. A v dôsledku toho sa stane zaujímavá vec. Väčšina z nich sa presťahovala von. Ale vonku je už pár iónov draslíka. Povedal som, že tu bol tento malý ión a teoreticky by sa mohol dostať dovnútra. Ak chce, môže sa dostať do tejto klietky. 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 majú tendenciu unikať kvôli prítomnosti koncentračného gradientu. Toto je prvá etapa. Dovoľte mi to zapísať. Koncentračný gradient spôsobuje pohyb draslíka smerom von. Draslík sa začína pohybovať. Vychádza z cely. A potom čo? Dovoľte mi to nakresliť počas toho, ako idem von. Tento draselný ión je tu teraz a tento je tu. Zostanú len anióny. Zostali po odchode draslíka. 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 premýšľajte. Máte koncentračný gradient, ktorý vytláča draslík von. Ale na druhej strane existuje membránový potenciál - v tomto prípade negatívny - ktorý vzniká tým, že draslík po sebe zanechal anión. Tento potenciál stimuluje návrat draslíka. 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. Zostavme dve krivky. Pokúsim sa na tejto snímke nič nevynechať. Všetko sem nakreslím a potom bude viditeľný malý fragment. Vytvárame dve krivky. Jedna z nich bude pre koncentračný gradient a druhá pre membránový potenciál. Vonku to budú draselné ióny. Ak sa nimi budete riadiť čas - tentoraz - dostanete niečo také. Draselné ióny majú tendenciu ísť von a dosiahnuť rovnováhu v určitom bode. Urobme to isté s časom na tejto osi. Toto je 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 v bode, kde začnú vychádzať draselné ióny, sa stane nasledovné. Vo všeobecnosti je všetko veľmi podobné, ale deje sa to takpovediac 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 takú plató. A ukázalo sa, že náboj je v tomto prípade 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“. Pri dosiahnutí hodnoty mínus 92 - a tá sa líši v závislosti od typu iónov - pri dosiahnutí mínus 92 pre draslík sa vytvorí rovnováha potenciálov. Napíšem, že náboj draslíka je mínus 92. To sa deje len vtedy, keď je bunka priepustná len pre jeden prvok, napríklad pre ióny draslíka. A stále môže vyvstať otázka. Možno si hovoríte: „Počkaj chvíľu! Ak sa draselné ióny pohybujú smerom von – čo robia – potom nemáme v určitom bode nižšiu koncentráciu, pretože draslík odtiaľto už odišiel a vyššia koncentrácia sa tu poskytuje pohybom draslíka smerom von? Technicky je to tak. Tu, vonku, obsahuje viac draselných iónov. A to som nespomenul, že sa mení aj hlasitosť. Výsledkom je vyššia koncentrácia. A to isté platí pre bunku. Technicky je tam nižšia koncentrácia. Ale v skutočnosti som nezmenil hodnotu. A dôvod je nasledujúci. Pozrite sa na tieto hodnoty, to sú mory. A to je obrovské číslo, však? 6,02 krát 10 na mínus 23 nie je vôbec malé číslo. A ak to vynásobíte 5, vyjde vám to približne - dovoľte mi rýchlo spočítať, čo sme dostali. 6 vynásobené 5 je 30. A tu sú milimóly. 10 až 20 molov. Je to len obrovské množstvo iónov draslíka. A na vytvorenie negatívneho náboja potrebujú 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 objavov
Pokojový potenciál pre väčšinu neurónov je asi -60 mV - -70 mV. Bunky neexcitabilných tkanív majú tiež potenciálny rozdiel na membráne, ktorý je odlišný pre bunky rôznych tkanív a organizmov.
Tvorba pokojového potenciálu
PP sa tvorí v dvoch etapách.
Prvé štádium: vytvorenie zanedbateľnej (-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 draslík. Táto vlastnosť sodíkovo-draslíkovej pumpy, ktorá vymieňa tieto ióny cez membránu s výdajom energie ATP, zabezpečuje jej elektrogenitu.
Výsledky činnosti membránových čerpadiel na výmenu iónov 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 na membráne (-10 mV).
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 záporné náboje dosahujú -70 mV.
Pokojový membránový potenciál je teda deficit kladných elektrických nábojov vo vnútri bunky, ku ktorému dochádza v dôsledku úniku kladných iónov draslíka z bunky a elektrogénneho pôsobenia sodíkovo-draselnej pumpy.
Obsah predmetu "Endocytóza. Exocytóza. Regulácia bunkových funkcií.":1. Vplyv Na/K-pumpy (sodno-draslíkovej pumpy) na membránový potenciál a objem buniek. Konštantný objem buniek.
2. Koncentračný gradient sodíka (Na) ako hnacia sila membránového transportu.
3. Endocytóza. Exocytóza.
4. Difúzia pri prenose látok vo vnútri bunky. Význam difúzie pri endocytóze a exocytóze.
5. Aktívny transport v membránach organel.
6. Transport v bunkových vezikulách.
7. Transport tvorbou a deštrukciou 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. synaptických mediátorov. Lokálne chemické látky (histamín, rastový faktor, hormóny, antigény).
12. Intracelulárna komunikácia za účasti druhých mediátorov. Vápnik.
13. Cyklický adenozínmonofosfát, cAMP. cAMP v regulácii funkcie buniek.
14. Inozitol fosfát "IF3". Inozitol trifosfát. diacylglycerol.
Účinky Na/K-pumpy (sodno-draslíkovej pumpy) na membránový potenciál a objem buniek. Konštantný objem buniek.
Ryža. 1.9. Schéma znázorňujúca koncentrácie Na+, K+ a CI vo vnútri a mimo bunky a cesty prenikania týchto iónov cez bunkovú membránu (cez špecifické iónové kanály alebo pomocou Na / K pumpy. Pri daných koncentračných gradientoch sú rovnovážne potenciály E (Na), E (K) a E (Cl). ) sú rovnaké ako uvedené, membránový potenciál Et = - 90 mVNa obr. 1.9 ukazuje rôzne komponenty membránový prúd a sú dané intracelulárne koncentrácie iónov ktoré zabezpečujú ich existenciu. Cez draslíkové kanály sa pozoruje vonkajší prúd draslíkových iónov, pretože membránový potenciál je o niečo elektropozitívnejší ako rovnovážny potenciál draslíkových iónov. Celková vodivosť sodíkových kanálov oveľa nižšie ako draslík, t.j. sodíkové kanály sú pri pokojovom potenciáli otvorené oveľa menej často ako draslíkové kanály; do bunky však vstupuje približne rovnaký počet iónov sodíka, ako z nej odchádzajú draselné, pretože na difúziu sodíkových iónov 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, ktorý pri svojej normálnej rýchlosti vytvára membránový potenciál, ktorý je asi o 10 mV elektronegatívny, ako keby bol vytvorený len vďaka pasívnemu toky 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 s tým, ako klesá koncentrácia sodíkových iónov, ktoré sa majú z bunky odstraňovať (obr. 1.8), takže činnosť pumpy a tok sodíkových iónov do bunky sa navzájom vyrovnávajú, pričom sa udržiava vnútrobunková koncentrácia sodíkových iónov na úrovni okolo 10 mmol/l.
Na udržanie rovnováhy medzi čerpacie a pasívne membránové prúdy je potrebných oveľa viac molekúl Na/K-pump ako kanálových proteínov pre ióny draslíka a sodíka. Keď je kanál otvorený, prejdú ním desiatky tisíc iónov za niekoľko milisekúnd, a keďže kanál sa 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 membrány; z toho vyplýva, že v rovnakom priestore by malo byť prítomných asi 1000 molekúl pumpy Na/K; vzdialenosť medzi nimi je v priemere 34 nm; priemer pumpového proteínu, ako aj kanálového proteínu, je 8–10 nm. Membrána je teda dostatočne husto nasýtená čerpacími molekulami.
Skutočnosť, že prietok sodných iónov do bunky, A draselné ióny – von z bunky kompenzovaný prevádzkou čerpadla, má ďalší následok, ktorým je udržanie 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 membránou (alebo do nej prenikajú veľmi pomaly), a preto sú pevnou zložkou vo vnútri bunky. Na vyrovnanie náboja týchto aniónov je potrebný rovnaký počet katiónov. Vďaka pôsobenie 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. Prichádzajúci prúd Cl sa pozoruje len dovtedy, kým sa nedosiahne rovnovážny potenciál pre chloridové ióny; toto sa pozoruje, keď je gradient chloridových iónov takmer opačný ako gradient draslíkových iónov, pretože chloridové ióny sú negatívne nabité. Tak sa vytvorí nízka intracelulárna koncentrácia chloridových iónov, čo zodpovedá nízkej extracelulárnej koncentrácii draselných iónov. Výsledkom je obmedzenie celkového počtu iónov v bunke. Ak membránový potenciál klesne počas blokády 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 núti vodu vstúpiť do bunky. Bunka napučí. Takéto napučiavanie sa pozoruje in vivo za podmienok s nedostatkom 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 musí mať bunka dostatočné množstvo takýchto „bankoviek“.
Táto požiadavka bola splnená, keď išlo o ATP. Bunka vždy obsahuje pomerne veľké množstvá ATP a boli prijaté opatrenia na stabilizáciu tohto množstva v podmienkach meniacej sa konjunktúry – 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 je za týchto podmienok oveľa väčší ako ATP. Ale akonáhle hladina ADP stúpa a ATP klesá, reakcia mení smer a kreatínfosfát sa stáva dodávateľom ATP. Kreatínfosfát teda plní svoju funkciu stabilizátora, tlmivého roztoku na úrovni ATP.
A čo protónový potenciál?
Jednoduchý výpočet 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 tvorby povedie k zániku potenciálu a odstaveniu všetkých systémov napájaných potenciálom.
Takže musí existovať tlmivý roztok pre protónový potenciál, ako je kreatínfosfát pre ATP. Aký komponent si však príroda vybrala do takejto úlohy?
Pri premýšľaní o tomto probléme som sa snažil nájsť nejaký potenciálny biologický systém, ktorého funkcia by bola neznáma.
Jedna zo starých záhad biológie: prečo bunka absorbuje draselné ióny a vylučuje sodíkové ióny, čím vzniká nákladná asymetria v distribúcii týchto podobných iónov medzi cytoplazmou a prostredím? Prakticky 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, nie je. Zatiaľ čo niektoré enzýmové systémy fungujú lepšie v KCl ako v NaCl, zdá sa, že ide o sekundárnu adaptáciu na vnútorné prostredie bunky s „vysokým obsahom draslíka“ a „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 množstvo energetických zdrojov na vytvorenie gradientu sodíka a draslíka.
Je známe, že excitabilné živočíšne bunky, ako sú neuróny, využívajú gradient sodíka a draslíka na vedenie nervových impulzov. Ale čo iné typy buniek, napríklad baktérie?
Prejdime k mechanizmu transportu K + a Na + cez bakteriálnu membránu. Je známe, že medzi bakteriálnou cytoplazmou a vonkajším prostredím existuje rozdiel v elektrických potenciáloch, podporovaný prácou generátorových proteínov v bakteriálnej membráne. Pumpovaním protónov z vnútra bunky von, generátorové proteíny tak 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 predbežne nabitú protónovými generátormi.
Na druhej strane by vybitie membrány malo okamžite aktivovať prevádzku generátorov.
To znamená, že energetické zdroje vynaložené na generovanie rozdielu elektrického potenciálu medzi bunkou a prostredím sa použijú na koncentráciu 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 deficit možno využiť na odčerpanie iónov Na +. Dá sa to urobiť nasledujúcim spôsobom. 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: akumulovali sme K + vo vnútri bunky a odčerpávali sme odtiaľ Na +. Hnacou silou týchto procesov bol protónový potenciál vytvorený generátorovými proteínmi. (Smer potenciálu bol taký, že vnútro článku bolo nabité záporne a bol nedostatok vodíkových iónov.)
Predpokladajme teraz, že protónové generátory boli 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. Rozptyl, samotný gradient draslíka a sodíka sa ukáže ako generátor protónového potenciálu rovnakého smeru, ktorý sa vytvoril počas prevádzky proteínových generátorov.
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 fungujú generátory proteínov, protónový potenciál, ktorý vytvárajú, sa vynakladá na tvorbu gradientu draslíka a sodíka. Ale keď sú vypnuté (alebo ich výkon nestačí na uspokojenie mnohých spotrebiteľov potenciálu), gradient draslíka a sodíka, ktorý sa rozptýli, sám začne generovať protónový potenciál.
Koniec koncov, toto je vyrovnávacia pamäť protónového potenciálu, práve vyrovnávacia pamäť, ktorá je taká potrebná pre fungovanie membránových energetických systémov!
Schematicky možno tento koncept znázorniť takto:
Draslík-sodný gradient ↓ vonkajšie zdroje energie → protónový potenciál → prac.
Ale ak je takáto 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 bez protónovej ATP syntetázy. Pre takéhoto mutanta je oxidácia substrátov kyslíkom jediným zdrojom energie vhodným na vytvorenie protónového potenciálu. Ako vtedy ukázal J. Adler a jeho spolupracovníci, mutant je mobilný, pokiaľ je v médiu kyslík.
Glagolev a Brown zopakovali Adlerov experiment a presvedčili sa, že vyčerpanie zásob kyslíka v roztoku v skutočnosti zastaví baktérie, ak sú v médiu s KCl. Za týchto podmienok neexistuje gradient draslík-sodík: v bunkách aj v prostredí je veľa draslíka a sodík nie je ani tam, ani tu.
Teraz vezmeme 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 bude mobilita nejaký čas pretrvávať aj v anoxických podmienkach, pretože je možná premena energie:
gradient draslík-sodík → protónový potenciál → rotácia bičíka.
V skutočnosti sa baktérie pohybovali ďalších 15-20 minút po tom, čo meracie zariadenie zaregistrovalo nulovú hladinu CO v médiu.
Ale obzvlášť názorný, ako by sa dalo očakávať, bol experiment s baktériami milujúcimi soľ, ktoré transportujú veľmi veľké množstvá iónov K + a Na +, aby vytvorili gradient draslíka a sodíka. Takéto baktérie sa rýchlo zastavili v tme za anoxických podmienok, ak bol v médiu KCl, a stále sa pohybovali po deviatich (!) hodinách, ak bol KCl nahradený NaCl.
Táto hodnota – deväť hodín – je zaujímavá predovšetkým ako ilustrácia objemu energetického rezervoára, ktorým je gradient draslíka a sodíka u slanomilných baktérií. Okrem toho nadobúda osobitný význam, ak si spomenieme, že baktérie milujúce soľ majú bakteriorhodopsín, a preto sú schopné premeniť 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.
Konštatovanie, že gradient draslíka a sodíka zohráva úlohu tlmivého roztoku 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 gradientu draslíka a sodíka sa nemohla zrodiť skôr, ako bol objavený protónový potenciál a bolo dokázané, že slúži ako konvertibilná forma energie. Celé tie roky problém draslíka a sodíka len čakal v krídlach.
