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. Je to jasne vidieť z údajov v tabuľke 7.

Vo vnútri bunky sú minerálne látky tiež rozdelené nerovnomerne medzi cytoplazmou, jej organelami a jadrom. Koncentrácia sodíka v jadre žabieho vajíčka je teda trikrát vyššia ako v cytoplazme a draslíka je dvakrát vyššia (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 spojené.

Asymetria soli závisí od funkčného stavu bunky a smrťou bunky sa stráca; obsah solí v bunke a prostredí sa vyrovnáva. Izoláciu buniek a tkanív z tela zvyčajne sprevádza mierna strata draslíka a zvýšenie množstva sodíka.

Ryža. 25. Závislosť koncentrácie iónov sodíka a chlóru vo svalových vláknach od ich koncentrácie v prostredí, 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 médiu je znázornená na obrázku 26.

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

Takmer všetky minerálne ióny prenikajú do buniek, aj keď veľmi rozdielnou rýchlosťou. Použitím izotopovej techniky sa ukázalo, že dochádza k neustálej výmene bunkových iónov za ióny prostredia aj pri stacionárnom (nemennom) rozdelení. V tomto prípade sa vnútorný tok iónu rovná jeho toku v opačnom smere. Toky iónov sú zvyčajne vyjadrené v pmol (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 zistená prítomnosť frakcií iónov s rôznymi rýchlosťami výmeny (rýchle a pomalé frakcie), čo súvisí s ich rozdielnymi stavmi vo vnútri bunky. Ióny môžu byť v bunke vo voľnej ionizovanej forme a v neionizovanom stave spojené s proteínmi, nukleovými kyselinami, fosfolipidmi. Takmer všetok vápnik a horčík sa nachádza v protoplazme vo viazanej forme. Minerálne anióny bunky sú zjavne úplne vo voľnom stave.

Z hľadiska rýchlosti prieniku do bunky sa katióny môžu líšiť v desiatkach a 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 nasledujúceho radu: I (1,24) > CNS - (1,09), NO 3 - (l,09) > Cl - (1,00) > SO 4 2- ( 0,21) > HPO42- (0,15).

Ryža. 27. Závislosť veľkosti toku draselných iónov do erytrocytov od ich koncentrácie v médiu. Vodorovná os ukazuje koncentráciu draselných iónov v médiu, mM; pozdĺž osi y - tok draselných iónov do erytrocytov, μM/g h

Hodnoty tokov iónov do bunky nezávisia priamo od ich koncentrácie. So zvýšením koncentrácie iónov vo vonkajšom prostredí sa tok najskôr rýchlo zvyšuje a potom sa jeho zvýšenie 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 má dve zložky. Jeden z nich (2) odráža lineárnu závislosť - je pasívnou zložkou a odráža difúziu. Druhá zložka (3) označuje proces saturácie a je spojená s transportom iónov a spotrebou energie, preto sa nazýva aktívna a dá sa vyjadriť Michaelis-Mentenovým vzorcom.

Keď sú bunky vzrušené a poškodené, minerálne ióny sa redistribuujú 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.

Každým impulzom prebehnutým nervovým vláknom stráca vlákno určité množstvo iónov draslíka a približne rovnaké množstvo iónov sodíka vstupuje do vlákna (tabuľka 11). Keď sú bunky excitované, zvyšuje sa aj priepustnosť pre ióny lítia, rubídia, cézia, cholínu a vápnika. Takže s jednou kontrakciou kostrového svalu sa vstup vápnika do bunky zvýši o 0,2 pmol / cm2.

Teraz je dokázané, že iónová asymetria vlastná všetkým živým bunkám je zabezpečená aktivitou 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.

Schéma transportu iónov draslíka a sodíka je znázornená 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 prenáša ióny draslíka v určitom smere. Aký je špecifický mechanizmus transportného systému, nie je známe. Existujú myšlienky o mobilných jednotlivých dopravcoch, o hromadnej doprave ao prenose štafetových pretekov.

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. Zapíšem si, 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.

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.

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.

Článok do súťaže "bio/mol/text": Pokojový potenciál je dôležitým javom v živote všetkých telesných buniek a je dôležité vedieť, ako sa tvorí. Ide však o zložitý dynamický proces, ktorý je ako celok ťažko pochopiteľný najmä pre študentov bakalárskeho štúdia (biologické, lekárske a psychologické odbory) a nepripravených čitateľov. Pri zvažovaní bodov je však celkom možné pochopiť jeho hlavné detaily a fázy. Príspevok predstavuje koncept pokojového potenciálu a identifikuje hlavné štádiá 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. Oddelene sa prejavuje rozdiel v koncentrácii sodíka a rozdiel v koncentrácii draslíka. Pokus draselných iónov (K+) vyrovnať ich koncentráciu na oboch stranách membrány vedie k ich úniku z bunky a spolu s nimi aj strate kladných elektrických nábojov, čím vzniká celkový záporný náboj vnútorného povrchu membrány. bunka je výrazne zvýšená. Táto „draslíková“ negativita tvorí väčšinu pokojového potenciálu (v priemere -60 mV) a menšia časť (-10 mV) je negatívna "výmeny" spôsobená elektrogenitou samotnej iónomeničovej pumpy.

Poďme to pochopiť podrobnejšie.

Prečo potrebujeme vedieť, čo je kľudový potenciál a ako vzniká?

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

Na tieto otázky možno odpovedať iba vtedy, ak zistíme, ako si bunka vytvára rozdiel v elektrických potenciáloch (kľudový potenciál) naprieč membránou.

Je celkom zrejmé, že na to, aby sme pochopili, ako funguje nervový systém, je najprv potrebné pochopiť, ako funguje jeho samostatná 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 pri štúdiu fungovania nervového systému je teda pochopenie toho, ako sa elektrický potenciál objavuje na membráne nervových buniek. To je to, čo urobíme, a nazveme tento proces tvorba pokojového potenciálu.

Definícia pojmu „potenciál odpočinku“

Normálne, keď je nervová bunka vo fyziologickom pokoji a je pripravená pracovať, už má za sebou 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 je teda polarizovaná. To znamená, že má odlišný elektrický potenciál vonkajšieho a vnútorného povrchu. Je celkom možné zaregistrovať rozdiel medzi týmito potenciálmi.

Dá sa to overiť vložením mikroelektródy pripojenej k záznamovému zariadeniu do článku. Hneď ako elektróda vstúpi do článku, okamžite nadobudne určitý konštantný elektronegatívny potenciál vzhľadom na elektródu umiestnenú v tekutine obklopujúcej článok. Hodnota vnútrobunkového elektrického potenciálu v nervových bunkách a vláknach, napríklad nervových vláknach obrovských chobotníc, v pokoji je asi -70 mV. Táto hodnota sa nazýva pokojový membránový potenciál (RMP). Vo všetkých bodoch axoplazmy je tento potenciál prakticky rovnaký.

Nozdrachev A.D. atď. Začiatky fyziológie.

Trochu viac fyziky. Makroskopické fyzické telá sú spravidla elektricky neutrálne, t.j. obsahujú rovnaké množstvo kladných aj záporných nábojov. Teleso môžete nabiť tak, že v ňom vytvoríte prebytok nabitých častíc jedného typu, napríklad trením o iné teleso, pri ktorom sa v tomto prípade vytvorí prebytok nábojov opačného typu. Berúc do úvahy 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 dostupných 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. A vo všeobecnosti sa vo vodných roztokoch nepohybujú elektróny, ale ióny vo forme elektrického prúdu. Preto sú všetky elektrické prúdy v bunkách a ich prostredí iónové prúdy.

Takže vo vnútri bunky v pokoji je záporne nabitá a vonku - kladne. To je charakteristické pre všetky živé bunky, snáď s výnimkou erytrocytov, ktoré sú naopak zvonku negatívne nabité. Konkrétnejšie sa ukazuje, že pozitívne ióny (katióny Na + a K +) budú prevládať vonku okolo bunky a negatívne ióny (anióny organických kyselín, ktoré sa nemôžu voľne pohybovať cez membránu, ako Na + a K +) prevládne vo vnútri.

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

Pre jednoduchosť vysvetlenia zmien úrovne pokojového potenciálu sa nám bude hodiť pojem „negativita“, ktorým budeme charakterizovať elektrický potenciál vo vnútri bunky. Cenné v tomto termíne je, že nasledovné je intuitívne jasné: čím väčšia negativita vo vnútri bunky, tým nižší je potenciál posunutý na negatívnu stranu od nuly a čím menšia je negativita, tým je negatívny potenciál bližšie k nule. Je to oveľa jednoduchšie pochopiť, ako zakaždým zistiť, čo presne znamená výraz „potenciál sa zvyšuje“ – zvýšenie absolútnej hodnoty (alebo „modulo“) bude znamenať posun v pokojovom potenciáli smerom nadol z nuly, ale jednoducho „zvýšenie“ znamená posun potenciálu až k nule. Pojem „negativita“ nevytvára podobné problémy s nejednoznačnosťou.

Podstata tvorby 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 z výskyt extra negatívnych častíc(anióny), ale naopak v dôsledku strata niektorých pozitívnych častíc(katióny)!

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

Hlavné tajomstvo vzhľadu negativity vo vnútri bunky

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

1. najprv vymení svoj „vlastný“ sodík za „cudzí“ draslík (áno, niektoré kladné ióny za iné, rovnako pozitívne);
2. potom z nej unikajú tieto „pomenované“ 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 +

Proteínové proteíny neustále pracujú v membráne nervovej bunky. výmenníkové čerpadlá(adenozíntrifosfatáza alebo Na+/K+-ATPáza), zapustené v membráne. Menia „vlastný“ sodík bunky na vonkajší „cudzí“ draslík.

No predsa pri výmene jedného kladného náboja (Na +) za iný s rovnakým kladným nábojom (K +) nemôže byť v článku nedostatok kladných nábojov! Správny. Ale napriek tomu 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 skôr koncentrovaný roztok chloridu draselného. V bunke dosahuje koncentrácia draslíka 0,4 mol / l. Roztoky chloridu draselného v rozmedzí 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 kyslé.

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 vo vnútri bunky. (Pamätajte však, že stále musíme nájsť vysvetlenie pre zvyšných -60 mV!)

Na uľahčenie zapamätania si činnosti výmenníkových čerpadiel ju možno obrazne vyjadriť takto: "Celka 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 tak vynakladá na túto výmenu energiu ATP. A ako utrácať! Až 70 % všetkej spotreby energie neurónov možno minúť na prácu 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 mení potenciál ich membrány z –10 na –70 mV, t.j. ich membrána sa stáva negatívnejšou – v procese diferenciácie sa polarizuje. A pri pokusoch na multipotentných mezenchymálnych stromálnych bunkách ľudskej kostnej drene umelá depolarizácia, ktorá pôsobí proti pokojovému potenciálu a znižuje negativitu buniek, dokonca inhibovala (deprimovala) diferenciáciu buniek.

Obrazne povedané, dá sa to vyjadriť takto: Vytvorením potenciálu na oddych sa bunka „nabije láskou“. Je to láska k dvom veciam:

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

Mechanizmus saturácie buniek draslíkom sme si už vysvetlili (toto je práca výmenných púmp) a mechanizmus odchodu draslíka z bunky si vysvetlíme nižšie, keď pristúpime k popisu druhého štádia vytvárania vnútrobunkovej 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. Objavenie sa slabého elektrického potenciálu na membráne (–10 mV).

Môžeme povedať toto: v prvom štádiu iónové pumpy membrány 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 po tom, ako jej membránové čerpadlá sodíkovo-draslíkového výmenníka pracujú s iónmi?

Kvôli výslednému nedostatku sodíka vo vnútri bunky sa tento ión snaží pri každej príležitosti ponáhľať sa dovnútra: rozpustené látky majú vždy tendenciu vyrovnávať svoju koncentráciu v celom objeme roztoku. To však nefunguje dobre pre sodík, pretože sodíkové iónové kanály sú zvyčajne uzavreté a otvorené iba za určitých podmienok: pod vplyvom špeciálnych látok (vysielače) alebo so znížením negativity 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, v snahe vyrovnať svoju koncentráciu zvnútra a zvonku, sa naopak snaží, dostať von z cely. A darí sa mu to!

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

Tu je tiež dôležité pochopiť, že ióny sodíka a draslíka sa navzájom „nevšimnú“, reagujú iba „na seba“. Tie. sodík reaguje na koncentráciu sodíka, ale "nedáva pozor" na to, koľko draslíka je v okolí. Naopak draslík reaguje len na koncentráciu draslíka a sodík si „nevšimne“. 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 deje v učebniciach.

Podľa zákona o vyrovnávaní chemických koncentrácií, ktorý funguje v roztokoch, sodík „chce“ vstúpiť do bunky zvonku; ťahá ho tam aj elektrická sila (ako si pamätáme, cytoplazma je negatívne nabitá). Chce niečo chcieť, ale nemôže, pretože membrána v normálnom stave neprechádza dobre. Kanály sodíkových iónov prítomné v membráne sú normálne uzavreté. Ak predsa len trochu vstúpi, bunka ho okamžite vymení za vonkajší draslík pomocou svojich sodíkovo-draslíkových výmenných púmp. Ukazuje sa, že ióny sodíka prechádzajú bunkou ako pri prechode a nezdržujú sa v nej. Preto je sodíka v neurónoch vždy nedostatok.

Ale draslík môže jednoducho odísť z bunky! Je ho plná klietka a ona si ho nemôže nechať. 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 počas posunov 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. Z pohybu sa musíme vedome pohnúť chemické častice k pohybu elektrické náboje.

Draslík (K +) je kladne nabitý, a preto keď opustí bunku, odoberie z nej nielen seba, ale aj kladný náboj. Za ním z vnútra bunky k membráne sa tiahnu "mínusy" - záporné náboje. Ale nemôžu preniknúť cez membránu - na rozdiel od draselných iónov - pretože. neexistujú pre ne vhodné iónové kanály a membrána ich neprepustí. Pamätáte si na negativitu -60 mV, ktorú sme nevysvetlili? 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, ktorý vzniká deficitom kladných nábojov vo vnútri bunky, ktorý vzniká únikom kladných iónov draslíka z bunky.

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

Elektrické sily súvisia s chemickými silami podľa Goldmanovej rovnice. Jeho konkrétnym prípadom je jednoduchšia Nernstova rovnica, ktorú možno použiť na výpočet rozdielu transmembránového difúzneho potenciálu na základe rôznych koncentrácií iónov rovnakého druhu na opačných 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 je plyn konštantný, T je absolútna teplota, F- Faradayova konštanta, K + ext a K + ext - koncentrácie iónov K + mimo a vo vnútri bunky. Vzorec ukazuje, že na výpočet potenciálu sa navzájom porovnávajú koncentrácie iónov rovnakého typu - K +.

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 (int) a mimo membrány (ex). Pre pokojovú membránu axónu chobotnice je pomer vodivosti R K: PNa :P Cl = 1:0,04:0,45.

Záver

Oddychový potenciál sa teda skladá z dvoch častí:

1. -10 mV, ktoré sa získavajú „asymetrickou“ činnosťou čerpadla membránového výmenníka (ten predsa odčerpáva z článku viac kladných nábojov (Na +), ako čerpá späť draslíkom).
2. Druhou časťou je draslík, ktorý neustále vyteká z bunky a odnáša kladné náboje. Jeho príspevok je hlavný: -60 mV. V súčte to dáva požadovaných -70 mV.

Je zaujímavé, že draslík prestane opúšťať bunku (presnejšie, jeho vstup a výstup sa vyrovnajú) až pri hladine negativity bunky -90 mV. V tomto prípade sa chemické a elektrické sily vyrovnajú, pretlačia draslík cez membránu, ale nasmerujú ho opačným smerom. Tomu však bráni neustály únik sodíka do bunky, ktorý so sebou nesie kladné náboje a znižuje negativitu, o ktorú draslík „bojuje“. A v dôsledku toho sa v bunke udržiava rovnovážny stav na úrovni -70 mV.

Teraz je konečne vytvorený pokojový membránový potenciál.

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

Literatúra

1. Jacqueline Fischer-Lougheed, Jian-Hui Liu, Estelle Espinos, David Mordasini, Charles R. Bader, et. kol., (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 vo 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. Petrohrad: Štátna elektrotechnická univerzita v Petrohrade;
5. Nozdrachev A.D., Bazhenov Yu.I., Barannikova I.A., Batuev A.S. a iné.Začiatky fyziológie: Učebnica pre stredné školy / Ed. akad. PEKLO. Nozdrachev. 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 Rem K.-G. Vizuálna biochémia. M.: Mir, 2004. - 469 s.;
10. Šulgovský V.V. Základy neurofyziológie: Učebnica pre vysokoškolákov. Moskva: Aspect Press, 2000. - 277 s.

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 K + iónov 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. Príčinou zmeny permeability môže byť zmena potenciálu membrány - aktivujú sa elektricky excitovateľné kanály a interakcia membránových receptorov s biologicky aktívnou látkou - receptormi riadenými kanálmi a mechanický efekt. 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 činnosť Na/K pumpy, ktorá pumpuje sodíkové ióny von z bunky a súčasne pumpuje draselné ióny do bunky. 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. 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 odpoveď na pôsobenie podprahového podnetu – lokálna odpoveď

Lokálna odpoveď má v podstate rovnaký mechanizmus ako PD, 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.