Мембранний потенціал нейрона у спокої дорівнює. Формування мембранного потенціалу спокою
Na+/K+ насос або Na+/K+ АТФ-аза це також, як і іонні канали комплекс інтегральних мембранних білків, які можуть не просто відкрити шлях для переходу іона по градієнту, а активно переміщувати іони проти градієнта концентрації. Механізм роботи насоса представлений малюнку 8.
Білковий комплекс у стані Е1, у цьому стані насос чутливий до іонів натрію і з цитоплазматичної сторони з ферментом зв'язуються 3 іони натрію
Після зв'язування іонів натрію відбувається гідроліз АТФ та виділяється енергія,необхідна для перенесення іонів проти концентрації градієнта, звільняється АДФ неорганічний фосфат (саме тому насос і називають Na + / K + АТФ-азою).
Насос змінює конформацію та переходить у стан Е2. У цьому місця зв'язування іонів натрію виявляються зверненими назовні. У цьому стані насос має низьку спорідненість до натрію та іони звільняються у позаклітинне середовище.
У конформації Е2 фермент має високу спорідненість до калію і пов'язує 2 іони.
Відбувається перенесення калію, звільнення його у внутрішньоклітинне середовище та приєднання молекули АТФ – насос повернувся в конформацію Е1, знову набув спорідненості з іонами натрію і включається в новий цикл.
Малюнок 8 Механізм роботи Na+/K+ АТФ-ази
Зверніть увагу на те, що Na+/K+ насос переносить 3 іона натрію з клітини в обмін на 2 іона калію. Тому насос є електрогенним: сумарно за один цикл клітини видаляється один позитивний заряд. Транспортний білок виконує від 150 до 600 циклів за секунду. Оскільки робота насоса є багатоступінчастою хімічною реакцією, вона, подібно до всіх хімічних реакцій, значною мірою залежить від температури. Іншою характеристикою насоса є наявність рівня насичення, це означає, що швидкість роботи насоса не може зростати нескінченно при підвищенні концентрації іонів, що транспортуються. На відміну від цього потік пасивно дифузної речовини зростає пропорційно різниці концентрацій.
Крім Na + / K + насос мембрана містить ще кальцієвий насос, цей насос відкачує іони кальцію з клітини. Кальцієвий насос є дуже високою щільністю в саркоплазматичному ретикулумі м'язових клітин. Цистерни ретикулюму накопичують іони кальцію внаслідок розщеплення молекули АТФ.
Отже, результатом роботи Na+/K+ насоса є трансмембранна різниця концентрацій натрію та калію. Вивчіть значення концентрація натрію, калію та хлору (ммоль/л) поза та всередині клітини!
Концентрація іонів усередині та поза клітиною
Отже, є два факти, які необхідно врахувати, щоб зрозуміти механізми, що підтримують мембранний потенціал спокою.
1 . Концентрація іонів калію в клітині значно вища, ніж у позаклітинному середовищі. 2 . Мембрана у спокої вибірково проникна До + , а Nа + проникність мембрани у спокої незначна. Якщо прийняти проникність для калію за 1, то проникність натрію в спокої складе лише 0,04. Отже, існує постійний потік іонів + з цитоплазми за градієнтом концентрації. Калієвий струм з цитоплазми створює відносний дефіцит позитивних зарядів на внутрішній поверхні, для аніонів клітинна мембрана непроникна в результаті цитоплазма клітини виявляється зарядженою негативно по відношенню до навколишнього середовища. Ця різниця потенціалів між клітиною та позаклітинним простором, поляризація клітини, називається мембранним потенціалом спокою (МПП).
Виникає питання: чому ж струм іонів калію не продовжується до врівноваження концентрацій іону поза та всередині клітини? Слід згадати у тому, це заряджена частка, отже, її рух залежить від заряду мембрани. Внутрішньоклітинний негативний заряд, який створюється завдяки струму іонів калію із клітини, перешкоджає виходу з клітини нових іонів калію. Потік іонів калію припиняється, коли дія електричного поля компенсує рух іона градієнтом концентрації. Отже, для цієї різниці концентрацій іонів на мембрані формується так званий РІВНОВЕСНИЙ ПОТЕНЦІАЛ для калію. Цей потенціал (Ek) дорівнює RT/nF *ln Kзовні/Kвнутрі, (n – валентність іона.) або
Ek=61,5 log Kзовні / Kвсередині
Мембранний потенціал (МП) великою мірою залежить від рівноважного потенціалу калію, однак, частина іонів натрію все ж проникає в клітину, що покоїться, так само, як і іони хлору. Таким чином, негативний заряд, який має мембрана клітини, залежить від рівноважних потенціалів натрію, калію та хлору та описується рівнянням Нернста. Наявність цього мембранного потенціалу спокою надзвичайно важлива, тому що саме він визначає здатність клітини до збудження – специфічної відповіді на подразник.
Виконання нейроном своїх основних функцій – генерації, проведення та передачі нервового імпульсу стає можливим насамперед тому, що концентрація низки іонів усередині та поза клітиною істотно різниться. Найбільше значення мають іони K+, Na+, Ca2+, Cl-. Калію в клітині в 30-40 разів більше, ніж зовні, а натрію приблизно в 10 разів менше. Крім того, у клітині набагато менше, ніж у міжклітинному середовищі, іонів хлору та вільного кальцію.
Різниця концентрацій натрію та калію створюється спеціальним біохімічним механізмом, який називається натрій-калієвим насосом. Він є білковою молекулою, вбудованою в мембрану нейрона (рис. 6) і здійснює активний транспорт іонів. Використовуючи енергію АТФ (аденозинтрифосфорної кислоти), такий насос обмінює натрій на калій у пропорції 3: 2. Для перенесення трьох іонів натрію з клітини в навколишнє середовище та двох іонів калію у зворотному напрямку (тобто проти градієнта концентрації) потрібна енергія однієї молекули АТФ.
При дозріванні нейронів відбувається вбудовування в їхню мембрану натрій-калієвих насосів (на 1 мкм2 може бути розташовано до 200 таких молекул), після чого починається накачування в нервову клітину іонів калію і виведення з неї іонів натрію. В результаті концентрація іонів калію у клітині зростає, а натрію зменшується. Швидкість цього може бути дуже великий: до 600 іонів Nа+ в секунду. У реальних нейронах вона визначається насамперед доступністю внутрішньоклітинного Nа+ і різко зростає при його проникненні ззовні. Без будь-якого з двох типів іонів робота насоса зупиняється, оскільки вона може протікати тільки як процес обміну внутрішньоклітинного Nа+ на позаклітинний K+.
Подібні системи перенесення існують і для іонів Cl-і Ca2+. При цьому іони хлору виводяться з цитоплазми в міжклітинне середовище, і іони кальцію зазвичай переносяться всередину клітинних органоїдів – мітохондрій та каналів ендоплазматичної мережі.
Для розуміння процесів, що відбуваються в нейроні, необхідно знати, що у мембрані клітини є іонні канали, кількість яких задано генетично. Іонний канал- Це отвір в особливій білковій молекулі, вбудованій в мембрану. Білок може змінювати свою конформацію (просторову конфігурацію), у результаті канал знаходиться у відкритому або закритому стані. Існує три основні типи таких каналів:
- Постійно відкриті;
— потенциалзависимые (вольтзависимые, електрочутливі) — канал відкривається і закривається залежно від трансмембранної різниці потенціалів, тобто. різниці потенціалів між зовнішньою та внутрішньою поверхнями цитоплазматичної мембрани;
- хемозалежні (лігандзалежні, хемочутливі) - канал відкривається в залежності від впливу на нього тієї чи іншої речовини, специфічної для кожного каналу.
Для вивчення електричних процесів у нервовій клітині застосовується мікроелектродна техніка. Мікроелектроди дозволяють реєструвати електричні процеси в одному окремому нейроні або нервовому волокні. Зазвичай це скляні капіляри з дуже тонким кінчиком діаметром менше 1 мкм заповнені розчином, що проводить електричний струм (наприклад, хлористим калієм).
Якщо встановити два електроди на поверхні клітини, то між ними не реєструється жодної різниці потенціалів. Але якщо одним із електродів проколоти цитоплазматичну мембрану нейрона (тобто кінчик електрода опиниться у внутрішньому середовищі), вольтметр зареєструє стрибок потенціалу приблизно до -70 мВ (рис. 7). Такий потенціал назвали мембранним потенціалом. Його можна зареєструвати у нейронів, а й у менш вираженої формі в інших клітин організму. Але тільки в нервових, м'язових та залозистих клітинах мембранний потенціал може змінюватись у відповідь на дію подразника. У цьому випадку мембранний потенціал клітини, на яку не діють жодним подразником, називають потенціалом спокою(ВП). У різних нервових клітинах величина ПП відрізняється. Вона коливається не більше від -50 до -100 мВ. За рахунок чого з'являється цей ПП?
Початковий (до розвитку ПП) стан нейрона можна охарактеризувати як позбавлене внутрішнього заряду, тобто. кількість катіонів і аніонів у цитоплазмі клітини дорівнює за рахунок присутності великих органічних аніонів, для яких мембрана нейрона непроникна. Реально така картина спостерігається на ранніх етапах ембріонального розвитку нервової тканини. Потім у міру її дозрівання включаються гени, які запускають синтез постійно відкритих K+-каналів. Після їх вбудовування в мембрану іони K+ отримують можливість за рахунок дифузії вільно виходити з клітини (де їх багато) у міжклітинне середовище (де їх набагато менше).
Але це призводить до врівноваження концентрацій калію всередині і поза клітини, т.к. Вихід катіонів веде до того, що в клітині залишається все більше некомпенсованих негативних зарядів. Це спричиняє утворення електричного потенціалу, що перешкоджає виходу нових позитивно заряджених іонів. В результаті вихід калію триває до тих пір, поки не врівноважується сила концентраційного тиску калію, за рахунок якої він виходить з клітини, і дія електричного поля, що перешкоджає цьому. У результаті між зовнішнім та внутрішнім середовищем клітини виникає різниця потенціалів, або рівноважний калієвий потенціал, який описується рівнянням Нернста:
ЕK = (RT / F) (ln [К+]про / [К+]i),
де R – постійна газова, T – абсолютна температура, F – число Фарадея, [К+]o – концентрація іонів калію в зовнішньому розчині, [К+ ]i – концентрація іонів калію в клітині.
Рівняння підтверджує залежність, яку можна вивести навіть шляхом логічних міркувань – чим більша різниця концентрацій іонів калію у зовнішньому та внутрішньому середовищі, тим більше (за абсолютною величиною) ПП.
Класичні дослідження ПП проводили на гігантських аксонах кальмару. Їх діаметр становить близько 0,5 мм, тому весь вміст аксона (аксоплазму) можна без особливих проблем видалити і заповнити аксон розчином калію, концентрація якого відповідає його внутрішньоклітинній концентрації. Сам аксон при цьому поміщали в розчин калію з концентрацією, що відповідає міжклітинному середовищі. Після цього реєстрували ПП, який виявився рівним -75 мВ. Рівноважний калієвий потенціал, розрахований за рівнянням Нернста для цього випадку, дуже близький до отриманого в експерименті.
Але ПП в аксоні кальмара, заповненому справжньою аксоплазмою, дорівнює приблизно -60 мВ . Звідки виникає різниця в 15 мВ? Виявилося, що у створенні ПП беруть участь як іони калію, а й іони натрію. Справа в тому, що крім калієвих каналів у мембрану нейрона вбудовані та постійно відкриті натрієві канали. Їх набагато менше, ніж калієвих, проте мембрана все ж таки пропускає в клітину невелику кількість іонів Na+, у зв'язку з чим у більшості нейронів ПП становить -60-(-65) мВ. Струм натрію також пропорційний різниці його концентрацій усередині та зовні клітини – тому чим менше ця різниця, тим більше за абсолютним значенням ПП. Залежить струм натрію від самого ПП. Крім того, через мембрану дифундує дуже невелику кількість іонів Cl-. Тому при розрахунку реального ПП рівняння Нернста доповнюють даними про концентрації іонів натрію та хлору всередині та поза клітиною. У разі розрахункові показники виявляються дуже близькі до експериментальним, що підтверджує правильність пояснення походження ПП дифузією іонів через мембрану нейрона.
Таким чином, кінцевий рівень потенціалу спокою визначається взаємодією великої кількості факторів, основними з яких є струми K+, Nа+ та діяльність натрій-калієвого насоса. Кінцева величина ПП є результатом динамічної рівноваги цих процесів. Впливаючи на кожен з них, можна зміщувати рівень ПП і, відповідно, рівень збудливості нервової клітини.
В результаті описаних вище подій мембрана постійно перебуває у стані поляризації – її внутрішню сторону заряджено негативно по відношенню до зовнішньої. Процес зменшення різниці потенціалів (тобто зменшення ПП за абсолютною величиною) називається деполяризацією, а збільшення її (збільшення ПП за абсолютною величиною) гіперполяризацією.
Дата публікації: 2015-10-09; Прочитано: 361 | Порушення авторського права сторінки
studopedia.org - Студопедія. Орг - 2014-2018 рік. (0.002 с) ...
2–1. Мембранний потенціал спокою – це:
1) різниця потенціалів між зовнішньою та внутрішньою поверхнями клітинної мембрани у стані функціонального спокою *
2) характерна ознака тільки клітин збудливих тканин
3) швидке коливання заряду мембрани клітини амплітудою 90-120 мВ
4) різниця потенціалів між збудженою та незбудженою ділянками мембрани
5) різниця потенціалів між пошкодженою та непошкодженою ділянками мембрани
2–2. У стані фізіологічного спокою внутрішня поверхня мембрани збудливої клітини по відношенню до зовнішньої заряджена:
1) позитивно
2) як і зовнішня поверхня мембрани
3) негативно*
4) не має заряду
5) немає правильної відповіді
2–3. Зрушення в позитивну сторону (зменшення) мембранного потенціалу спокою при дії подразника називається:
1) гіперполяризацією
2) реполяризацією
3) екзальтацією
4) деполяризацією*
5) статичною поляризацією
2–4. Зрушення в негативний бік (збільшення) мембранного потенціалу спокою називається:
1) деполяризацією
2) реполяризацією
3) гіперполяризацією*
4) екзальтацією
5) реверсією
2–5. Низхідна фаза потенціалу дії (реполяризація) пов'язана з підвищенням проникності мембрани для іонів:
2) кальцію
2–6. Усередині клітини в порівнянні з міжклітинною рідиною вище концентрація іонів:
3) кальцію
2–7. Збільшення калієвого струму під час розвитку потенціалу дії викликає:
1) швидку реполяризацію мембрани*
2) деполяризацію мембрани
3) реверсію мембранного потенціалу
4) слідову деполяризацію
5) місцеву деполяризацію
2–8. При повній блокаді швидких натрієвих каналів клітинної мембрани спостерігається:
1) знижена збудливість
2) зменшення амплітуди потенціалу дії
3) абсолютна рефрактерність*
4) екзальтація
5) слідова деполяризація
2–9. Негативний заряд на внутрішній стороні клітинної мембрани формується внаслідок дифузії:
1) К+ з клітини та електрогенної функції K-Na-насоса *
2) Na+ у клітину
3) С1 - з клітини
4) Са2+ у клітину
5) немає правильної відповіді
2–10. Величина потенціалу спокою близька до рівноважного потенціалу для іона:
3) кальцію
2–11. Висхідна фаза потенціалу дії пов'язана з підвищенням проникності для іонів:
2) немає правильної відповіді
3) натрію*
2–12. Вкажіть функціональну роль мембранного потенціалу спокою:
1) його електричне поле впливає на стан білків-каналів та ферментів мембрани*
2) характеризує підвищення збудливості клітини
3) є основною одиницею кодування інформації у нервовій системі
4) забезпечує роботу мембранних насосів
5) характеризує зниження збудливості клітини
2–13. Здатність клітин відповідати на дію подразників специфічною реакцією, що характеризується швидкою, оборотною деполяризацією мембрани та зміною метаболізму, носить назву:
1) дратівливість
2) збудливість*
3) лабільність
4) провідність
5) автоматія
2–14. Біологічні мембрани, беручи участь у зміні внутрішньоклітинного вмісту та внутрішньоклітинних реакцій за рахунок рецепції позаклітинних біологічно активних речовин, виконує функцію:
1) бар'єрну
2) рецепторно-регуляторну *
3) транспортну
4) диференціації клітин
2–15. Мінімальна сила подразника, необхідна і достатня для виникнення реакції у відповідь, називається:
1) пороговий *
2) надпороговий
3) субмаксимальною
4) підпороговий
5) максимальною
2–16. При збільшенні порога подразнення збудливість клітини:
1) збільшилася
2) зменшилася*
3) не змінилася
4) все правильно
5) немає правильної відповіді
2–17. Біологічні мембрани, беручи участь у перетворенні зовнішніх стимулів неелектричної та електричної природи на біоелектричні сигнали, виконують переважно функцію:
1) бар'єрну
2) регуляторну
3) диференціації клітин
4) транспортну
5) генерації потенціалу дії*
2–18. Потенціал дії – це:
1) стабільний потенціал, який встановлюється на мембрані при рівновазі двох сил: дифузійної та електростатичної
2) потенціал між зовнішньою та внутрішньою поверхнями клітини у стані функціонального спокою
3) швидке, активно поширюється фазне коливання мембранного потенціалу, що супроводжується, як правило, перезарядкою мембрани *
4) невелика зміна мембранного потенціалу при дії подпорогового подразника
5) тривала, застійна деполяризація мембрани
2–19. Проникність мембрани для Na+ у фазі деполяризації потенціалу дії:
1) різко збільшується і з'являється потужний натрієвий струм, що входить у клітину*
2) різко зменшується і з'являється потужний натрієвий струм, що виходить з клітини
3) суттєво не змінюється
4) все правильно
5) немає правильної відповіді
2–20. Біологічні мембрани, беручи участь у вивільненні нейромедіаторів у синаптичних закінченнях, виконують переважно функцію:
1) бар'єрну
2) регуляторну
3) міжклітинної взаємодії*
4) рецепторну
5) генерації потенціалу дії
2–21. Молекулярний механізм, що забезпечує виведення з цитоплазми іонів натрію та введення в цитоплазму іонів калію, називається:
1) потенціалзалежний натрієвий канал
2) неспецифічний натрій-калієвий канал
3) хемозалежний натрієвий канал
4) натрієво-калієвий насос*
5) канал витоку
2–22. Система руху іонів через мембрану за градієнтом концентрації, нещо вимагає безпосередньої витрати енергії, називається:
1) піноцитоз
2) пасивним транспортом*
3) активним транспортом
4) персорбцією
5) екзоцитозом
2–23. Рівень потенціалу мембрани, у якому виникає потенціал дії, називається:
1) мембранним потенціалом спокою
2) критичним рівнем деполяризації*
3) слідовою гіперполяризацією
4) нульовим рівнем
5) слідовою деполяризацією
2–24. При підвищенні концентрації К+ у позаклітинному середовищі з мембранним потенціалом спокою у збудливій клітині відбудеться:
1) деполяризація*
2) гіперполяризація
3) трансмембранна різниця потенціалів не зміниться
4) стабілізація трансмембранної різниці потенціалів
5) немає правильної відповіді
2–25. Найбільш істотною зміною при дії блокатором швидких натрієвих каналів буде:
1) деполяризація (зменшення потенціалу спокою)
2) гіперполяризація (збільшення потенціалу спокою)
3) зменшення крутості фази деполяризації потенціалу дії*
4) уповільнення фази реполяризації потенціалу дії
5) немає правильної відповіді
3. ОСНОВНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ ДРАЖЕННЯ
ПОРУШЕНИХ ТКАНИН
3-1. Закон, згідно з яким при збільшенні сили подразника реакція у відповідь поступово збільшується до досягнення максимуму, називається:
1) «все чи нічого»
2) сили-тривалості
3) акомодації
4) сили (силових відносин)*
5) полярним
3–2. Закон, згідно з яким збудлива структура на порогові та надпорогові роздратування відповідає максимально можливою відповіддю, називається:
2) «все чи нічого»*
3) сили-тривалості
4) акомодації
5) полярним
3–3. Мінімальний час, протягом якого струм, що дорівнює подвоєній реобазі (подвоєної порогової сили), викликає збудження, що називається:
1) корисним часом
2) акомодацією
3) адаптацією
4) хронаксія*
5) лабільністю
3–4. Закону сили підпорядковується структура:
1) серцевий м'яз
2) поодиноке нервове волокно
3) одиночне м'язове волокно
4) цілий скелетний м'яз*
5) одиночна нервова клітина
Закону «Все чи нічого» підпорядковується структура:
1) цілий скелетний м'яз
2) нервовий стовбур
3) серцевий м'яз*
4) гладкий м'яз
5) нервовий центр
3–6. Пристосування тканини до подразника, що повільно наростає по силі, називається:
1) лабільністю
2) функціональною мобільністю
3) гіперполяризацією
4) акомодацією*
5) гальмуванням
3–7. Для парадоксальної фази парабіозу характерно:
1) зменшення реакції у відповідь при збільшенні сили подразника*
2) зменшення реакції у відповідь при зменшенні сили подразника
3) збільшення реакції у відповідь при збільшенні сили подразника
4) однакова реакція у відповідь при збільшенні сили подразника
5) відсутність реакції на будь-які по силі подразники
3–8. Поріг роздратування є показником:
1) збудливості*
2) скоротливості
3) лабільності
4) провідності
5) автоматії
Дата публікації: 2015-04-08; Прочитано: 2728 | Порушення авторського права сторінки
studopedia.org - Студопедія. Орг - 2014-2018 рік. (0.009 с) ...
РОЛЬ АКТИВНОГО ТРАНСПОРТУ ІОНІВ У ФОРМУВАННІ МЕМБРАННОГО ПОТЕНЦІАЛУ
Однією з переваг «ідеальної» мембрани, що пропускає якийсь один іон, є підтримка скільки завгодно довго мембранного потенціалу без витрат енергії за умови, якщо проникаючий іон вихідно розподілений нерівномірно по обидва боки мембрани. Разом з тим мембрана живих клітин проникає в тій чи іншій мірі для всіх неорганічних іонів, що знаходяться в навколишньому клітину розчині. Тому клітини повин-
ні якось підтримувати внутрішньоклітинну концентрацію іонів на певному рівні. Досить показові в цьому відношенні іони натрію, на прикладі проникності яких у попередньому розділі розбиралося відхилення мембранного потенціалу м'язи від рівноважного калієвого потенціалу. Згідно з вимірюваним концентраціям іонів натрію зовні і всередині м'язової клітини рівноважний потенціал, розрахований за рівнянням Нернста для цих іонів, буде близько 60 мВ, причому зі знаком «плюс» всередині клітини. Мембранний потенціал, розрахований за рівнянням Голдмана і виміряний за допомогою мікро-електродів, дорівнює 90 мВ зі знаком «мінус» усередині клітини. Таким чином, відхилення від рівноважного потенціалу для іонів натрію буде 150 мВ. Під дією такого високого потенціалу навіть при низькій проникності іони натрію будуть входити через мембрану і накопичуватися всередині клітини, що відповідно супроводжуватиметься виходом іонів калію з неї. В результаті цього процесу внутрішньо-і позаклітинні концентрації іонів через деякий час вирівняються.
Насправді ж у живій клітині цього немає, оскільки постійно здійснюється видалення іонів натрію з клітини з допомогою так званого іонного насоса. Припущення про існування іонного насоса було висунуто Р. Діном у 40-ті роки XX ст. і стало надзвичайно важливим доповненням до мембранної теорії формування потенціалу спокою у живих клітинах. Експериментально показано, що активне «викачування» Na + з клітини йде з обов'язковим «закачування» іонів калію всередину клітини (рис. 2.8). Оскільки проникність мембрани для іонів натрію мала, їх вхід із зовнішнього середовища в клітину відбуватиметься повільно, тому
Низька концентрація К+ Висока концентрація Na++
насос ефективно підтримуватиме низьку концентрацію іонів натрію в клітині. Проникність мембрани для іонів калію в спокої досить висока, і вони легко дифундують через мембрану.
На підтримку високої концентрації іонів калію не треба витрачати енергії, вона зберігається завдяки трансмембранної різниці потенціалів, що виникає, механізми виникнення якої докладно викладені в попередніх розділах. Перенесення іонів насосом потребує витрат метаболічної енергії клітини. Джерелом енергії цього процесу є енергія, запасена макроергічних зв'язках молекул АТФ. Енергія звільняється за рахунок гідролізу АТФ за допомогою ферменту аденозинтрифосфатази. Вважають, що цей фермент безпосередньо здійснює і перенесення іонів. У відповідності з будовою клітинної мембрани АТФаза є одним з інтегральних білків, вбудованих в ліпідний бислой. Особливістю ферменту-переносника є його висока спорідненість на зовнішній поверхні до іонів калію, а на внутрішній - до іонів натрію. Дія інгібіторів окисних процесів (ціанідів або азидів) на клітину, охолодження клітини блокує гідроліз АТФ, а також активне перенесення іонів натрію і калію. Іони натрію поступово надходять у клітину, а іони калію виходять із неї, й у міру зниження відносини [К+]о/[К+],- потенціал спокою повільно знижуватиметься до нуля. Ми обговорювали ситуацію, коли іонний насос виводить з внутрішньоклітинного середовища один позитивно заряджений іон натрію і відповідно переносить з позаклітинного простору один позитивно заряджений іон калію (співвідношення 1: 1). У цьому випадку кажуть, що іонний насос є елект-ронейтральним.
Разом з тим експериментально було виявлено, що в деяких нервових клітинах іонний насос за один і той же проміжок часу більше видаляє іонів натрію, ніж закачує іонів калію (співвідношення може бути 3:2). У таких випадках іонний насос є електрогенним,т.
Fiziologia_Otvety
е. він сам створює невеликий, але постійний сумарний струм позитивних зарядів з клітини і додатково сприяє створенню негативного потенціалу всередині неї. Зазначимо, що створюваний за допомогою електрогенного насоса в клітині, що покоїться, додатковий потенціал не перевищує кількох мілівольт.
Підсумуємо відомості про механізми формування мемб-ранного потенціалу - потенціалу спокою в клітині. Основний процес, за рахунок якого створюється велика частина потенціалу з негативним знаком на внутрішній поверхні клітинної мембрани, - це виникнення електричного потенціалу, що затримує пасивний вихід іонів калію з клітини по своєму концентраційному градієнту через калієві канали - ін-
 |
тегральні білки. Інші іони (наприклад, іони натрію) беруть участь у створенні потенціалу лише в невеликій мірі, оскільки проникність мембрани для них значно нижча, ніж для іонів калію, тобто кількість відкритих каналів для цих іонів у стані спокою невелика . Надзвичайно важливою умовою для підтримки потенціалу спокою є наявність в клітині (у клітинній мембрані) іонного насоса (інтегрального білка), який забезпечує концентрацію іонів натрію всередині клітини на низькому рівні і тим самим створює передумови, щоб головними потенційно утворюючими внутрішньоклітинними іонами стали іони калію. Невеликий внесок у потенціал спокою може вносити безпосередньо і сам іонний насос, але за умови, що його робота в клітині електрогену.
Концентрація іонів усередині та поза клітиною
Отже, є два факти, які необхідно врахувати, щоб зрозуміти механізми, що підтримують мембранний потенціал спокою.
1 . Концентрація іонів калію в клітині значно вища, ніж у позаклітинному середовищі. 2 . Мембрана у спокої вибірково проникна К+ , а Nа+ проникність мембрани у спокої незначна. Якщо прийняти проникність для калію за 1, то проникність натрію в спокої складе лише 0,04. Отже, існує постійний потік іонів К+ з цитоплазми за градієнтом концентрації. Калієвий струм з цитоплазми створює відносний дефіцит позитивних зарядів на внутрішній поверхні, для аніонів клітинна мембрана непроникна в результаті цитоплазма клітини виявляється зарядженою негативно по відношенню до навколишнього середовища. Ця різниця потенціалів між клітиною та позаклітинним простором, поляризація клітини, називається мембранним потенціалом спокою (МПП).
Виникає питання: чому ж струм іонів калію не продовжується до врівноваження концентрацій іону поза та всередині клітини? Слід згадати у тому, це заряджена частка, отже, її рух залежить від заряду мембрани. Внутрішньоклітинний негативний заряд, який створюється завдяки струму іонів калію із клітини, перешкоджає виходу з клітини нових іонів калію. Потік іонів калію припиняється, коли дія електричного поля компенсує рух іона градієнтом концентрації. Отже, для цієї різниці концентрацій іонів на мембрані формується так званий РІВНОВЕСНИЙ ПОТЕНЦІАЛ для калію. Цей потенціал (Ek) дорівнює RT/nF *ln /, (n – валентність іона.) або
Ek = 61,5 log/
Мембранний потенціал (МП) великою мірою залежить від рівноважного потенціалу калію, однак, частина іонів натрію все ж проникає в клітину, що покоїться, так само, як і іони хлору. Таким чином, негативний заряд, який має мембрана клітини, залежить від рівноважних потенціалів натрію, калію та хлору та описується рівнянням Нернста. Наявність цього мембранного потенціалу спокою є надзвичайно важливою, тому що саме він визначає здатність клітини до збудження — специфічної відповіді на подразник.
Порушення клітини
У збудженняКлітини (перехід від спокою до активного стану) відбувається при підвищенні проникності іонних каналів для натрію, а іноді і для кальцію.Причиною зміни проникності може бути і зміна потенціалу мембрани – активуються електрозбудливі канали, та взаємодія мембранних рецепторів з біологічно активною речовиною – рецептор – керовані канали, та механічна дія. У будь-якому випадку для розвитку збудження необхідна початкова деполяризація - невелике зниження негативного заряду мембрани,викликана дією подразника. Подразником може бути будь-яка зміна параметрів зовнішнього або внутрішнього середовища організму: світло, температура, хімічні речовини (вплив на смакові та нюхові рецептори), розтягування, тиск. Натрій спрямовується в клітину, виникає іонний струм і відбувається зниження мембранного потенціалу - Деполяризаціямембрани.
Таблиця 4
Зміна мембранного потенціалу при збудженні клітини.
Зверніть увагу на те, що вхід натрію в клітину здійснюється за градієнтом концентрації і електричним градієнтом: концентрація натрію в клітині в 10 разів нижче, ніж у позаклітинному середовищі і заряд по відношенню до позаклітинного - негативний. Одночасно активуються і калієві канали, але натрієві (швидкі) активуються та інактивуються протягом 1 – 1,5 мілісекунд, а калієві довше.
Зміни мембранного потенціалу прийнято зображати графічно. На верхньому малюнку представлена початкова деполяризація мембрани - Зміна потенціалу у відповідь на дію подразника. Для кожної збудливої клітини існує особливий рівень мембранного потенціалу, при досягненні якого різко змінюються властивості натрієвих каналів. Цей потенціал названий критичним рівнем деполяризації (КУД). При зміні мембранного потенціалу до КУД відкриваються швидкі потенціал залежні натрієві канали, потік іонів натрію спрямовується в клітину. При переході позитивно заряджених іонів у клітину, у цитоплазмі збільшується позитивний заряд. В результаті цього трансмембранна різниця потенціалів зменшується, значення МП знижується до 0, а потім, у міру подальшого надходження натрію в клітину відбувається перезарядка мембрани і реверсія заряду (овершут) - тепер поверхня стає електронегативною по відношенню до цитоплазми - мембрана деполяризована повністю - середній малюнок. Подальшої зміни заряду не відбувається тому, що інактивуються натрієві канали– більше натрій у клітину надходити неспроможна, хоча градієнт концентрації змінюється дуже мало. Якщо подразник має таку силу, що деполяризує мембрану до КУД, цей подразник називається пороговим, він викликає збудження клітини. Точка реверсу потенціалу – це знак того, що вся гама подразників будь-якої модальності перекладена мовою нервової системи – імпульси збудження. Імпульси, чи потенціали збудження називаються потенціалами дії. Потенціал дії (ПД) – швидка зміна мембранного потенціалу у відповідь дії подразника порогової сили. ПД має стандартні амплітуду і часові параметри, що не залежать від сили стимулу - правило "ВСЕ АБО НІЧОГО". Наступний етап – відновлення мембранного потенціалу спокою. реполяризація(Нижній малюнок) в основному обумовлена активним іонним транспортом. Найбільш важливим є процес активного транспорту — це робота Na/K — насоса, який викачує іони натрію з клітини, одночасно закачуючи іони калію всередину клітини. Відновлення мембранного потенціалу відбувається завдяки струму іонів калію із клітини – калієві канали активуються та пропускають іони калію до досягнення рівноважного калієвого потенціалу. Це процес важливий тому, що доки відновлено МПП, клітина неспроможна сприймати новий імпульс збудження.
Гіперполяризація - короткочасне збільшення МП після його відновлення, яке обумовлено підвищенням проникності мембрани для іонів калію і хлору. Гіперполяризація буває лише після ПД та характерна далеко не для всіх клітин. Спробуємо ще раз уявити графічно фази потенціалу дії та іонні процеси, що лежать в основі змін потенціалу мембрани (рис.
Потенціал спокою нейрона
9). На осі абсцис відкладемо значення мембранного потенціалу в мілівольтах, на осі ординат – час у мілісекундах.
1. Деполяризація мембрани до КУД – можуть відкритися будь-які натрієві канали, іноді кальцієві, і швидкі, і повільні, і потенціал-залежні, і рецептор-керовані. Це залежить від виду подразника та типу клітин
2. Швидке надходження натрію в клітину - відкриваються швидкі, потенціал-залежні натрієві канали, і деполяризація досягає точки реверсу потенціалу - відбувається перезаряджання мембрани, знак заряду змінюється на позитивний.
3. Відновлення градієнта концентрації калію – робота насоса. Калієві канали активовані, калій переходить із клітини у позаклітинне середовище – реполяризація, починається відновлення МПП
4. Слідова деполяризація, чи негативний слідовий потенціал — мембрана ще деполяризована щодо МПП.
5. Слідова гіперполяризація. Калієві канали залишаються відкритими і додатковий струм калію гіперполяризує мембрану. Після цього клітина повертається до початкового рівня МПП. Тривалість ПД становить різних клітин від 1 до 3-4 мс.
Малюнок 9 Фази потенціалу дії
Зверніть увагу на три величини потенціалу, важливі та постійні для кожної клітини її електричні характеристики.
1. МПП - електронегативність мембрани клітини у спокої, що забезпечує здатність до збудження - збудливість. На малюнку МВП = -90 мв.
2. КУД - критичний рівень деполяризації (або порога генерації мембранного потенціалу дії) - це така величина мембранного потенціалу, при досягненні якої відкриваються швидкі, потенціал залежні натрієві канали та відбувається перезарядка мембрани за рахунок надходження в клітину позитивних іонів натрію. Чим вище електронегативність мембрани, тим важче деполяризувати її до КУД, тим менша збудлива така клітина.
3. Точка реверсу потенціалу (овершуть) – така величина позитивногомембранного потенціалу, коли він позитивно заряджені іони не проникають у клітину — короткочасний рівноважний натрієвий потенціал. На малюнку +30 мв. Сумарна зміна потенціалу мембрани від -90 до +30 становитиме для цієї клітини 120 мВ, ця величина і є потенціалом дії. Якщо цей потенціал виник у нейроні, він поширюватиметься нервовим волокном, якщо у м'язових клітинах – поширюватиметься мембраною м'язового волокна і призведе до скорочення, в залозистих до секреції – до дії клітини. Це і є специфічна відповідь клітини на дію подразника, збудження.
При дії подразника підпорогової силивиникає неповна деполяризація — локальна відповідь (ЛО).
Неповна або часткова деполяризація – це така зміна заряду мембрани, яка не досягає критичного рівня деполяризації (КУД).
Рисунок 10. Зміна мембранного потенціалу у відповідь на дію подразника підпорогової сили – локальна відповідь
Локальний відповідь має, переважно, тим самим механізмом, як і ПД, його висхідна фаза визначається входом іонів натрію, а низхідна — виходом іонів калію.
Проте амплітуда ЛВ пропорційна силі подпорогового подразнення, а чи не стандартна, як і ПД.
Таблиця 5
Неважко бачити, що в клітинах є умови, за яких між клітиною та міжклітинним середовищем має виникати різниця потенціалів:
1) мембрани клітин добре проникні для катіонів (насамперед калію), тоді як проникність мембран для аніонів набагато менше;
2) концентрації більшості речовин у клітинах та в міжклітинній рідині сильно різняться (порівняйте зі сказаним на стор.
). Тому на мембранах клітин виникатиме подвійний електричний шар ("мінус" на внутрішній стороні мембрани, "плюс" на зовнішній), і на мембрані повинна існувати постійна різниця потенціалів, яку називають потенціалом спокою. Кажуть, що мембрана у стані спокою поляризована.
Вперше гіпотезу про аналогічну природу ПП клітин та дифузійного потенціалу Нернста висловив у 1896 р.
База знань
студент Військово-медичної академії Ю.В. Чаговець. Наразі ця точка зору підтверджена численними експериментальними даними. Щоправда, між виміряними значеннями ПП і обчисленими за формулою (1) є деякі розбіжності, але вони пояснюються двома очевидними причинами. По-перше, в клітинах знаходиться не один катіон, а багато (K, Na, Ca, Mg та ін). Це можна врахувати, замінивши формулу Нернста (1) більш складну формулу, виїдену Гольдманом:
Де рK - проникність мембрани для калію, рNa - для натрію, рCl - те ж для хлору; [К + ] e - концентрація іонів калію поза клітиною, [К + ] i - те ж усередині клітини (аналогічно для натрію та хлору); трьома крапками позначені відповідні члени для інших іонів. Іони хлору (та інших аніонів) йдуть у напрямку, протилежному іонам калію та натрію, тому значки "е" та "i" для них поставлені у зворотному порядку.
Розрахунок за формулою Гольдмана дає значно кращий збіг з експериментом, проте деякі розбіжності все ж таки залишаються. Це тим, що з висновку формули (2) не розглядалася робота активного транспорту. Облік останнього дозволяє досягти практично повної згоди з досвідом.
19. Натрієві та калієві канали в мембрані та їх роль у біоелектрогенезі. Воротний механізм. Особливості потенціалзалежних каналів. Механізм виникнення потенціалу дії. Стан каналів та характер іонних потоків у різні фази ПД. Роль активного транспорту у біоелектрогенезі. Критичний мембранний потенціал. Закон «все чи нічого» для збудливих мембран. Рефрактерність.
З'ясувалося, що селективний фільтр має «жорсткою» структурою, тобто не змінює свій просвіт у різних умовах. Переходи каналу з відкритого стану закритий і назад пов'язані з роботою не селективного фільтра, комірного механізму. Під ворітними процесами, що відбуваються в тій чи іншій частині іонного каналу, яка називається воротами, розуміють будь-які зміни конформації білкових молекул, що утворюють канал, в результаті яких пара може відкриватися або закриватися. Отже, воротами прийнято називати функціональні групи білкових молекул, які забезпечують воротні процеси. Важливо, що ворота рухаються фізіологічними стимулами, тобто такими, які є в природних умовах. Серед фізіологічних стимулів особливу роль грають зрушення мембранного потенціалу.
Існують канали, які управляються різницею потенціалів на мембрані, будучи відкритими при одних значеннях мембранного потенціалу і закритими - при інших. Такі канали називаються потенціалзалежними. Саме з ними пов'язана генерація ПД. Зважаючи на їх особливу значущість, всі іонні канали біомембран поділяють на 2 типи: потенціалзалежні та потенціалнезалежні. Природними стимулами, що керують рухом воріт у каналах другого типу служать не зрушення мембранного потенціалу, а інші фактори. Наприклад, в хіміочутливих каналах роль керуючого стимулу належить хімічним речовинам.
Істотним компонентом потенціалзалежного іонного каналу є сенсор напруги. Так називають групи білкових молекул, здатні реагувати на зміни електричного поля. Поки немає конкретних відомостей у тому, що вони собою і як розташовані, але відомо, що електричне полі може взаємодіяти у фізичному середовищі лише з зарядами (або вільними, або пов'язаними). Було припущення, що сенсором напруги служить Са2+ (вільні заряди), так як зміни його вмісту в міжклітинній рідині призводять до таких же наслідків, як і зрушення мембранного потенціалу. Наприклад, десятикратне зниження концентрації іонів кальцію в інтерстиції еквівалентно деполяризації плазматичної мембрани приблизно на 15 мВ. Одн-ко надалі виявилося, що Са2+ необхідний роботи сенсора напруги, але сам є їм. ПД генерується навіть тоді, коли концентрація вільного кальцію в міжклітинному середовищі падає нижче 10-8 моль. Крім того, вміст Са2+ в цитоплазмі взагалі мало впливає на іонну провідність плазмолеми. Вочевидь, сенсором напруги служать пов'язані заряди - групи білкових молекул, які мають великим дипольним моментом. Вони занурені в ліпідний бислой, якому властиві досить невисока в'язкість (30 - 100 сП) і низька діелектрична проникність. До такого висновку призвело вивчення кінетичних характеристик руху сенсора напруги при зсувах мембранного потенціалу. Цей рух є типовим струмом усунення.
Сучасна функціональна модель натрієвого потен-ціалзалежного каналу передбачає існування в ньому двох типів воріт, що працюють у протифазі. Вони відрізняються інерційними властивостями. Більш рухливі (легкі) названі m-воротами, більш інерційні (важкі) - h - воротами. У спокої h-ворота відкриті, m – ворота закриті, рух Na+ каналом неможливий. При деполяризації плазмолеми ворота обох типів приходять у рух, але в силу неоднакової інерції m-ворота встигають
відкритися раніше, ніж закриються h-ворота. Цієї миті натрієвий канал відкритий і Na+ спрямовується по ньому в клітину. Запізнення руху h-воріт щодо m-воріт відповідає тривалості деполяризаційної фази ПД. Коли ж h-ворота закриються, потік Na+ крізь мембрану припиниться і почнеться реполяризація. Потім відбувається повернення h - і m - воріт у вихідний стан. Потенціалзалежні натрієві канали активуються (включаються) при швидкій (стрибкоподібній) деполяризації плазматичної мембрани. ,
ПД створюється за рахунок швидшої дифузії крізь плазматичну мембрану іонів натрію в порівнянні з аніонами, що утворюють з ним солі в міжклітинному середовищі. Отже, деполяризація пов'язана із входженням у цитоплазму катіонів натрію. При розвитку ПД у клітині не накопичується натрій. При збудженні спостерігається вхідний і вихідний потоки натрію. Виникнення ПД обумовлено не порушенням іонних концентрацій у цитоплазмі, а падінням електричного опору плазматичної мембрани внаслідок підвищення її проникності натрію.
Як мовилося раніше, під впливом порогового і надпорогового подразників збудлива мембрана генерує ПД. Для цього процесу характерний закон "все або нічого. Він є антітетою градуальності. Сенс закону полягає в тому, що параметри ПД не залежать від інтенсивності подразника. Як тільки досягається КМП, зміни різниці потенціалів на збудливій мембрані визначаються лише властивостями її потенціалзалежних іонних каналів, які забезпечують вхідний струм. Серед них зовнішній стимул відкриває лише найчутливіші. Інші відкриваються за рахунок попередніх уже незалежно від подразника. Говорять про спонтанний характер процесу залучення до трансмембранного перенесення іонів нових потенціалзалежних іонних каналів. Тож амплітуда. Тривалість, крутість переднього та заднього фронтів ПД залежить тільки від іонних градієтнів на клітинній мембрані та кінетичних характеристик її каналів. Закон «все або нічого» - характерна властивість одиночних клітин і волокон, що мають збудливу мембрану. Більшості багатоклітинних утворень не властивий. Виняток становлять структури, організовані на кшталт синцития.
Дата публікації: 2015-01-25; Прочитано: 421 | Порушення авторського права сторінки
studopedia.org - Студопедія. Орг - 2014-2018 рік. (0.001 с) ...
Позитивно заряджених іонів калію в навколишнє середовище з цитоплазми клітини в процесі встановлення осмотичної рівноваги. Аніони органічних кислот, що нейтралізують заряд іонів калію в цитоплазмі, не можуть вийти з клітини, проте іони калію, концентрація яких в цитоплазмі велика в порівнянні з навколишнім середовищем, дифундують з цитоплазми до тих пір, поки створюваний ними електричний заряд не почне врівноважувати на клітинній мембрані.
Енциклопедичний YouTube
1 / 3
✪ Мембранні потенціали - Частина 1
✪ Потенціал спокою: - 70 мВ. Деполяризація, реполяризація
✪ Потенціал спокою
Субтитри
Намалюю невелику клітку. Це буде типова клітина і вона наповнена калієм. Ми знаємо, що клітини люблять накопичувати його у собі. Багато калію. Нехай його концентрація буде десь 150 мілімоль на літр. Величезна кількість калію. Візьмемо це у дужки, бо дужки позначають концентрацію. Зовні також є кілька калію. Тут концентрація буде приблизно 5 мм на літр. Я покажу вам, як встановлюватиметься градієнт концентрації. Це не відбувається саме собою. Для цього потрібно багато енергії. Два іони калію закачуються всередину, і одночасно з цим три іони натрію залишають клітину. Так іони калію потрапляють внутрішньо спочатку. Тепер, коли вони всередині, чи утримуватимуться тут самі по собі? Звичайно, ні. Вони знаходять аніони, невеликі молекули або атоми з негативним зарядом і розташовуються поблизу них. Таким чином, сумарний заряд стає нейтральним. Кожен катіон має свій аніон. І зазвичай ці аніони є білками, якимись структурами, які мають негативний бічний ланцюг. Це може бути хлорид, або, наприклад, фосфат. Що завгодно. Кожен із цих аніонів підійде. Зображу ще кілька аніонів. Отже, ось два іони калію, які просто проникли всередину клітини, ось як все це тепер виглядає. Якщо все добре і статично, то як вони виглядають. І справді, щоб бути цілком справедливим, тут також є маленькі аніони, які знаходяться тут нарівні з іонами калію. У клітці є маленькі отвори, якими калій може витікати назовні. Давайте подивимося, як це буде виглядати і як це вплине на те, що відбувається тут. Отже, ми маємо ці маленькі канали. Через них може пройти лише калій. Тобто ці канали дуже специфічні щодо калію. Ніщо інше не може пройти через них. Ні аніони, ні білки. Іони калію ніби розшукують ці канали і міркують: «Ух ти, як цікаво! Тут стільки калію! Треба вийти назовні». І всі ці іони калію просто покидають клітку. Виходять назовні. І в результаті трапляється цікава річ. Більшість із них перемістилася назовні. Але зовні вже є кілька іонів калію. Я сказав, що тут був цей маленький іон, і він може теоретично проникнути всередину. Він може проникнути до цієї клітини, якщо захоче. Але справа в тому, що загалом, сумарно, у вас відбувається більше переміщень назовні, ніж усередину. Тепер я пере цей шлях, тому що хочу, щоб ви запам'ятали, що у нас є більше іонів калію, які прагнуть вийти назовні внаслідок наявності градієнта концентрації. Це перший етап. Давайте це запишу. Градієнт концентрації призводить до того, що переміщується калій назовні. Калій починає рухатися назовні. Виходить із клітки. А що потім? Давайте, я намалюю його у процесі виходу назовні. Цей іон калію тепер тут, а цей - тут. Залишаються лише аніони. Вони залишилися після відходу калію. І ці аніони починають виробляти негативний заряд. Дуже великий негативний заряд. Лише кілька аніонів, що переміщуються туди й назад, утворюють негативний заряд. А іони калію на зовнішній стороні думають, що це дуже цікаво. Ось тут є негативний заряд. А раз він там є, вони притягуються до нього, оскільки самі мають позитивний заряд. Їх тягне до негативного заряду. Вони хочуть повернутись. Тепер подумайте. Ви маєте градієнт концентрації, який виштовхує калій назовні. Але, з іншого боку, є мембранний потенціал, - у разі негативний - який виникає через те, що калій залишив по собі аніон. Цей потенціал стимулює калій до того, щоб повертатись назад. Одна сила, концентрація, виштовхує іон калію назовні, інша сила, мембранний потенціал, що створюється калієм, змушує його повертатися усередину. Звільню трохи місця. Зараз покажу вам щось цікаве. Побудуємо дві криві. Я намагатимусь нічого не пропустити на цьому слайді. Намалюю все тут, і тоді буде видно невеликий фрагмент цього. Будуємо дві криві. Одна буде для градієнта концентрації, а інша - для мембранного потенціалу. Це будуть іони калію зовні. Якщо стежити за ними протягом часу – цей час – вийде приблизно наступне. Іони калію прагнуть вийти назовні і в певній точці досягти рівноваги. Зробимо те саме з часом на цій осі. Це у нас буде мембранний потенціал. Починаємо в нульовій тимчасовій точці та отримуємо негативний результат. Негативний заряд ставатиме дедалі більше. Починаємо у нульовій точці мембранного потенціалу, і саме у точці, де іони калію починають виходити назовні, відбувається таке. Загалом усе дуже схоже, але це відбувається хіба що паралельно змін концентраційного градієнта. І коли ці два значення зрівняються між собою, коли кількість іонів калію, що виходять назовні, дорівнює кількості іонів калію, які повертаються всередину, виходить таке плато. І виявляється, що заряд при цьому становить мінус 92 мілівольти. У цій точці, де практично немає відмінності з погляду сумарного переміщення іонів калію, спостерігається рівновага. Він навіть має свою назву - «рівноважний потенціал для калію». При досягненні значення мінус 92 - а воно відрізняється в залежності від типу іонів - при досягненні мінус 92 калію, створюється рівновага потенціалів. Запишу, що заряд калію дорівнює мінус 92. Це відбувається тільки тоді, коли клітина проникна лише для одного елемента, наприклад, для іонів калію. І все одно може виникнути питання. Ви можете міркувати: Так, секундочку! Якщо іони калію переміщуються назовні - що так і є - тоді хіба у певній точці у нас не виникає нижча концентрація, оскільки калій вже вийшов звідси, і вища концентрація ось тут забезпечується за рахунок переміщення калію назовні?» Технічно так. Тут зовні міститься більше іонів калію. І я не згадав про те, що обсяг також змінюється. Тут виходить вища концентрація. І те саме справедливо для клітини. Технічно тут нижча концентрація. Але фактично я не змінив значення. І причина наступного. Подивіться ці значення, це моли. І це величезна кількість, згодні? 6,02 помножити на 10 мінус 23 ступеня, зовсім не маленьке число. І якщо ви помножите його на 5, то вийде приблизно – давайте я швидко вважаю, що у нас вийшло. 6 помножити на 5 буде 30. А тут мілімолі. Від 10 до 20 молей. Це просто величезна кількість іонів калію. А для створення негативного заряду їх потрібно зовсім небагато. Тобто зміни, викликані переміщеннями іонів, будуть незначними порівняно з 10 до 20 ступеня. Ось чому зміни концентрації не враховуються.
Історія відкриття
Потенціал спокою більшість нейронів становить величину порядку −60 мВ - −70 мВ. У клітин незбудливих тканин на мембрані також є різниця потенціалів, різна для клітин різних тканин та організмів.
Формування потенціалу спокою
ПП формується у два етапи.
Перший етап:створення незначної (-10 мВ) негативності всередині клітини за рахунок нерівного асиметричного обміну Na + на K + у співвідношенні 3: 2. У результаті клітину залишає більше позитивних зарядів з натрієм, ніж повертається в неї з калієм. Така особливість роботи натрій-калієвого насоса, що здійснює взаємообмін цих іонів через мембрану з витратами енергії АТФ забезпечує його електрогенність.
Результати діяльності мембранних іонних насосів-обмінників на першому етапі формування ПП такі:
1. Дефіцит іонів натрію (Na+) у клітині.
2. Надлишок іонів калію (K+) у клітині.
3. Поява на мембрані слабкого електричного потенціалу (-10 мВ).
Другий етап:створення значної (-60 мВ) негативності всередині клітини рахунок витоку з неї через мембрану іонів K + . Іони калію K + залишають клітину і забирають із собою позитивні заряди, доводячи негативність до −70 мВ.
Отже, мембранний потенціал спокою - це дефіцит позитивних електричних зарядів усередині клітини, що виникає за рахунок витоку з неї позитивних іонів калію та електрогенної дії натрій-калієвого насоса.
Зміст теми "Ендоцитоз. Екзоцитоз. Регуляція клітинних функцій.":1. Вплив Na/K-насоса (натрій калієвого насоса) на мембранний потенціал та об'єм клітини. Постійний об'єм клітини.
2. Концентраційний градієнт натрію (Na) як рушійна сила мембранного транспорту.
3. Ендоцитоз. Екзоцитоз.
4. Дифузія у перенесенні речовин усередині клітини. Значення дифузії в ендоцитозі та екзоцитозі.
5. Активний транспорт у мембранах органел.
6. Транспорт у везикулах клітини.
7. Транспорт шляхом утворення та руйнування органел. Мікрофіламенти.
8. Мікротрубочки. Активні рухи цитоскелету.
9. Аксонний транспорт. Швидкий аксонний транспорт. Повільний аксонний транспорт.
10. Регуляція клітинних функций. Регуляторні дії на клітинну мембрану. Мембранний потенціал.
11. Позаклітинні регуляторні речовини. Синаптичні медіатори Локальні хімічні агенти (гістамін, фактор росту, гормони, антигени).
12. Внутрішньоклітинна комунікація за участю других посередників. Кальцій.
13. Циклічний аденозинмонофосфат, цАМФ. цАМФ у регуляції функції клітини.
14. Інозітолфосфат "ІФ3". Інозітолтріфосфат. Діацилгліцерол.
Вплив Na/K-насоса (натрій калієвого насоса) на мембранний потенціал та об'єм клітини. Постійний об'єм клітини.
Мал. 1.9. Схема, що показує концентрації Na+, K+ та CI усередині та поза клітиноюта шляхи проникнення цих іонів через клітинну мембрану (через специфічні іонні канали або за допомогою Na/K-насоса. При даних концентраційних градієнтах рівноважні потенціали E(Na), E(K) та E(Cl) рівні вказаним, мембранний потенціал Ет = - 90 мВНа рис. 1.9 показані різні компоненти мембранного струмута наведені внутрішньоклітинні концентрації іонів, які забезпечують їхнє існування. Через калієві канали спостерігається струм іонів калію, що виходить, так як мембранний потенціал дещо більш електропозитивний, ніж рівноважний потенціал для іонів калію. Загальна провідність натрієвих каналівнабагато нижче, ніж калієвих, тобто. натрієві канали відкриті набагато рідше, ніж калієві при потенціалі спокою; однак у клітину входить приблизно стільки ж іонів натрію, скільки виходить з неї іонів калію, тому що для дифузії іонів натрію в клітину необхідні великі градієнти концентрації та потенціалу. Na/К-насос забезпечує ідеальну компенсацію пасивних дифузійних струмів, оскільки переносить іони натрію із клітини, а іони калію - до неї. Таким чином, насос є електрогенним за рахунок різниці в числі перенесених в клітину та з клітини зарядів, що при нормальній швидкості його роботи створює мембранний потенціал, приблизно на 10 мВ більш негативний, ніж якби він утворювався тільки за рахунок пасивних потоків іонів. В результаті мембранний потенціал наближається до калієвого рівноважного потенціалу, що зменшує витік іонів калію. Активність Na/K-насосарегулюється внутрішньоклітинною концентрацією іонів натрію. Швидкість роботи насоса уповільнюється при зниженні концентрації іонів натрію, що підлягають виведенню з клітини (рис. 1.8), так що робота насоса та потік іонів натрію всередину клітини врівноважують один одного, підтримуючи внутрішньоклітинну концентрацію натрію іонів на рівні приблизно 10 ммоль/л.
Щоб підтримувати рівновагу між насосними та пасивними мембранними струмами, необхідно набагато більше молекул Na/K-насоса, ніж канальних білків для іонів калію та натрію. При відкритому стані каналу через нього проходять десятки тисяч іонів за кілька мілісекунд, а оскільки канал зазвичай відкривається кілька разів на секунду, за цей час через нього проходить більше 105 іонів. Одиночний насосний білок переміщає кілька сотень іонів натрію в секунду, отже, плазматична мембрана повинна містити приблизно 1000 разів більше насосних молекул, ніж канальних. Вимірювання канальних струмів у спокої показали наявність у середньому одного калієвого та одного натрієвого відкритого каналу на 1 мкм2 мембрани; з цього випливає, що у тому просторі має бути близько 1000 молекул Na/K-насоса, тобто. відстань між ними становить середньому 34 нм; діаметр насосного білка, як канального, становить 8-10 нм. Таким чином, мембрана досить щільно насичена насосними молекулами.
Той факт, що потік іонів натрію всередину клітини, а іонів калію - з кліткикомпенсується роботою насоса, має й інше слідство, що полягає у збереженні стабільного осмотичного тиску та постійного обсягу. Усередині клітини існує висока концентрація великих аніонів, головним чином білків (А табл. 1.1), які не здатні проникати через мембрану (або проникають через неї дуже повільно) і тому є фіксованим компонентом усередині клітини. Щоб врівноважити заряд цих аніонів, потрібна рівна кількість катіонів. Завдяки дії Na/K-насосацими катіонами переважно виявляються іони калію. Істотне підвищення внутрішньоклітинної концентрації іонівмогло б відбуватися тільки при зростанні концентрації аніонів внаслідок потоку Cl за градієнтом концентрації в клітину (табл. 1.1), але мембранний потенціал протидіє цьому. Вхідний струм Cl спостерігається тільки доти, доки не буде досягнуто рівноважний потенціал для іонів хлору; це спостерігається, коли градієнт іонів хлору практично протилежний градієнту іонів калію, оскільки іони хлору заряджені негативно. Таким чином, встановлюється низька внутрішньоклітинна концентрація іонів хлору, що відповідає низькій позаклітинній концентрації іонів калію. Результатом є обмеження загальної кількості іонів у клітині. Якщо мембранний потенціал падає при блокаді Na/K-насоса, наприклад, при аноксії, то рівноважний потенціал для іонів хлору знижується, а внутрішньоклітинна концентрація іонів хлору відповідно підвищується. Відновлюючи рівновагу зарядів, іони калію також входять у клітину; сумарна концентрація іонів у клітині зростає, що підвищує осмотичний тиск; це змушує воду надходити у клітину. Клітина набухає. Таке набухання спостерігається in vivo в умовах нестачі енергії.
Думку про дві форми конвертованої енергії я висловив у 1975 році. Через два роки ця думка була підтримана Мітчелом. А в групі А. Глаголєва тим часом почалися досліди щодо перевірки одного з передбачень цієї нової концепції.
Я міркував так. Якщо протонний потенціал - розмінна монета, то клітина повинна мати достатню кількість, таких «грошових знаків».
Ця вимога виконувалася, якщо йшлося про АТФ. Клітина завжди містить досить великі кількості АТФ, причому вжито заходів для стабілізації цієї кількості в умовах мінливої кон'юнктури - безперервно варіюючих швидкостей освіти та використання АТФ. Є особлива речовина - креатин-фосфат, що бере участь лише в одній реакції - фосфорилуванні АДФ:
АДФ+креатинфосфат ⇔ АТФ+креатин.
Коли АТФ у надлишку, а АДФ у дефіциті, реакція йде праворуч наліво і накопичується креатинфосфат, якого в цих умовах стає набагато більше, ніж АТФ. Але варто підвищитись рівнем АДФ і зменшитися АТФ, як реакція змінює напрямок, і креатинфосфат виявляється постачальником АТФ. Тим самим креатинфосфат виконує свою функцію стабілізатора буфера рівня АТФ.
А як справи з протонним потенціалом?
Нескладний розрахунок дозволяє перевести одну енергетичну "валюту" в іншу. Цей розрахунок показує, що кількість енергії, накопичена, наприклад, бактеріальною клітиною у вигляді протонного потенціалу, виявляється майже в тисячу разів меншою за кількість АТФ, якщо протонний потенціал знаходиться в електричній формі. Це кількість одного порядку з числом генераторів та споживачів потенціалу в бактеріальній мембрані.
Така ситуація створює особливу необхідність у буферній системі, що стабілізує рівень протонного потенціалу. В іншому випадку навіть короткочасне перевищення загальної швидкості споживаючих потенціал процесів над швидкістю його генерації призведе до зникнення потенціалу та зупинення всіх систем, які живляться потенціалом.
Отже, має бути буфер для протонного потенціалу на кшталт креатинфосфату для АТФ. Але що за компонент підібрала природа таку роль?
Обмірковуючи цю проблему, я спробував знайти якусь пов'язану з потенціалом біологічну систему, функція якої була б невідомою.
Одна із старих загадок біології: навіщо клітина поглинає іони калію та викидає іони натрію, створюючи дорогу асиметрію у розподілі цих близьких за своїми властивостями іонів між цитоплазмою та навколишнім середовищем? Практично у будь-якій живій клітині іонів калію набагато більше, ніж іонів натрію, тоді як серед натрій перебуває у надлишку над калієм. Можливо, Na + - отрута для клітини?
Ні це не так. Хоча деякі ферментні системи дійсно краще працюють у КСl, ніж у NaCl, це виглядає вторинним пристосуванням до «багатокалієвої» та «малонатрієвої» внутрішнього середовища клітини. За величезний термін біологічної еволюції клітина могла б пристосуватися до природного співвідношення іонів лужних металів у зовнішньому середовищі. Живуть же галофільні бактерії в насиченому розчині NaCl, причому концентрація Na+ у їх цитоплазмі іноді доходить до моля на літр, що майже в тисячу разів більше концентрації Na+ у звичайних клітинах. Отже, Na + не отрута.
Зауважимо, що самі галофільні бактерії підтримують внутрішньоклітинну концентрацію К + близько 4 молей на літр, витрачаючи створення натрій-калиевого градієнта колосальні за масштабами клітини кількості енергетичних ресурсів.
Відомо, що збудливі клітини тварин, такі як нейрони, використовують натрій-калієвий градієнт для проведення нервового імпульсу. Але як бути з іншими типами клітин, наприклад, із бактеріями?
Давайте звернемося до механізму транспорту К+ та Na+ через бактеріальну мембрану. Відомо, що між цитоплазмою бактерії та довкіллям існує різниця електричних потенціалів, що підтримується роботою білків-генераторів у бактеріальній мембрані. Відкачуючи протони зсередини клітини назовні, білки-генератори тим самим заряджають нутрощі бактерії негативно. У цих умовах накопичення іонів К+ усередині клітини могло б відбуватися просто за рахунок електрофорезу – руху позитивно зарядженого іона калію у негативно заряджену цитоплазму бактерії.
У цьому потік калію повинен розряджати мембрану, попередньо заряджену протонними генераторами.
У свою чергу, розрядка мембрани має негайно активувати роботу генераторів.
Це означає, що енергетичні ресурси, що витрачаються на генерацію різниці електричних потенціалів між клітиною та середовищем, будуть використані для концентрування іонів К+ усередині клітини. Кінцевим балансом такого процесу виявиться обмін внутрішньоклітинних іонів Н+ на позаклітинні іони К+ (іони Н+ відкачуються білками-генераторами назовні, іони К+ надходять усередину, рухаючись в електричному полі, створеному рухом іонів Н+).
Отже, всередині клітини буде створюватися як надлишок іонів К + , а й дефіцит іонів Н + .
Цей дефіцит можна використовувати для відкачування іонів Na+. Зробити це можна так. Відомо, що бактерії мають особливий переносник іонів натрію, що обмінює Na + на Н + (цей переносник носить назву Nа + / Н + -антипортера). В умовах нестачі Н+ у цитоплазмі антипорт може компенсувати протонний дефіцит, переносячи Н+ із зовнішнього середовища всередину клітини. Виконати такий антипорт переносник може лише одним способом: обмінявши зовнішній на внутрішній Na + . Отже, рух іонів Н + всередину клітини може бути використаний для відкачування з тієї ж клітини іонів Na + .
Ось ми і створили калій-натрієвий градієнт: усередині клітини накопичили К+ та відкачали звідти Na+. Рушійною силою цих процесів був протонний потенціал, що створювався білками-генераторами. (Напрям потенціалу було таке, що нутро клітини заряджалася негативно і там виникала нестача іонів водню.)
Допустимо тепер, що протонні генератори з якоїсь причини вимкнулися. Що станеться у цих нових умовах із калій-натрієвим градієнтом?
Звичайно ж, він розсіється: іони К+ випливуть із клітини в навколишнє середовище, де їх мало, іони Na+ увійдуть усередину, де ці іони у дефіциті.
Але що цікаво. Розсіюючись, калій-натрієвий градієнт сам виявиться генератором протонного потенціалу того ж напрямку, що утворювався під час роботи білків-генераторів.
Дійсно, вихід іона К+ як позитивно зарядженої частинки створює дифузійну різницю потенціалів на клітинній мембрані зі знаком «мінус» усередині клітини. Вхід Na + за участю Nа + /Н + - антипортера супроводжуватиметься виходом Н + , тобто створенням дефіциту Н + усередині клітини.
То що ж виходить? Коли білки-генератори працюють, протонний потенціал, що створюється ними, витрачається на утворення калій-натрієвого градієнта. Натомість, коли вони вимкнені (або їх потужності бракує, щоб задовольнити численних споживачів потенціалу), калій-натрієвий градієнт, розсіюючись, сам починає генерувати протонний потенціал.
Адже це і є буфер протонного потенціалу, той самий буфер, який так необхідний для роботи мембранних енергетичних систем!
Схематично цю концепцію можна зобразити так:
Калій-натрієвий градієнт ↓ зовнішні енергетичні ресурси → протонний потенціал → робота.
Але якщо така схема вірна, то калій-натрієвий градієнт має продовжити працездатність клітини в умовах, коли вичерпано енергетичні ресурси.
А. Глаголєв та І. Броун перевірили справедливість цього висновку. Було взято мутант кишкової палички, позбавлений протонної АТФ-синтетази. Для такого мутанта окислення субстратів киснем служить єдиним енергетичним ресурсом, придатним утворити протонний потенціал. Як було показано свого часу Дж. Адлер і його співробітниками, мутант рухливий, поки в середовищі є кисень.
Глаголєв і Броун повторили досвід Адлера і переконалися, що вичерпання запасу кисню в розчині дійсно зупиняє бактерії, якщо вони перебувають у середовищі КСl. У цих умовах калій-натрієвий градієнт відсутня: калію багато і в клітинах і середовищі, а натрію немає ні там, ні тут.
А тепер давайте візьмемо середовище з NaCl. У таких умовах повинні бути обидва градієнти, що нас цікавлять: калієвий (калію багато всередині і мало зовні) і натрієвий (натрію багато зовні і мало всередині). Гіпотеза передбачала, що в такій ситуації рухливість збережеться якийсь час і в безкисневих умовах, оскільки можливе перетворення енергії:
калій-натрієвий градієнт → протонний потенціал → обертання флагели.
І справді, бактерії рухалися ще 15-20 хвилин після того, як вимірювальний пристрій зареєстрував нульовий рівень СЬ у середовищі.
Але особливо наочним, як і слід було очікувати, виявився досвід із солелюбними бактеріями, які транспортують дуже великі кількості іонів К+ та Na+, щоб створити калій-натрієвий градієнт. Такі бактерії швидко зупинялися в темряві в безкисневих умовах, якщо в середовищі був КСl, і все ще рухалися через дев'ять (!) годин, якщо КСl був замінений на NaCl.
Ця величина - дев'ять годин - цікава насамперед як ілюстрація обсягу того резервуара енергії, який є калій-натрієвий градієнт у солелюбних бактерій. Крім того, вона набуває особливого сенсу, якщо згадати про те, що солелюбні бактерії мають бактеріородопсин і, отже, здатні до перетворення енергії світла в протонний потенціал. Зрозуміло, що таке перетворення можливе лише у світлий період доби. А як бути вночі? Так ось виявляється, що енергії, нагромадженої вдень у вигляді калій-натрієвого градієнта, вистачає на всю ніч.
Твердження, що калій-натрієвий градієнт грає роль буфера протонного потенціалу, дозволяє зрозуміти як біологічну функцію цього градієнта, а й причину, яка протягом багатьох років перешкоджала з'ясування його значення життєдіяльності клітини. Думка про буферну роль калій-натрієвого градієнта не могла народитися, перш ніж було відкрито протонний потенціал і було доведено, що він є конвертованою формою енергії. Всі ці роки проблема калію і натрію просто чекала свого часу.
