Диффузионный потенциал. Трансмембранный градиент концентрации калия.

Обновлено: 18.05.2024

Мембранный потенциал (также трансмембранный потенциал или мембранное напряжение ) - это разность электрических потенциалов между внутренней и внешней частью биологической клетки . Для наружной поверхности клетки, типичные значения мембранного потенциала, как правило , даны в единицах милли вольт и обозначается как мВ, диапазон от -40 мВ до -80 мВ.

Все клетки животных окружены мембраной, состоящей из липидного бислоя с встроенными в него белками . Мембрана служит как изолятором, так и диффузионным барьером для движения ионов . Трансмембранные белки , также известные как белки- переносчики ионов или белки ионного насоса , активно проталкивают ионы через мембрану и создают градиенты концентрации через мембрану, а ионные каналы позволяют ионам перемещаться через мембрану вниз по этим градиентам концентрации. Ионные насосы и ионные каналы электрически эквивалентны комплекту батарей. и резисторы, вставленные в мембрану, и поэтому создают напряжение между двумя сторонами мембраны.

Почти все плазматические мембраны имеют на себе электрический потенциал, причем внутренняя часть обычно отрицательна по отношению к внешней стороне. [1] Мембранный потенциал выполняет две основные функции. Во-первых, он позволяет ячейке функционировать как батарея, обеспечивая питание для работы множества «молекулярных устройств», встроенных в мембрану. [2] Во-вторых, в электрически возбудимых клетках, таких как нейроны и мышечные клетки. , он используется для передачи сигналов между разными частями соты. Сигналы генерируются путем открытия или закрытия ионных каналов в одной точке мембраны, вызывая локальное изменение мембранного потенциала. На это изменение электрического поля могут быстро влиять как соседние, так и более удаленные ионные каналы в мембране. Эти ионные каналы затем могут открываться или закрываться в результате изменения потенциала, воспроизводя сигнал.

В невозбудимых клетках и в возбудимых клетках в исходном состоянии мембранный потенциал поддерживается на относительно стабильном уровне, называемом потенциалом покоя . Для нейронов типичные значения потенциала покоя составляют от –70 до –80 милливольт; то есть внутренняя часть ячейки имеет отрицательное базовое напряжение немного меньше одной десятой вольта. Открытие и закрытие ионных каналов может вызвать отклонение от потенциала покоя. Это называется деполяризацией, если внутреннее напряжение становится менее отрицательным (скажем, от –70 мВ до –60 мВ), или гиперполяризацией, если внутреннее напряжение становится более отрицательным (скажем, от –70 мВ до –80 мВ). В возбудимых клетках достаточно большая деполяризация может вызвать потенциал действия. , при котором мембранный потенциал изменяется быстро и значительно в течение короткого времени (порядка от 1 до 100 миллисекунд), часто меняя полярность. Потенциалы действия генерируются активацией определенных потенциалзависимых ионных каналов .

В нейронах факторы, влияющие на мембранный потенциал, разнообразны. Они включают в себя многочисленные типы ионных каналов, некоторые из которых являются химически закрытыми, а некоторые - регулируемыми по напряжению. Поскольку потенциалзависимые ионные каналы контролируются мембранным потенциалом, в то время как сам мембранный потенциал находится под влиянием тех же самых ионных каналов, возникают петли обратной связи, которые допускают сложную временную динамику, включая колебания и регенеративные события, такие как потенциалы действия.

Мембранный потенциал клетки определяется двумя факторами: электрической силой и диффузией. Электрическая сила возникает из-за взаимного притяжения между частицами с противоположными электрическими зарядами (положительным и отрицательным) и взаимного отталкивания между частицами с одинаковым типом заряда (как положительными, так и отрицательными). Диффузия возникает из-за статистической тенденции частиц перераспределяться из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией.

Различия в концентрациях ионов на противоположных сторонах клеточной мембраны приводят к возникновению напряжения, называемого мембранным потенциалом . Типичные значения мембранного потенциала находятся в диапазоне от –40 мВ до –70 мВ. Многие ионы имеют градиент концентрации через мембрану, включая калий (K + ), который находится в высокой концентрации внутри и низкой концентрации вне мембраны. Ионы натрия (Na + ) и хлорида (Cl - ) находятся в высоких концентрациях во внеклеточной области и в низких концентрациях во внутриклеточных. регионы. Эти градиенты концентрации обеспечивают потенциальную энергию для создания мембранного потенциала. Это напряжение устанавливается, когда мембрана проницаема для одного или нескольких ионов. В простейшем случае, показанном здесь, если мембрана избирательно проницаема для калия, эти положительно заряженные ионы могут диффундировать вниз по градиенту концентрации к внешней стороне клетки, оставляя после себя нескомпенсированные отрицательные заряды. Это разделение зарядов и является причиной мембранного потенциала. Обратите внимание, что система в целом электронейтральна. Некомпенсированные положительные заряды вне клетки и нескомпенсированные отрицательные заряды внутри клетки физически выстраиваются на поверхности мембраны и притягиваются друг к другу через липидный бислой. . Таким образом, мембранный потенциал физически находится только в непосредственной близости от мембраны. Именно разделение этих зарядов на мембране является основой мембранного напряжения. Эта диаграмма является только приближением ионных вкладов в мембранный потенциал. Другие ионы, включая натрий, хлорид, кальций и другие, играют более незначительную роль, даже если они имеют сильные градиенты концентрации, потому что они имеют более ограниченную проницаемость, чем калий. Обозначения : Синие пятиугольники - ионы натрия; Пурпурные квадраты - ионы калия; Желтые кружки - ионы хлора; Оранжевые прямоугольники - непроницаемые для мембраны анионы (происходят из различных источников, включая белки). Большой пурпурная структура со стрелкой представляет трансмембранный калиевый канал и направление чистого движения калия.

Электрическое поле (стрелки) и контуры постоянного напряжения, создаваемые парой противоположно заряженных объектов. Электрическое поле расположено под прямым углом к контурам напряжения, и поле наиболее сильное там, где расстояние между контурами наименьшее.

Ионы (розовые кружки) будут проходить через мембрану от более высокой концентрации к более низкой (вниз по градиенту концентрации), вызывая ток. Однако это создает напряжение на мембране, которое препятствует движению ионов. Когда это напряжение достигает равновесного значения, два уравновешивают и поток ионов останавливается. [3]

Клеточная мембрана, также называемая плазматической мембраной или плазмалеммой, представляет собой полупроницаемый липидный бислой, общий для всех живых клеток. Он содержит множество биологических молекул, в первую очередь белков и липидов, которые участвуют во множестве клеточных процессов.

Натрий-калиевый насос использует энергию, полученную из АТФ, для обмена натрия на ионы калия через мембрану.

Несмотря на небольшую разницу в радиусах, ионы [14] редко проходят «неправильный» канал. Например, ионы натрия или кальция редко проходят через калиевый канал.

Изображение открытого калиевого канала, ион калия показан фиолетовым цветом в середине, а атомы водорода опущены. Когда канал закрыт, проход перекрывается.

Эквивалентная схема для участка мембраны, состоящая из фиксированной емкости, параллельно с четырьмя дорожками, каждый из которых содержит последовательно включенную батарею с переменной проводимостью.

Уменьшенная схема, полученная путем комбинирования ионно-специфических путей с использованием уравнения Гольдмана

Диффузионный потенциал. Трансмембранный градиент концентрации калия.

Ткани и органы. Нервная ткань

Потенциал покоя и потенциал действия

А. Потенциал покоя

Мембраны, в том чикле плазматические, в принципе непроницаемы для заряженных частиц. Правда, в мембране имеется Na + /K + -АТФ-аза (Nа + /К + -АТР-аза), осуществляющая активный перенос ионов Na + из клетки в обмен на ионы К + . Этот транспорт энергозависим и сопряжен с гидролизом АТФ (АТР) (см. рис. 221). За счет работы «Nа + ,К + -насоса» поддерживается неравновесное распределение ионов Na + и К + между клеткой и окружающей средой (см. с. 128). Поскольку расщепление одной молекулы АТФ обеспечивает перенос трех ионов Na + (из клетки) и двух ионов К + (в клетку), этот транспорт электрогенен, т. е. цитоплазма клетки заряжена отрицательно по отношению к внеклеточному пространству.

Электрохимический потенциал. Содержимое клетки заряжено отрицательно по отношению к внеклеточному пространству. Основная причина возникновения на мембране электрического потенциала (мембранного потенциала Δψ, см. c. 128) — существование специфических ионных каналов. Транспорт ионов через каналы происходит по градиенту концентрации или под действием мембранного потенциала. В невозбужденной клетке часть К + -каналов находится в открытом состоянии и ионы К + постоянно диффундируют из нейрона в окружающую среду (по градиенту концентрации). Покидая клетку, ионы К + уносят положительный заряд, что создает потенциал покоя равный примерно -60 мВ. Из коэффициентов проницаемости различных ионов (см. таблицу на рис. 129) видно, что каналы, проницаемые для Na + и Cl - , преимущественно закрыты. Ионы фосфата и органические анионы, например белки, практически не могут проходить через мембраны. С помощью уравнения Нернста (см. рис. 129) можно показать, что мембранный потенциал нервной клетки в первую очередь определяется ионами К + , которые вносят основной вклад в проводимость мембраны.

Ионные каналы. В мембранах нервной клетки имеются каналы, проницаемые для ионов Na + , К + , Са 2+ и Cl - . Эти каналы чаще всего находятся в закрытом состоянии и открываются лишь на короткое время. Каналы подразделяются на потенциал-управляемые (или электровозбудимые), например быстрые Na + -каналы, и лиганд-управляемые (или хемовозбудимые), например никотиновые холинэргические рецепторы. Каналы — это интегральные мембранные белки, состоящие из многих субъединиц. В зависимости от изменения мембранного потенциала или взаимодействия с соответствующими лигандами, нейромедиаторами и нейромодуляторами (см. рис. 343), белки-рецепторы могут находиться в одном их двух конформационных состояний, что и определяет проницаемость канала («открыт» — «закрыт» — и т.д.).

Б. Потенциал действия

Возбуждение нервной клетки под действием химического сигнала (реже электрического импульса) приводит к возникновению потенциала действия . Это означает, что потенциал покоя -60 мВ скачком изменяется на +30 мВ и спустя 1 мс принимает исходное значение. Процесс начинается с открывания Nа + -канала ( 1 ). Ионы Na + устремляются в клетку (по градиенту концентрации), что вызывает локальное обращение знака мембранного потенциала ( 2 ). При этом Na + -каналы тотчас закрываются, т. е. поток ионов Na + в клетку длится очень короткое время ( 3 ). В связи с изменением мембранного потенциала открываются (на несколько мс) потенциал-управляемые К + -каналы ( 2 ) и ионы К + устремляются в обратном направлении, из клетки. В результате мембранный потенциал принимает первоначальное значение ( 3 ), и даже превышает на короткое время потенциал покоя ( 4 ). После этого нервная клетка вновь становится возбудимой.

За один импульс через мембрану проходит небольшая часть ионов Na + и К + , и концентрационные градиенты обоих ионов сохраняются (в клетке выше уровень К + , а вне клетки выше уровень Na + ). Поэтому по мере получения клеткой новых импульсов процесс локального обращения знака мембранного потенциала может повторяться многократно. Распространение потенциала действия по поверхности нервной клетки основано на том, что локальное обращение мембранного потенциала стимулирует открывание соседних потенциал-управляемых ионных каналов, в результате чего возбуждение распространяется в виде деполяризационной волны на всю клетку.

Мембранный потенциал

Различия в концентрации ионов на противоположных сторонах клеточной мембраны приводят к напряжению, названному мембранным потенциалом. Много ионов имеют градиент концентрации поперек мембраны, включая калий (K+), который является в высокой внутренней части и низкой концентрации вне мембраны. Натрий (Na+) и хлорид (Замкнутый–) ионы - при высоких концентрациях во внеклеточной области, и низких концентрациях во внутриклеточных областях. Эти градиенты концентрации обеспечивают потенциальную энергию вести формирование мембранного потенциала. Это напряжение установлено, когда мембрана имеет проходимость к одному или более ионам. В самом простом случае, иллюстрированном здесь, если мембрана выборочно водопроницаема к калию, они положительно обвиняли, что ионы могут распространить вниз градиент концентрации к внешней стороне ячейки, оставляя позади неданные компенсацию отрицательные обвинения. Это разделение обвинений-, каков вызывает мембранный потенциал. Отметьте, что оптовые решения любой стороны мембраны electo-нейтральны. Аналогично, система в целом нейтральна гальваностереотипом. "Неданные компенсацию" положительные обвинения вне ячейки, и неданных компенсацию отрицательных обвинений в ячейке, физически выстраиваются в линию на мембранной поверхности и привлекают друг друга поперек мембраны. Таким образом, мембранный потенциал физически расположен только в непосредственной близости мембраны. Это - разделение этих обвинений поперек них мембрана, которая является основанием мембранного напряжения. Отметьте также, что эта диаграмма - только приближение ионных вкладов в мембранный потенциал. Другие ионы, включая натрий, хлорид, кальций и другие играют более незначительную роль, даже при том, что они имеют сильные градиенты концентрации, потому что они более ограничили проходимость чем калий. Ключ: Синие пятиугольники - ионы натрия; Фиолетовые площади - ионы калия; Желтые круги - ионы Choloride; Оранжевые прямоугольники - Анионы (они являются результатом разнообразия источников, включая белки). Большая фиолетовая структура со стрелкой представляет трансмембранный канал калия и руководство чистого движения калия.

Роль мембраны в первую очередь состоит в создании препятствия к смешиванию растворов, расположенных по её разные стороны. Мембрана может быть либо электрически индифферентной, диффузия через которую возможна для всех частиц, имеющихся в растворе; либо полупроницаемой (активной), через такую мембрану некоторые частицы пройти не могут (см.

Содержание

Введение

Мембранный потенциал (также трансмембранное потенциальное или мембранное напряжение) - различие в электрическом потенциале между интерьером и внешностью биологической клетки. Все клетки животных окружены плазменной мембраной, составленной из двойного слоя липида с разнообразием типов белков, вложенных в это. Мембранный потенциал возникает прежде всего из взаимодействия между мембраной и действиями двух типов трансмембранных белков, вложенных в плазменную мембрану. Мембрана служит и изолятором и барьером распространения к движению ионов. Белки транспортера/насоса иона активно выдвигают ионы поперек мембраны, чтобы устанавливать градиенты концентрации поперек мембраны, и каналы иона позволяют ионам перемещать поперек мембраны вниз те составляющие концентрации. Этот процес известен как облегченное распространение. В самом фундаментальном примере этого, транспортер иона Na+/K+-ATPase качает ионы натрия от внутренней части до внешней стороны, и ионов калия от внешней стороны до внутренней части клетки. Это устанавливает два градиента концентрации: градиент для натрия, где его концентрация намного выше снаружи чем в ячейке, и градиенте для калия, где его концентрация намного выше в ячейке чем снаружи.

Трансмембранные отборные калием каналы утечки позволяют ионам калия распространяться поперек мембраны, вниз градиента концентрации, который был установлен ATPase, создавая разделение обвинения, и таким образом, напряжение, поперек мембраны. В почти во всех случаях, ион, который определяет так называемый "отдыхающий" мембранный потенциал ячейки, является калием, хотя другие ионы действительно вносят вклад большим количеством незначительных способов. В соответствии с соглашением, признак мембранного потенциала определяется как напряжение внутри относительно основания вне клетки. В случае калия, его распространение вниз его градиента концентрации, к внешней стороне ячейки, создает трансмембранное напряжение, которое является отрицательным относительно внешней стороны ячейки, и типично–60 к–80 милливольтам (милливольт) в амплитуде.

Фактически все eukaryotic клетки (включая клетки от животных, заводов, и грибов) поддерживают трансмембранный потенциал отличный от нуля, обычно с отрицательным напряжением в интерьере клетки по сравнению с внешностью клетки. Мембранный потенциал имеет две основных функции. Сначала он позволяет клетке функционировать как батарея, обеспечивая власть управления разнообразием "молекулярных устройств" вложенных в мембрану. Во вторых, в электрически легковозбудимых клетках, типа нейронов и клеток мускула, это используется для того, чтобы передать сигналы между различными частями клетки. Сигналы произведены, открывая или закрывая каналы иона однажды в мембране, производя местное изменение в мембранном потенциале, который заставляет электрический ток течь быстро к другим пунктам в мембране.

В нелегковозбудимых клетках, и в легковозбудимых клетках в их местах основания, мембранный потенциал проведен по относительно устойчивой ценности, названной отдыхающим потенциалом. Для нейронов, типичные ценности отдыхающего потенциального диапазона от–70 до–80 милливольт; то есть, интерьер клетки имеет отрицательное напряжение основания немного меньше, чем одна десятая вт. Открытие и закрытие каналов иона могут вызвать отъезд от отдыхающего потенциала. Это называют деполяризацией, если внутреннее напряжение становится более уверенным (скажем от-70 милливольтов до-60 милливольтов), или гиперполяризация, если внутреннее напряжение становится более отрицательным (говорят от-70 милливольтов до-80 милливольтов). В легковозбудимых клетках, достаточно большая деполяризация может вызвать потенциал действия, в котором мембранный потенциал изменяется быстро и значительно в течение короткого времени (на заказе в пределах от 1 - 100 миллисекунд), часто полностью изменяя его полярность. Потенциалы действия произведены активацией определенных каналов иона напряжения-gated.

В нейронах, факторы, которые влияют на мембранный потенциал, разнообразны. Они включают многочисленные типы каналов иона, некоторые, которые являются химически gated и некоторые, которые являются напряжением-gated. Поскольку каналами иона напряжения-gated управляет мембранный потенциал, в то время как мембранный сам потенциал - под влиянием этих тех же самых каналов иона, петли обратной связи, которые учитывают сложную временную динамику, возникают дополнительно

Учебники из Сети дополнительно / biofizic1116 / biofizic1116_1

где μ Л - μ В — разность химических потенциалов растворимости диффундирующего вещества в воде и фосфолипидах.

Следовательно, локальное нагревание всего на единицы градусов при условии, что (μ Л - μ В ) > kТ, способно изменить потоки диффузии через фосфолипидные мембраны до десятков процентов!

Именно объемный и локальный нагрев тканей посредством лечебных физических факторов, приводящий к активации ряда метаболических процессов, во многом обусловлен повышением интенсивности диффузионных потоков глюкозы, аминокислот, а также кислорода и углекислого газа. Так. например, при воздействии электрического поля УВЧ максимальное выделение тепла происходит в фосфолипидной фракции, а не в водной. Следовательно, при суммарном нагреве тканей на 1 °С локальный нагрев мембран может быть существенно выше, так как это повышает скорость диффузии на 5—7 %. Кроме транспортной, мембраны выполняют и другие функции. Локализованные в них ферменты при действии электрического поля УВЧ также неспецифично повышают активность на десятки процентов. Возможно, тепловое воздействие высокочастотных электрических полей способно активировать не только диффузию, но и ферментативные реакции, протекающие в клетках организма.

2.4.2. Перенос свободной энергии при осмосе. Уравнение Теорелля

Диффузия является механизмом не только массопереноса, но и переноса свободной энергии через биологические мембраны. Для пояснения этого воспользуемся уравнением ВантГоффа для осмотического давления:

где с — молярная концентрация, R — универcальная газовая постоянная, Т — абсолютная температура.

Тогда элементарная работа сил осмотического давления будет равна:

Если уравнение [2.33] рассмотреть для 1 моля вещества, то при его переносе из области с концентрацией с 1 (с 1 >c 2 ) в область с концентрацией с 2 высвобождается энергия (которую можно превратить в работу):

ΔG = КТ(lnc 1 - lnс 2 ). Ее градиент на участке x 1 — х 2 имеет вид:

Выражая градиент концентрации dс/dх из уравнения Фика, получаем:

J = -D*dc/dx, откуда -J/D = dc/dx.

Подставляя выраженный через поток градиент концентрации в [2.34], получим:

Из последнего уравнения выразим поток J:

Величина D/(RТ) называется подвижностью и обозначается буквой «u». Следовательно, поток вещества прямо пропорционально зависит от градиента свободной энергии:

С учетом того что свободная энергия одного моля называется химическим потенциалом, уравнение [2.35] принимает вид:

При переносе заряженных частиц в электрическом поле химический потенциал заменяется электрохимическим и уравнение [2.35] приобретает вид:

где μ* — электрохимический потенциал.

В таком виде уравнение [2.36] было выведено в

Т. Теореллем и носит его имя. Оно связывает поток переносимого с помощью диффузии вещества с градиентом свободной энергии.

2.4.3. Сопряженный транспорт. Уравнение Нернста—Планка

Электрохимический потенциал заряженного вещества на мембране при наличии на ней градиентов концентрации и потенциала, кроме концентрационного члена [2.36]. дополняется электростатическим и принимает вид:

где z — валентность иона, F — число Фарадея (заряд одного моля электронов), φ 2 -φ 1 — разность потенциалов на мембране.

Продифференцировав уравнение [2.37] по координате, мы можем определить градиент свободной энергии:

dμ*/dx = RТ(1/с)dc/dx + z*F*dφ/dx. [2.381 79

Подставляя выражение [2.38] в уравнение Теорелля [2.36] с учетом u = D/RТ, получим уравнение для потока вещества:

Умножив и поделив последнее выражение на КГ, получим традиционный вид уравнения Нернста—Планка:

J = -u*R*Т*dс/dх -u*с*z*F*dφ/dх.

Уравнение Нернста — Планка наглядно демонстрирует зависимость потока вещества от градиентов концентрации и потенциала электрического поля и допускает возможность движения ионов через мембрану против одного из градиентов! Например, при реполяризации нейронов и кардиомиоцитов ионы калия движутся против сил электростатического взаимодействия, так как в определенных условиях концентрационный градиент «сильнее». При деполяризации ионы натрия проходят в цитоплазму по суммарному градиенту концентрации и потенциала, при реполяризации калий выходит по градиенту концентрации, но против градиента потенциала.

2.4.4. Облегченная диффузия

Живая клетка нуждается в постоянном поступлении питательных веществ — простых Сахаров и аминокислот, которые являются гидрофильными и, следовательно, обладают плохой проницаемостью через фосфолипидные мембраны. Кроме того, концентрация этих веществ во внеклеточной жидкости составляет всего несколько миллимоль на 1 л, поэтому трансмембранный градиент питательных веществ невелик. Вследствие перечисленных причин поток Сахаров и аминокислот в клетку, происходящий по механизму простой диффузии, крайне невелик и совершенно недостаточен для поддержания должного уровня метаболизма клетки.

Сахара и аминокислоты поступают в клетку главным образом не вследствие простой диффузии, а по механизму облегченной диффузии. Суть механизма состоит в том. что вещество может соединяться с особой молекулой переносчиком, представляющим собой мембранный белок, подвижность которого в мембране значительно выше подвижности самого переносимого вещества. В большинстве случаев переносчик соединяется не только с транспортируемым веществом, но и с ионом натрия. В итоге комплекс «транспортируемое вещество — переносчик — натрий» не только обладает высокой подвижностью в мембране, но и подвергается действию большого трансмембранного натриевого градиента, обусловленного разностью внутри- и внеклеточной концентрации натрия величиной около 100 ммоль/л.

Таким образом, скорость трансмембранного потока вещества по механизму облегченной диффузии зависит не только от градиента концентраиии глюкозы и аминокислот, но и от концентрации переносчика, констант взаимодействия переносимого вещества и переносчика. При избытке питательных веществ во внеклеточной жидкости, когда все переносчики заняты, скорость облегченной диффузии достигает насыщения и практически не зависит от дальнейшего увеличения градиента концентрации. Закономерности кинетики облегченной диффузии совпадают с кинетикой простейших ферментативных реакций, описываемых уравнением Михаэли- са—Ментен. Данное кинетическое уравнение для скорости облегченной диффузии в зависимости от концентрации диффундирующего вещества снаружи мембраны имеет вид:

I = I max *С е /(С е + К m ).

где I — плотность потока диффундирующего вещества, I max — максимальная плотность потока вещества через мембрану, С е — концентрация транспортируемого вещества снаружи мембраны, К m — константа Михаэлиса, которая численно равна такой концентрации вещества снаружи мембраны, при которой плотность потока I достигает 50 % от максимальной плотности I max . Чем меньше значение константы Михаэлиса, тем выше сродство вещества к переносчику.

Рассмотрим кинетику переноса вещества, транспортируемого через плазматическую мембрану по механизму' облегченной диффузии. Пусть С е — концентрация вещества (например, глюкозы) во внеклеточной среде, C i — концентрация того же вещества внутри

клетки, dС е /dt = С е — плотность потока вещества через наружную

поверхность мембраны, dC i /dt = С i — плотность потока вещества через внутреннюю поверхность мембраны. Концентрацию свободных молекулярных переносчиков в мембране обозначим П, концентрацию переносчиков, связанных с транспортируемым субстратом, обозначим ПСК — «переносчик — субстратный комплекс».

Соответственно П и ПСК — производные по времени или скорости изменения концентраций указанных веществ. В состоянии динамического равновесия реакции синтеза и распада ПСК можно представить в следующем виде:

Здесь k 1 , k -1 , k 2 — константы скоростей соответствующих прямых и обратных реакций. Обратной реакцией образования ПСК на внутренней стороне мембраны с константой k -2 вследствие ее ничтожного вклада мы пренебрегаем: на внутренней стороне мембраны переносчик-субстратный комплекс распадается практически необратимо.

Система кинетических уравнений для концентраций субстрата внутри и снаружи клетки, а также для концентрации перенос- чик-субстратного комплекса внутри мембраны примет вид:

При нахождении решения системы для концентрации ПСК воспользуемся очевидным условием: суммарная концентрация свободных переносчиков и переносчик-субстратных комплексов («занятых» переносчиков) есть величина постоянная, т.е. П + ПСК = = Е (const). Из данного условия исключим переменную П: П = Е - - ПСК. В этом случае второе уравнение системы [2.40] примет вид:

В стационарном состоянии скорость изменения концентрации

переносчик-субстратного комплекса равна нулю:

k 1 *С е *Е - k 1 *С е *ПСК - k -1 *ПСК - k 2 *ПСК = 0.

После переноса в правую часть всех членов с отрицательным знаком и вынесением за скобки общего множителя получим:

k 1 *С е *Е = ПСК (k 1 * С е + k -1 + k 2 ).

Следовательно, в стационарном состоянии концентрация пере- носчик-субстратного комплекса будет:

после вынесения за скобки в знаменателе k 1 получим:

Плотность потока вещества внутрь клетки, согласно третьему

уравнению системы, представлена выражением: С i = k 2 ПСК. Для стационарного состояния, подставив значение для ПСК из [2.41], окончательно получим:

Поскольку значение «Е» — это суммарная концентрация занятых и свободных переносчиков, то по смыслу третьего уравнения системы [2.40] выражение k 2 Е — это максимально возможная плотность потока переносимого через мембрану вещества. Если

комбинацию констант в знаменателе [(k -1 + k 2 )/k 1 ] переобозначим как К m , последнее уравнение можно записать в виде:

Выражение [2.42] — уравнение Михаэлиса—Ментен — основное кинетическое уравнение облегченной диффузии, где C i — плотность потока вещества, переносимого через мембрану по механизму облегченной диффузии, С i max — максимальное значение плотности потока вещества, когда заняты все переносчики, К m — константа Михаэлиса, зависящая от сродства вещества к переносчику. Для облегченной диффузии при увеличении градиента концентрации характерен эффект насыщения, в то время как для простой диффузии характерно только линейное возрастание плотности потока. При малых концентрациях вещества, когда большинство молекулярных переносчиков вакантны, кинетика облегченной диффузии мало отличается от прямой пропорциональности величины плотности потока значению наружной концентрации переносимого вещества.

Напомним, что кинетика облегченной диффузии точно соответствует кинетике ферментативных реакций первого порядка, где значение С i соответствует скорости реакции, С i max — максимальная скорость реакции, С е — концентрация субстрата, значению ПСК соответствует концентрация ферментсубстратного комплекса, а К m — также константа Михаэлиса, зависящая от сродства субстрата к ферменту.

2.4.5. Активный транспорт

Мы рассмотрели механизмы трансмембранного транспорта веществ в тех условиях, когда электрохимические и концентрационные градиенты уже существуют изначально: питательные вещества и кислород поступают в клетку из области с большими концентрациями (снаружи) в область с меньшими (внутри). Выделение низкомолекулярных продуктов метаболизма происходит аналогично: из областей высокой концентрации внутри клетки наружу, однако распределение далеко не всех веществ внутри и снаружи клетки обусловлено только диффузией. Разность концентрации ряда ионов — Са 2+ , К + , Na + , Mg 2+ , Н + — снаружи и внутри клетки составляет от десятков до сотен тысяч раз, причем перепады концентрации поддерживаются по обе стороны мембраны с ненулевой проницаемостью. Такие перепады концентрации создаются благодаря ионным насосам — специализированным молекулярным комплексам, работающим с затратой свободной энергии.

Ионные насосы формируют первичные градиенты для немногих ионов: только для калия, натрия, кальция и водорода. Неравновесное распределение снаружи и внутри клетки мно-

гих десятков и сотен других веществ вторично и достигается, в частности, через сопряжение с транспортом ионов натрия, кальция и водорода. Формирование градиентов ионов магния, бикарбоната, фосфатов, моносахаров, жирных кислот и аминокислот происходит опосредованно, через «разрядку» градиента, например натрия, первично созданного ионной помпой — Na-K -АТФазой.

Системы активного транспорта ионов являются первичными структурами для формирования постоянства внутриклеточной среды при широкой разнообразности химического состава внеклеточного пространства. Но за постоянство состава цитоплазмы необходимо «платить» расходом свободной энергии, и прежде всего гидролизом фосфатных связей макроэргов.

Рассмотрим работу основного молекулярного аппарата по формированию трансмембранных градиентов — Nа-К-АТФазу. Этот фермент впервые был выделен Д. Скоу в 1957 г., а в конце 70-х годов К. Свиандер установила, что в мозге и почках присутствуют различные изоформы этого фермента. Na—К-АТФаза представляет собой белковую молекулу, состоящую из α- и β-субъединиц. Большая по массе α-субъединица (молекулярная масса более 1000 кД) пронизывает плазматическую мембрану 10 раз, β-субъединица (массой около 300 кД) локализована в толще мембраны и не играет каталитической и транспортной функции, а только стабилизирует α-субъедини- цу. В мембране молекула одновременно выполняет функции переносчика и фермента, активные центры связывания ионов у которого, локализованные в α-субъединице. могут быть при различных конформациях как с внутренней, так и с наружной стороны мембраны. Сегодня выделено четыре изоформы α-субъединицы и 3 изоформы β-субъединицы, различающиеся по молекулярной массе и чувствительности к блокатору (оуабаину). Изоформы ферментов по-разному представлены в тканях.

Функционирование фермента происходит в несколько этапов, показанных на рис. 2.19.

1. Е + АТФ -> Е*АТФ — образование комплекса фермента АТФазы (Е) с молекулой АТФ на внутренней стороне мембраны. Е* — активная форма фермента.

2. Е*АТФ + 3Na -> [Е*АТФ]Na 3 — связывание комплексом трех ионов натрия на внутренней стороне мембраны.

3. [Е*АТФ]Na 3 -> [Е 1 - Р]*Na 3 + АДФ — фосфорилирование фермента.

4. [Е 1 - Р]*Na 3 -> [Е 2 - Р]*Na 3 — переворот фермента внутри мембраны с обращением центров связывания ионов к внешней стороне мембраны. Фосфорилирование (перенос свободной энергии) вызывает изменения параметров молекулы — ее конфирмацию и перепорот.

Рис. 2.19. Участие АТФазы в работе Na-К-насоса.

5. [Е 2 - Р]*Na 3 + 2К -> [Е 2 - Р]*К 2 + 3Na — реакция ионного обмена трех ионов натрия, высвобождающихся во внеклеточную среду, на два иона калия, связывающихся с АТФазой из внеклеточного пространства.

6. [Е 2 - Р]*К 2 -> [Е 1 - Р]*К 2 — обратный переворот ферментного комплекса и перенос калия внутрь клетки.

7. [Е 2 - Р]*К 2 -> Е + Р + 2К — возвращение фермента в исходное состояние с освобождением калия во внутриклеточное пространство и освобождением ортофосфорной кислоты.

При ориентации центров связывания внутрь клетки они обладают высоким сродством к натрию, а при ориентации наружу — к калию.

Na—K-насос является электрогенной помпой, так как удаление трех ионов натрия выносит из клетки три элементарных положительных заряда, а вход двух ионов калия закачивает в клетку только два элементарных заряда. Один цикл работы помпы эквивалентен переносу в клетку одного отрицательного элементарного заряда. Работа ионных насосов может осуществляться с очень высокой скоростью, количество оборотов молекулярной помпы может достигать нескольких десятков тысяч в секунду .

Созданный Na—К-АТФазой градиент ионов натрия и калия используется для сопряженного транспорта сахаров, аминокислот и ряда других низкомолекулярных соединений. К примеру, в клетки тканей с высокой метаболической активностью глюкоза поступает, как правило, вместе с ионами натрия. Переносчик молекул глюкозы «работает» сопряженно с входящим в клетку по электрохимическому градиенту током ионов натрия.

Различают быструю и медленную регуляцию активности Na—К-насоса. Быстрая регуляция затрагивает активность собственно фермента-переносчика, а медленная реализуется путем изменения количества молекулярных насосов, т.е. опосредуется через активацию генома и синтез белка. Наибольшее значение из изученных факторов влияния на активность работы Na—К-АТФазы имеют следующие химические и физические факторы:

Потенциал покоя и потенциал действия

Мембрана всех живых клеток поляризована. Внутренняя сторона мембраны несет отрицательный заряд по сравнению с межклеточным пространством (рис. 1). Величина заряда, который несет мембрана называется мембранным потенциалом (МП). В невозбудимых тканях МП низкий, и составляет около -40 мВ. В возбудимых тканях он высокий, около -60 - -100 мВ и называется потенциалом покоя (ПП).

Потенциал покоя, как и любой мембранный потенциал формируется за счет избирательной проницаемости клеточной мембраны. Как известно, плазмолемма состоит из липидного бислоя, через который движение заряженных молекул затруднено. Белки, встроенные в мембрану, могут избирательно изменять проницаемость мембраны для различных ионов, в зависимости от приходящих стимулов. При этом, для формирования потенциала покоя ведущую роль играют ионы калия, кроме них важны ионы натрия и хлора.

Рис. 1. Концентрации и распределение ионов с внутренней и внешней стороны мембраны.

Большинство ионов распределяются неравномерно с внутренней и внешней стороны клетки (рис. 1). Внутри клетки концентрация ионов калия выше, а натрия и хлора – ниже, чем снаружи. В состоянии покоя мембрана проницаема для ионов калия и практически непроницаема для ионов натрия и хлора. Несмотря на то, что калий может свободно выходить из клетки, его концентрации остаются неизменными благодаря отрицательному заряду на внутренней стороне мембраны. Таким образом, на калий действуют две силы, находящиеся в равновесии: осмотические (градиент концентрации К + ) и электрические (заряд мембраны), благодаря чему число входящих в клетку ионов калия равно выходящим. Движение калия осуществляется через калиевые каналы утечки, открытые в состоянии покоя. Величину заряда мембраны, при которой ионы калия находятся в равновесии можно вычислить по уравнению Нернста:

где Е_к — равновесный потенциал для К + ; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура; F — число Фарадея; n — валентность К + (+1), [К + _н] — [К + _вн] — наружная и внутренняя концентрации К + .

Если подставить в уравнение значения из таблицы на рис. 43, то мы получим величину равновесного потенциала, равную примерно -95 мВ. Это значение вписывается в диапазон мембранного потенциала возбудимых клеток. Отличия ПП разных клеток (даже возбудимых) могут возникать по трем причинам:

отличия внутриклеточной и внеклеточной концентраций ионов калия в разных тканях (в таблице приведены данные по среднестатистическому нейрону);
натрий-калиевая АТФаза может вносить свой вклад в значение заряда, так как она выводит из клетки 3 Na + в обмен на 2 К + ;
несмотря на минимальную проницаемость мембраны для натрия и хлора, эти ионы все-таки могут попадать в клетки, хоть и от 10 до 100 раз хуже, по сравнению с калием.

Чтобы учесть проникновение других ионов в клетку существует уравнение Нернста-Гольдмана:

, где Е_m — мембранный потенциал; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура; F — число Фарадея; Р_K , P_Na и Р_Cl — константы проницаемости мембраны для К + Na + и Сl, соответственно; [К + _н], [K + _вн], [Na + _н], [Na + _вн], [Сl — _н] и [Сl — _вн ]- концентрации K + , Na + и Сl снаружи (н) и внутри (вн) клетки.

Такое уравнение позволяет установить более точную величину ПП. Обычно, мембрана оказывается на несколько мВ менее поляризована, по сравнению с равновесным потенциалом для К + .

Потенциал действия (ПД) может возникать в возбудимых клетках. Если на нерв или мышцу нанести раздражение выше порога возбуждения, то ПП нерва или мышцы быстро уменьшится и на короткий промежуток времени (миллисекунда) произойдет кратковременная перезарядка мембраны: ее внутренняя сторона станет заряженной положительно относительно наружной, после чего восстановится ПП. Это кратковременное изменение ПП, происходящее при возбуждении клетки называется потенциалом действия.

Возникновение ПД возможно благодаря тому, что в отличие от ионов калия, ионы натрия далеки от равновесия. Если подставить в уравнение Нернста натрий вместо калия, то мы получим равновесный потенциал, равный примерно +60 мВ. Во время ПД, происходит кратковременное увеличение проницаемости для Na + . При этом, натрий начнет проникать в клетку под действием двух сил: по градиенту концентрации и по заряду мембраны, стремясь подстроить заряд мембраны под свой равновесный потенциал. Движение натрия осуществляется по потенциал-зависимым натриевым каналам, которые открываются в ответ на смещение мембранного потенциала, после чего сами инактивируются.

Рис. 2. Потенциал действия нервного волокна (А) и изменение проводимости мембраны для ионов натрия и калия (Б).

На записи ПД выглядит как кратковременный пик (рис. 44), имеющий несколько фаз.

Деполяризация (фаза нарастания) (рис. 44) – увеличение проницаемости для натрия из-за открытия натриевых каналов. Натрий стремится к своему равновесному потенциалу, но не достигает его, так как канал успевает инактивироваться.
Реполяризация – возвращение заряда к величине потенциала покоя. Помимо калиевых каналов утечки здесь подключаются потенциал-зависимые калиевые каналы (активируются от деполяризации). В это время калий выходит из клетки, возвращаясь к своему равновесному потенциалу.
Гиперполяризация (не всегда) – возникает в случаях, если равновесный потенциал по калию превышает по модулю ПП. Возвращение к ПП происходит после возвращения к равновесному потенциалу по К + .

Во время ПД происходит изменение полярности заряда мембраны. Фаза ПД, при которой заряд мембраны положителен, называется овершутом (рис. 2).

Благодаря Н-воротам инактивация канала происходит раньше, чем потенциал на мембране достигнет равновесной величины по натрию. После прекращения поступления натрия в клетку, происходит реполяризация за счет выходящих из клетки ионов калия. При этом к каналам утечки в этом случае подключаются еще и потениал-активируемые калиевые каналы. Во время реполяризации, в быстром натриевом канале быстро закрываются М-ворота. Н-ворота открываются гораздо медленнее и остаются закрытыми еще некоторое время после возвращения заряда к потенциалу покоя. Этот период принято называть периодом рефрактерности.

Рис. 3. Работа потенциал-управляемого натриевого канала.

Концентрации ионов внутри клетки восстанавливает натрий-калиевая АТФаза, которая с затратой энергии в виде АТФ откачивает из клетки 3 иона натрия и закачивает 2 иона калия.

По немиелинизированному волокну или по мембране мышцы потенциал действия распространяется непрерывно. Возникший потенциал действия за счет электрического поля способен деполяризовать мембрану соседнего участка до порогового значения, в результате чего на соседнем участке возникает деполяризация. Главную роль в возникновении потенциала на новом участке мембраны предыдущий участок. При этом на каждом участки сразу после ПД наступает период рефрактерности, за счет которое ПД распространяется однонаправленно. При прочих равных условиях распространение потенциала действия по немиелинизированному аксону происходит тем быстрее, чем больше диаметр волокна. У млекопитающих скорость составляет 1-4 м/с. Поскольку у беспозвоночных животных отсутствует миелин, в гигантских аксонах кальмара скорость ПД может достигать 100 м/c.

По миелинизированному волокну потенциал действия распространяется скачкообразно (сальтаторное проведение). Для миелинизированных волокон характерна концентрация потенциалзависимых ионных каналов только в областях перехватов Ранвье; здесь их плотность в 100 раз больше, чем в мембранах немиелинизированных волокон. В области миелиновых муфт потенциалзависимых каналов почти нет. Потенциал действия, возникший в одном перехвате Ранвье, за счет электрического поля деполяризует мембрану соседних перехватов до порогового значения, что приводит к возникновению в них новых потенциалов действия, то есть возбуждение переходит скачкообразно, от одного перехвата к другому. В случае повреждения одного перехвата Ранвье потенциал действия возбуждает 2-й, 3-й, 4-й и даже 5-й, поскольку электроизоляция, создаваемая миелиновыми муфтами, уменьшает рассеивание электрического поля. Сальтаторное проведение увеличивает скорость проведения ПД 15-20 раз до 120 м/с.

Работа нейронов

Нервная система состоит из нейронов и глиальных клеток. Однако, главную роль в проведении и передаче нервных импульсов играют нейроны. Они получают информацию от множества клеток по дендритам, анализируют ее и передают или не передают на следующий нейрон.

Передача нервного импульса с одной клетки на другую осуществляется с помощью синапсов. Различают два основных типа синапсов: электрические и химические (рис. 4). Задача любого синапса – передать информацию с пресинаптической мембраны (мембрана аксона) на постсинаптическую (мембрана дендрита, другого аксона, мышцы или другого органа-мишени). Большинство синапсов нервной системы образуется между окончанием аксонов и дендритами, которые в области синапса образуют дендритные шипики.

Преимущество электрического синапса состоит в том, что сигнал с одной клетки на другую переходит без задержки. Кроме того, такие синапсы не утомляются. Для этого пре- и постсинаптические мембраны соединены поперечными мостиками, через которые ионы из одной клетки могут перемещаться в другую. Однако, существенным минусом такой системы является отсутствие однонаправленной передачи ПД. То есть, он может передаваться как с пресинаптической мембраны на постсинаптическую, так и наоборот. Поэтому, такая конструкция встречается достаточно редко и в основном – в нервной системе беспозвоночных.

Рис. 4. Схема строения химического и электрического синапсов.

Химический синапс весьма распространен в природе. О устроен сложнее, так как необходима система преобразования электрического импульса в химический сигнал, затем, вновь в электрический импульс. Все это приводит к возникновению синаптической задержки, которая может составить 0,2-0,4 мс. Кроме того, может произойти истощение запасов химического вещества, что приведет к утомлению синапса. Однако, такой синапс обеспечивает однонаправленность передачи ПД, что является его главным преимуществом.

Рис. 5. Схема работы (а) и электронная микрофотография (б) химического синапса.

В состоянии покоя окончание аксона, или пресинаптическое окончание, содержит мембранные пузырьки (везикулы) с нейромедиатором. Поверхность везикул заряжена отрицательно, чтобы предотвратить связывание с мембраной, и покрыта специальными белками, и принимающими участие в высвобождении везикул. В каждом пузырьке находится одинаковое количество химического вещества, которое называется квантом нейромедиатора. Нейромедиаторы весьма разнообразны по химическому строению, однако, большинство из них производятся прямо в окончании. Поэтому, в нем могут находиться системы, для синтеза химического посредника, а также аппарат Гольджи и митохондрии.

Постсинаптическая мембрана содержит рецепторы к нейромедиатору. Рецепторы могут быть в виде как ионных каналов, открывающихся при контакте со своим лигандом (ионотропные), так и мембранными белками, запускающими внутриклеточный каскад реакций (метаботропные). Один нейромедиатор может иметь несколько как ионотропных, так и метаботропных рецепторов. При этом, часть из них может быть возбуждающими, а часть – тормозными. Таким образом, реакцию клетки на нейромедиатор будет определять тип рецептора на ее мембране, и разные клетки могут совершенно по-разному реагировать на одно и то же химическое вещество.

Между пре- и постсинаптической мембраной располагается синаптическая щель, шириной 10-15 нм.

При приходе ПД на пресинаптическое окончание, на нем открываются потенциал-активируемые кальциевые каналы и ионы кальция входят в клетку. Кальций связывается с белками на поверхности везикул, что приводит к их транспортировке к пресинаптической мембране с последующим слиянием мембран. После такого взаимодействия нейромедиатор оказывается в синаптической щели (рис. 5) и может связаться со своим рецептором.

Ионотропные рецепторы – это лиганд-активируемые ионные каналы. Это значит, что канал открывается только в присутствии определенного химического вещества. Для разных нейромедиаторов это могут быть натриевые, кальциевые или хлорные каналы. Ток натрия и кальция вызывает деполяризацию мембраны, поэтому такие рецепторы называют возбуждающими. Хлорный ток приводит к гиперполяризации, что затрудняет генерацию ПД. Следовательно, такие рецепторы называют тормозными.

Метаботропные рецепторы к нейромедиаторам относят к классу рецепторов, ассоцированных с G-белками (GPCR). Эти белки запускают разнообразные внутриклеточные каскады реакций, приводящих в конечном итоге либо к дальнейшей передачи возбуждения, либо к торможению.

После передачи сигнала необходимо быстро удалить нейромедиатор из синаптической щели. Для этого в щели присутствуют либо ферменты расщепляющие, нейромедиатор, либо на пресинаптическом окончании или соседних глиальных клетках могут располагаться транспортеры, закачивающие медиатор в клетки. В последнем случае он может использоваться повторно.

Каждый нейрон получает импульсы от 100 до 100 000 синапсов. Одиночная деполяризация на одном дендрите не приведет к дальнейшей передаче сигнала. На нейрон могут приходит одновременно множество как возбуждающих, так и тормозных стимулов. Все они суммируются на соме нейрона. Такая суммация называется пространственной. Далее, может возникнуть или не возникнуть (в зависимости от пришедших сигналов) ПД в области аксонного холмика. Аксонный холмик – это область аксона, примыкающая к соме и обладающая минимальным порогом ПД. Далее импульс распространяется по аксону, конец которого может сильно ветвиться и образовывать синапсы со множеством клеток. Помимо пространственной, существует временная суммация. Она происходит в случае, поступления часто повторяющихся импульсов от одного дендрита.

Помимо классических синапсов между аксонами и дендритами или их шипиками, существуют также синапсы, модулирующие передачу в других синапсах (рис. 6). К ним относят аксо-аксональные синапсы. Такие синапсы способны усиливать или тормозить синаптическую передачу. То есть, если на окончание аксона, образующего аксо-шипиковый синапс, пришел ПД, а в это время по аксо-аксональному синапсу на него пришел тормозный сигнал, высвобождения нейромедиатора в аксо-шипиковом синапсе не произойдет. Аксо-дендритные синапсы могут изменять проведение мембраной ПД на пути от шипика к соме клетки. Также существуют аксо-соматические синапсы, которые могут влиять на суммацию сигнала в области сомы нейрона.

Таким образом, существует огромное многообразие различных синапсов, отличающихся по составу нейромедиаторов, рецепторов и их местоположению. Все это обеспечивает разнообразие реакций и пластичность нервной системы.

Читайте также: