Внутри клетки высокая концентрация ионов. Что произойдет с мембранным потенциалом покоя, если внутри аксона уменьшить концентрацию ионов калия. Активный и пассивный транспорт веществ через мембрану
Оглавление темы "Эндоцитоз. Экзоцитоз. Регуляция клеточных функций.":1. Воздействие Na/K-насоса (натрий калиевого насоса) на мембранный потенциал и объем клетки. Постоянный объем клетки.
2. Концентрационный градиент натрия (Na), как движущая сила мембранного транспорта.
3. Эндоцитоз. Экзоцитоз.
4. Диффузия в переносе веществ внутри клетки. Значение диффузии в эндоцитозе и экзоцитозе.
5. Активный транспорт в мембранах органелл.
6. Транспорт в везикулах клетки.
7. Транспорт путем образования и разрушения органелл. Микрофиламенты.
8. Микротрубочки. Активные движения цитоскелета.
9. Аксонный транспорт. Быстрый аксонный транспорт. Медленный аксонный транспорт.
10. Регуляция клеточных функций. Регуляторные воздействия на клеточную мембрану. Мембранный потенциал.
11. Внеклеточные регуляторные вещества. Синаптические медиаторы. Локальные химические агенты (гистамин, фактор роста, гормоны, антигены).
12. Внутриклеточная коммуникация с участием вторых посредников. Кальций.
13. Циклический аденозинмонофосфат, цАМФ. цАМФ в регуляции функции клетки.
14. Инозитолфосфат «ИФ3». Инозитолтрифосфат. Диацилглицерол.
Воздействие Na/K-насоса (натрий калиевого насоса) на мембранный потенциал и объем клетки. Постоянный объем клетки.
Рис. 1.9. Схема, показывающая концентрации Na+, K+ и CI внутри и вне клетки и пути проникновения этих ионов через клеточную мембрану (через специфические ионные каналы или с помощью Na/K-насоса. При данных концентрационных градиентах равновесные потенциалы E(Na), E(K) и E(Cl) равны указанным, мембранный потенциал Ет = - 90 мВНа рис. 1.9 показаны различные компоненты мембранного тока и приведены внутриклеточные концентрации ионов , которые обеспечивают их существование. Через калиевые каналы наблюдается выходящий ток ионов калия, так как мембранный потенциал несколько более электроположителен, чем равновесный потенциал для ионов калия. Общая проводимость натриевых каналов намного ниже, чем калиевых, т.е. натриевые каналы открыты намного реже, чем калиевые при потенциале покоя; однако в клетку входит примерно столько же ионов натрия, сколько выходит из нее ионов калия, потому что для диффузии ионов натрия в клетку необходимы большие градиенты концентрации и потенциала. Na/К-насос обеспечивает идеальную компенсацию пассивных диффузионных токов, так как переносит ионы натрия из клетки, а ионы калия - в нее. Таким образом, насос является электрогенным за счет разницы в числе перенесенных в клетку и из клетки зарядов, что при нормальной скорости его работы создает мембранный потенциал, примерно на 10 мВ более электроотрицательный, чем если бы он образовывался только за счет пассивных потоков ионов. В результате мембранный потенциал приближается к калиевому равновесному потенциалу, что уменьшает утечку ионов калия. Активность Na/K-насоса регулируется внутриклеточной концентрацией ионов натрия . Скорость работы насоса замедляется при снижении концентрации ионов натрия, подлежащих выводу из клетки (рис. 1.8), так что работа насоса и поток ионов натрия внутрь клетки уравновешивают друг друга, поддерживая внутриклеточную концентрацию ионов натрия на уровне примерно 10 ммоль/л.
Чтобы поддерживать равновесие между насосными и пассивными мембранными токами , необходимо намного больше молекул Na/K-насоса, чем канальных белков для ионов калия и натрия. При открытом состоянии канала через него проходят десятки тысяч ионов за несколько миллисекунд, а поскольку канал обычно открывается несколько раз в секунду, всего за это время через него проходит более 105 ионов. Одиночный насосный белок перемещает несколько сотен ионов натрия в секунду, следовательно, плазматическая мембрана должна содержать примерно в 1000 раз больше насосных молекул, чем канальных. Измерения канальных токов в покое показали наличие в среднем одного калиевого и одного натриевого открытого канала на 1 мкм2 мембраны; из этого следует, что на том же пространстве должно присутствовать около 1000 молекул Na/K-насоса, т.е. расстояние между ними составляет в среднем 34 нм; диаметр насосного белка, как и канального, составляет 8-10 нм. Таким образом, мембрана достаточно плотно насышена насосными молекулами .
Тот факт, что поток ионов натрия внутрь клетки , а ионов калия - из клетки компенсируется работой насоса, имеет и другое следствие, заключающееся в сохранении стабильного осмотического давления и постоянного объема. Внутри клетки существует высокая концентрация крупных анионов, главным образом белков (А в табл. 1.1), которые не способны проникать через мембрану (или проникают через нее очень медленно) и поэтому являются фиксированным компонентом внутри клетки. Чтобы уравновесить заряд этих анионов, необходимо равное количество катионов. Благодаря действию Na/K-насоса этими катионами в основном оказываются ионы калия. Существенное повышение внутриклеточной концентрации ионов могло бы происходить только при возрастании концентрации анионов вследствие потока Cl по градиенту концентрации в клетку (табл. 1.1), но мембранный потенциал противодействует этому. Входящий ток Cl наблюдается только до тех пор, пока не будет достигнут равновесный потенциал для ионов хлора; это наблюдается, когда градиент ионов хлора практически противоположен градиенту ионов калия, так как ионы хлора заряжены отрицательно. Таким образом, устанавливается низкая внутриклеточная концентрация ионов хлора, соответствующая низкой внеклеточной концентрации ионов калия. Результатом является ограничение общего количества ионов в клетке. Если мембранный потенциал падает при блокаде Na/K-насоса, например при аноксии, то равновесный потенциал для ионов хлора снижается, а внутриклеточная концентрация ионов хлора соответственно повышается. Восстанавливая равновесие зарядов, ионы калия также входят в клетку; суммарная концентрация ионов в клетке возрастает, что повышает осмотическое давление; это заставляет воду поступать в клетку. Клетка набухает. Такое набухание наблюдается in vivo в условиях недостатка энергии.
Возбудимость - способность клеток и тканей переходить в состояние физиологической активности иод влиянием каких-либо внешних воздействий (раздражителей), достигших пороговой величины. Возбудимостью обладают любые живые клетки, в том числе растительные, но в наибольшей степени она выражена у клеток животных - таких, как нервные, мышечные и железистые.
Любому специалисту, связанному с исследованиями организма животного и человека, необходимо понимать, что именно возбудимые клетки составляют основу НС, воспринимают сигналы из внешней и внутренней среды организма, обеспечивают его ответные реакции.
Все возбудимые клетки обладают тремя свойствами:
1) ПН, или мембранным потенциалом, - разностью электрического потенциала между внутриклеточной средой и средой, окружающей клетку;
- 2) IIД - способностью генерировать краткий электрический ответ под действием любого раздражителя, интенсивность которого достигла определенного порога;
- 3) проводимостью - способностью распространять ПД по телу клетки и ее отросткам.
Проведем следующий эксперимент. Если взять нейрон, находящийся в настоящий момент в состоянии покоя, и ввести тонкий стеклянный микроэлектрод с кончиком диаметром не более 1 мкм, то такой кончик не нанесет клетке видимых повреждений. Полость стеклянного электрода должна быть заполнена жидкостью, хорошо проводящей ток (электролитом). Чаще всего для этой цели используют раствор хлористого калия (КС1). Электрод соединяют с вольтметром. Пока кончик электрода находится в межклеточной среде, стрелка микровольтметра стоит на нуле (рис. 8.1).
Рис . 8.1.
а - рисунок с микрофотографии; б - схема регистрации потенциала покоя путем
введения в нейрон кончика микроэлектрода; в - скачок мембранного потенциала в момент введения в нейрон кончика микроэлектрода (4)
В момент прокалывания мембраны нейрона регистрируется скачок потенциала вниз до уровня приблизительно -70 мВ. Это и есть мембранный потенциал, или ПП. Если электрод не двигать, а для нейрона создать правильные условия (состав окружающего раствора, температура), то ПП будет поддерживаться без всяких видимых изменений в течение нескольких часов. ПП найден во всех возбудимых клетках, и его величина колеблется от -30 до -100 мВ в зависимости от того, с какими клетками проводится опыт.
Потенциал покоя был открыт в середине XIX в. великим швейцарским физиологом Эмилем Дюбуа-РеймоноМу а его ученик Юлиус Бернштейн создал самую первую теорию, которая объясняла, почему внутри возбудимых клеток, находящихся в состоянии покоя, регистрируется явный избыток отрицательных зарядов. Исходя из данных, полученных целым рядом исследователей, Бернштейн частично установил, а частично предположил следующее:
- - в цитоплазме возбудимых клеток содержится гораздо больше ионов К + , чем в окружающей среде, а ионов Na + и С1~ - гораздо меньше;
- - возбудимые клетки покрыты полупроницаемой мембраной, которая в состоянии покоя свободно пропускает ионы Na + , Са 2+ , С1 _ и т.д.
Если это так, то часть ионов К + должна выходить через клеточную мембрану в межклеточную среду, оставляя в клетке избыток парных К + отрицательно заряженных частиц - анионов.
Поэтому на внутренней поверхности мембраны клетки создается отрицательный заряд (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Роль ионов К + в возникновении и поддержании потенциала покоя (ПП):
а - возникновение ПП вследствие диффузии ионов К + через постоянно открытые каналы утечки; б - изменение уровня ПП при изменении концентрации К* во
внешней среде
Но избыток отрицательно заряженных частиц будет притягивать к себе ионы К + , препятствуя их выходу из клетки, а вышедшие в межклеточное пространство ионы К" также будут «отталкивать» положительно заряженные частицы, не давая выйти из клетки новым порциям К + . В итоге выход К + продолжается лишь до тех пор, пока сила диффузии (концентрационного давления) и сила электрического ноля не станут равны. Точка равновесия и соответствует уровню потенциала покоя.
Ток ионов при достижении ПП не останавливается, так как имеются постоянно открытые каналы и К + продолжает перемещаться сквозь мембрану, но число ионов, которые вошли в клетку и вышли из нее, теперь оказывается одинаковым. Такое состояние называется динамическим равновесием - равенством двух противоположно направленных процессов. Если один из процессов усилится или ослабнет, то точка равновесия сместится. Например, если, как это делал Бернштейн, искусственно увеличить концентрацию К + в межклеточной среде, то это, естественно, будет мешать выходу из клетки новых порций положительно заряженных частиц (К +), и ПП станет менее отрицательным, смещаясь к нулю (см. рис. 8.2). Если же искусственно уравнять концентрацию К + в цитоплазме и вне клетки, то ПП будет равен нулю. Так Бернштейн доказал, что ПП в возбудимой клетке определяется разницей концентрации К + внутри этой клетки и во внеклеточной среде. Бернштейн предложил для количественной оценки ПП использовать уравнение, выведенное Вальтером Нернстом для искусственной системы, представляющей собой два раствора КС1 различной концентрации, разделенных искусственной мембраной, проницаемой только для К + (рис. 8.3).
Рис. 83.
а - принципиальная схема установки с двумя сосудами (1 и 2), содержащими разные концентрации КС1 и разделенными мембраной, проницаемой только для К + ;
6 - поток (показан стрелками) катионов (+) через мембрану из области с их большей концентрацией (1) в область с меньшей концентрацией (2), приводящий к возникновению на мембране потенциала
В один сосуд он налил 10%-ный раствор КС1, а во второй - 1%-ный раствор этой соли. В обоих растворах произошла диссоциация КС1 на К + и СП, но в сосуде 1 исходно было в 10 раз больше и катионов (К +), и анионов (С1“), чем в сосуде 2. Так как разделяющая растворы полупроницаемая мембрана хорошо пропускает катионы, то часть ионов калия (К +) перешла из сосуда 1, где концентрация КС1 исходно была выше, в сосуд 2, в котором концентрация КС1 была в 10 раз ниже. Поскольку ионы калия несут положительный заряд, то положительных зарядов в сосуде 2 будет больше, чем отрицательных. В сосуде 1 таким образом окажется некоторый избыток «брошенных» анионов хлора, потерявших свои катионы калия. Но отрицательно заряженные ионы С1“ будут притягивать назад часть положительно заряженных ионов К + за счет взаимодействия электрических зарядов. Через какие-то мгновения потоки К + из сосуда 1 в сосуд 2 и наоборот станут равными. Однако в сосуде 1 ионов К + будет все равно меньше, чем ионов С1 _ (ведь часть К* перешла в сосуд 2), а в сосуде 2 будет больше ионов К + , чем ионов С1 _ (за счет пришедших из сосуда 1). Следовательно, раствор в сосуде 1 будет заряжен отрицательно по отношению к раствору в сосуде 2.
Между растворами установится нернстовский потенциал, который, согласно уравнению Нернста, равен
где Е - величина потенциала, возникающего между растворами, налитыми в сосуд 1 и сосуд 2; R - газовая постоянная; Т - температура; F - число Фарадея; Z - валентность; [С { - концентрация ионов К + в сосуде 1; [С 2 ] концентрация ионов К + в сосуде 2.
Бернштейн предложил использовать приведенное выше уравнение Нернста для определения мембранного потенциала, как только узнал, что именно К + может проходить через мембрану покоящейся возбудимой клетки. Однако соотношение концентраций катионов калия внутри и снаружи клетки оказалось не 1: 10 (как в искусственной экспериментальной системе Нернста), а совсем другим. Так, в мышечных клетках калия в 49 раз больше, чем в среде, окружающей клетки. Зато в окружающей среде, т.е. вокруг возбудимых клеток, ионов натрия (Na +) приблизительно в 10 раз больше, чем внутри клеток. Однако, когда клетка находится в состоянии покоя, натрий не может проникать сквозь клеточную мембрану внутрь клетки и не участвует в создании 1111. За последние 70 лет многие ученые путем оригинальных экспериментов окончательно доказали, что отрицательный заряд покоящейся возбудимой клетки обусловлен тем, что часть ионов калия выходит через наружную мембрану во внешнюю среду до тех пор, пока не установится динамическое равновесие: сколько ионов калия вышло из клетки, столько же и войдет обратно. При этом на мембране устанавливается ПП, характерный для данного вида возбудимых клеток и определяемый тем, что в цитоплазме клетки остается избыток отрицательно заряженных ионов - анионов, главным образом, крупных белковых молекул, имеющих отрицательный заряд, «покинутых» катионами, т.е. ионами калия. Анионы пройти через мембрану не могут и остаются в клетке, определяя отрицательный заряд цитоплазмы.
Однако впоследствии было показано, что в мембране нейронов имеется небольшое количество постоянно открытых каналов для калия, по которым катионы натрия по градиенту концентрации (вокруг нейрона в 10 раз больше натрия, чем в цитоплазме) постоянно проникают в клетку, сдвигая 1111 к менее отрицательным значениям.
Входящий в клетку небольшой ток натрия (ток утечки), изменяя IIII, делает нейрон более возбудимым; чем этот ток значительнее, тем сильнее IIII сдвинут к тем пороговым величинам, за которыми следует переход нейрона в состояние возбуждения. Таким образом, возникает возможность поддерживать нейроны одних систем на высоком уровне возбудимости, а других - на пониженном. Как было выяснено, в межклеточной среде содержится в пять раз больше ионов хлора (С1“), чем в цитоплазме, однако в покое ток ионов хлора через наружную мембрану в клетку очень мал и составляет всего 4%, если сравнить с током ионов калия, но, строго говоря, для точного определения величины ГГП в уравнении Нернста надо подставить величины проницаемости для всех видов ионов, которые могут в покое проникать через мембрану клетки и менять ПП. Полученное уравнение носит имя Голдмана - Ходжкина - Катца:
где Р - проницаемость мембраны для соответствующих ионов.
Механизм генерации ПП, концентрация ионов вне и внутри клеток, проницаемость наружной мембраны для ионов - все это исследовалось на различных объектах, однако основной вид клеток, на котором проводились опыты, - нейроны кальмаров (точнее, аксоны этих нейронов). В 1930-е гг. было обнаружено, что аксоны нейронов некоторых нервных узлов (звездчатого ганглия) этих головоногих имеют гигантский диаметр (до 1 мм), и с ним очень удобно экспериментировать.
Итак, ПП возбудимой клетки определяется несколькими факторами, главными из которых, безусловно, являются разница концентраций К + внутри и снаружи клетки и свободный ток К + , идущий через мембрану. Определенную роль в генерации ПП играют слабые входящие токи Na + и С1“, для которых мембрана клетки, находящейся в состоянии покоя, почти непроницаема. Изменяя любой из этих параметров, можно в той или иной степени менять ПП, тем самым изменяя способность клетки к возбуждению.
· Формирование клеточного возбуждения обусловлено именно транспортом ионов. Билипидный слой клеточной мембраны непроницаем для ионов (Na, K, Cl), для их транспорта в клетку и из клетки предназначены ионные каналы - специальные интегральные белки, характеризуемые свойствами специфичность (проницаемость для конкретного иона, что связанно с размером его в гидратной оболочке) и регулируемость.
Можно привести следующую классификацию ионных каналов:
1. Нерегулируемые (всегда открыты)
2. Регулируемые
· Потенциалзависимые
· Лигандзависимые
· Терочувствительные
· Механочувствительные
Особый интерес в рассмотрении темы возбуждения представляют потенциал - зависимые ионные каналы (рис. 2).
Рис. 2.
Схема иллюстрирует потенциалзависимый канал в покое (1), в активированном (2) и инактивированном (3) состоянии, что определяется значением мембранного потенциала. Соответственно: 1- канал не функционирует, т.к. воротный механизм (предположительно - заряженная группа белковой молекулы, образующей канал) закрыт; 2- канал открыт (в результате уменьшения МП) и пропускает катионы (J); 3-канал не пропускает ионов ввиду изменения пространственного положения другой заряженной группы. Вещество (ЛВ, обозначено треугольником) может ускорять и облегчать инактивацию (4), блокировать открытый канал (5), облегчать активацию (6а) или затруднять инактивацию (6б).
Ионные каналы предназначены для регуляции пассивного транспорта ионов путём диффузии, идущего по градиенту концентрации (из области с большей концентрацией в область с меньшей). Однако имеет место также транспорт против градиента концентрации, идущий с затратами энергии с помощью мембранных белков - АТФаз. Данные белки дефосфорилируют молекулы АТФ и за счёт энергии, высвобождающейся при гидролизе макроэргических связей, переносят ионы через мембрану против градиента концентрации по принципу “помпы” для откачки воды. По своей сути данный путь транспорта противопоставляется пассивному транспорту. Основным каналом активного транспорта ионов через мембрану является белок Na-KАТФаза, при гидролизе 1 молекулы АТФ переносящая 3Na из клетки и 2К в клетку. В целом на активный мембранный транспорт затрачивается 30% энергии АТФ от общего количества в клетке.
Цель ионного мембранного транспорта - поддержание разности концентраций ионов в цитоплазме и внешней среде. Действуя непрерывно и противоположно, компенсируя друг друга, пассивный и активный механизмы переноса ионов обеспечивают поддержание динамического концентрационного неравновесия, устойчивого во времени.
Мембранный потенциал покоя
Разность концентраций ионов - заряженных частиц - внутри клетки и снаружи обеспечивает разность зарядов цитоплазмы и внешней среды, а, следовательно, разность зарядов на внутренней и внешней поверхностях мембраны, что является условием возникновения мембранного потенциала. Потенциал покоя (ПП) - мембранный потенциал возбудимой клетки в невозбужденном состоянии. Он представляет собой разность электрических потенциалов, имеющихся на внутренней и наружной сторонах мембраны и составляет у теплокровных от -55 до -100 мВ. У нейронов и нервных волокон обычно составляет -70 мВ.
Так как заряд мембраны объясняется разностью концентраций ионов по обе стороны от неё, то и мембранный потенциал зависит от концентрации ионов в цитоплазме и межклеточной жидкости.
Для расчёта мембранного потенциала через концентрацию ионов используется уравнение Нернста.
Уравнение Нернста
Ф - мембранный потенциал покоя
R= 8,31 -универсальная газовая постоянная
Т - абсолютная температура
Z - заряд иона
F=96000 - постоянная Фарадея
Со - концентрация иона снаружи
Сi - концентрация ионов внутри
С помощью уравнения Нернста можно рассчитать равновесный трансмембранный потенциал для K + , который и определяет значение потенциала покоя. Но значение потенциала покоя полностью не совпадает с dф, так как в создании его участвуют также ионы натрия и хлора, вернее, их равновесные потенциалы.
Было доказано, что основной вклад в создание потенциала покоя вносит выходящий калиевый ток, который осуществляется через специфические белки-каналы - калиевые каналы постоянного тока. В покое калиевые каналы открыты, а натриевые каналы закрыты. Ионы калия выходят из клетки по градиенту концентрации, что создает на наружной стороне мембраны избыток положительных зарядов; при этом на внутренней стороне мембраны остаются отрицательные заряды. Некоторый (небольшой) вклад в создание потенциала покоя вносит также работа так называемого "натрий-калиевого насоса", который образован особым мембранным ферментом - натрий-калиевой АТФазой.
Потенциал покоя для большинства нейронов составляет величину порядка?60 мВ - ?70 мВ. У клеток невозбудимых тканей на мембране также имеется разность потенциалов, разная для клеток разных тканей и организмов.
Формирование потенциала покоя
Первый этап: создание незначительной (-10 мВ) отрицательности внутри клетки за счёт неравного асимметричного обмена Na + на K + в соотношении 3:2. В результате этого клетку покидает больше положительных зарядов с натрием, чем возвращается в неё с калием. Такая особенность работы натрий-калиевого насоса, осуществляющего взаимообмен этих ионов через мембрану с затратами энергии АТФ, обеспечивает его электрогенность.
Результаты деятельности мембранных ионных насосов-обменников на первом этапе формирования ПП таковы:
1. Дефицит ионов натрия (Na +) в клетке.
2. Избыток ионов калия (K +) в клетке.
3. Появление на мембране слабого электрического потенциала (-10 мВ).
Второй этап: создание значительной (-60 мВ) отрицательности внутри клетки за счёт утечки из неё через мембрану ионов K + . Ионы калия K + покидают клетку и уносят с собой из неё положительные заряды, доводя отрицательность до -70 мВ.
Итак, мембранный потенциал покоя - это дефицит положительных электрических зарядов внутри клетки, возникающий за счёт утечки из неё положительных ионов калия и электрогенного действия натрий-калиевого насоса.
Для образования МПП необходимо наличие: 1) ионных трансмембранных градиентов между цитозолем и внеклеточной средой (ведущую роль играют ионы натрия и калия); 2) разной проницаемости мембраны для ионов, что определяется ионными каналами мембраны.
Величины градиентов: К + в цитозоле клетки примерно в 33 раза больше, чем во внеклеточной среде; Na + в клетке примерно в 14 раз, С1 _ в 20 раз и Са 2+ в десятки тысяч раз меньше, чем во внеклеточной среде.
Механизмы образования градиентов: калий-натриевый насос образует градиенты Na + и К + (рис. 1.2.3). Градиент С1~ создается в результате использования энергии градиента К + при их совместном транспорте из клетки, а также в результате его обмена на гидрокарбонат с помощью анионообменника CI/HCO3. Ионы активно удаляются из клетки с помощью Са 2+ -насоса и ионообмена на Na + .
Рис. 1.2.3. Калий-натриевый насос в клеточной мембране. Используя энергию фосфатной группы одной молекулы АТФ, насос переносит против градиента концентрации два иона К + из внеклеточной жидкости в цитозоль клетки и три иона Na + в противоположном направлении
Различная проницаемость мембраны для ионов определена наличием ионных каналов, их числом и состоянием.
Ионные каналы - интегральные белки мембраны, состоящие из нескольких субъединиц, образующих отверстие (пору) и способные с большей или меньшей избирательностью (селективностью) пропустить в клетку или из клетки неорганические ионы по концентрационному и электрическому градиентам (рис. 1.2.4).
Рис. 1.2.4.
а - каналы утечки без воротного механизма; б-г - каналы с воротным механизмом: б - канал закрыт, потенциально активен, в - канал открыт, г - канал закрыт, инактивирован; д - липидный бислой мембраны; 1 - селективный фильтр;
2 - активационные ворота; 3 - инактивационные ворота
В канале имеется участок, выполняющий роль «селективного фильтра» (d = 0,3-0,6 нм), через который ион может пройти после частичной или полной утраты своей водной оболочки. Через ионный канал в течение 1 с может проходить до 20 млн ионов, поэтому ионные токи каналов во много раз превосходят ионные токи, связанные с работой ионных насосов и ионообменников
Существует несколько видов ионных каналов. Каналы имеют воротный механизм, который определяет закрытое (потенциально активное), открытое (активированное) или закрытое (инактивированное) состояние канала. Проницаемость канала (состояние «ворот») регулируется: 1) изменением поляризации мембраны (по- тенциалуправляемые каналы); 2) влиянием химических веществ - нейромедиаторов, гормонов, лекарственных средств (хемоуправля- емые каналы); 3) деформацией мембраны (механочувствительные каналы).
Потенциалуправляемые каналы (натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные) находятся в возбудимых клетках. Они имеют воротную «частицу» (сенсор канала) в виде диполя, на концах которого располагаются разноименные заряды. По времени срабатывания ворот (от миллисекунд до секунд) каналы подразделяют на быстрые и медленные. Те участки мембраны возбудимых клеток, которые имеют такие каналы, называются возбудимыми мембранами (только в них возможно образование потенциала действия).
Хемоуправляемые каналы («канал-рецептор», «ионотропный рецептор») находятся в составе рецептора, на который действуют биоактивные вещества: нейромедиаторы - ацетилхолин, ГАМК, глутамат и др., гормоны, лекарственные средства (например, М-холи- норецептор, ГАМК А -рецептор и др.).
Механочувствительные каналы (МЧК) изменяют проводимость в ответ на деформацию мембраны при действии механических раздражителей, гидростатического и осмотического давления. Выделены различные виды МЧК: каналы, активируемые и ингибируемые растяжением мембраны; катионные (калиевые, кальциевые, неселективные), анионные каналы и др. Они могут создавать токи, достаточные для изменения электрического потенциала мембраны и активации потенциалуправляемых каналов.
В состоянии физиологического покоя проницаемость мембраны (Р) определяется в основном каналами утечки. Она очень низкая для Na + , средняя для С1 _ и более высокая для К + . Если P R+ принять
за единицу, то Р к+ : Р сг: P Na+ = 1: 0,4: 0,04.
Механизмы возникновения мембранного потенциала покоя. Диффузия К + из клетки по каналам утечки до равновесного потенциала (Е к+ = -94 мВ) является главным механизмом формирования МПП
(К + как поляризующий ион). Равновесный потенциал (Е ион) для К + - потенциал, при котором возникает равенство двух сил: силы перемещения иона по химическому градиенту и противоположной по направлению электростатической силы. При равенстве этих сил прекращается диффузия иона. Диффузия К + из клетки по электростатической силе (разность зарядов) увлекает за собой цитозольные анионы (белки, фосфаты), которые останавливаются около внутренней поверхности непроницаемой для них клеточной мембраны, образуя отрицательный мембранный потенциал.
Асимметричная работа калий-натриевого насоса (на 2 иона К + , перемещаемого в клетку, из нее выводится 3 иона Na +) создает поляризацию мембраны (около -10 мВ) и является вторым механизмом образования МПП (см. рис. 1.2.3).
Небольшая диффузия Na + по каналам утечки внутрь клетки (E Na+ = +60 мВ) делает реальный МПП несколько ниже, чем Е к+
(Na + как деполяризующий ион).
Функциональная роль МПП. Отрицательный мембранный потенциал и преимущественно внеклеточное расположение ионов натрия создает большую электродвижущую силу для Na + , направленную на движение этого катиона внутрь клетки. При открытых Na + -Ka- налах эта сила определяет выдающуюся роль Na + в развитии биопотенциалов (фазы деполяризации). В деятельности транспортеров и ионообменников возбудимых и невозбудимых клеток она позволяет осуществить вторично-активный транспорт: электродвижущая сила Na + используется для перемещения в клетку аминокислот и глюкозы, или выведения из клетки ионов кальция и водорода.
Препотенциал и критический уровень деполяризации. Главный потенциал возбудимых клеток - потенциал действия (ПД). Раздражителем при этом в естественных условиях служат биопотенциалы (рецепторные, синаптические) и их биотоки, которые деполяризуют мембрану, имеющую потенциалуправляемые ионные каналы. ПД возникает, если раздражитель способен деполяризовать мембрану до критического уровня (примерно на 15-20 мВ). Если деполяризация при действии раздражителя не достигает критического уровня, т.е. раздражитель является субпороговым, ПД не возникает, а образуется препотенциал.
Препотенциал (локальный ответ) - локальный потенциал, возникающий при действии субпороговых раздражителей в тех же участках мембраны, где и потенциал действия (т.е. имеющих потенциалуправляемые каналы). Препотенциал расположен в субпороговой области (между МПП и критическим уровнем деполяризации), имеет фазы деполяризации и реполяризации (рис. 1.2.5).
Механизмы возникновения препотенциала. При действии субпорогового раздражителя возникает деполяризация, связанная с открытием потенциалуправляемых 1Ча + -каналов и входящим в клетку Na + -TOKOM, который не достигает критического уровня деполяризации. Деполяризация открывает также и более медленные потенциалуправляемые К + -каналы, что увеличивает выходящий из клетки К + -ток и вызывает затем фазу реполяризации. Во время препотенциала входящий в клетку Na + -TOK меньше, чем выходящий из клетки К + -ток через потенциалуправляемые каналы и К + -каналы утечки. Поэтому после прекращения действия субпорогового раздражителя препотенциал исчезает.
Рис. 1.2.5. Схема локального ответа (препотенциала) и потенциала действия: 7 - деполяризация; 2 - реполяризация
Свойства препотенциала. Амплитуда препотенциала находится в прямой зависимости от силы раздражителя, он возникает в соответствии с законом «силы» (его амплитуда пропорциональна силе раздражителя). Препотенциалы способны к суммации, если промежутки между раздражителями короче, чем продолжительность существования препотенциала - новый препотенциал будет суммироваться с предыдущим. Следовательно, высокочастотные субпороговые раздражители могут деполяризовать мембрану до критического уровня и вызвать ПД. Во время препотенциала повышена возбудимость. Распространение препотенциала происходит с затуханием амплитуды на небольшие расстояния (обычно в пределах 1 мм).
Критический уровень деполяризации (КУД, или критический потенциал - Е кр) - тот уровень, при котором деполяризация мембраны может принимать регенеративный (самоусиливающийся) характер, свидетельствующий о развитии потенциала действия. При этом входящий в клетку Na + -TOK равен выходящему из клетки К + - току, что характеризует электрическую нестабильность мембраны - в равной степени процесс может идти как в сторону деполяризации и образования ПД, так и в сторону реполяризации и ограничиться препотенциалом. Раздражитель, деполяризующий МПП до КУД, называется пороговым раздражителем. Величина потенциала, равная разности между КУД и МПП, называется пороговым потенциалом (ПП = МПП - КУД), он характеризует возбудимость клетки (чем меньше ПП, тем больше возбудимость, и наоборот)
Na + /K + насос или Na + /K + АТФ-аза это тоже, как и ионные каналы комплекс интегральных мембранных белков, которые могут не просто открыть путь для перехода иона по градиенту, а активно перемещать ионы против градиента концентрации. Механизм работы насоса представлен на рисунке 8.
Белковый комплекс в состоянии Е1, в этом состоянии насос чувствителен к ионам натрия и с цитоплазматической стороны с ферментом связываются 3 иона натрия
После связывание ионов натрия происходит гидролиз АТФ и выделяется энергия, необходимая для переноса ионов против градиента концентрации, освобождается АДФ неорганический фосфат (именно поэтому насос и называют Na + /K + АТФ-азой).
Насос меняет конформацию и переходит в состояние Е2. При этом места связывания ионов натрия оказываются обращенными наружу. В этом состоянии насос обладает низким сродством к натрию и ионы освобождаются во внеклеточную среду.
В конформации Е2 фермент обладает высоким сродством к калию и связывает 2 иона.
Происходит перенос калия, освобождение его во внутриклеточную среду и присоединение молекулы АТФ – насос вернулся в конформацию Е1, вновь приобрел сродство к ионам натрия и включается в новый цикл.
Рисунок 8 Механизм работы Na + /K + АТФ-азы
Обратите внимание на то, что Na + /K + насос переносит 3 иона натрия из клетки в обмен на 2 иона калия. Поэтому насос является электрогенным : суммарно за один цикл из клетки удаляется один положительный заряд. Транспортный белок выполняет от 150 до 600 циклов в секунду. Поскольку работа насоса представляет собой многоступенчатую химическую реакцию, она, подобно всем химическим реакциям, в значительной степени зависит от температуры. Другой характеристикой насоса является наличие уровня насыщения, это означает, что скорость работы насоса не может возрастать бесконечно при повышении концентрации транспортируемых ионов. В отличие от этого поток пассивно диффундирующего вещества растет пропорционально разности концентраций.
Помимо Na + /K + насоса мембрана содержит еще кальциевый насос, этот насос откачивает ионы кальция из клетки. Кальциевый насос присутствует с очень высокой плотностью в саркоплазматическом ретикулуме мышечных клеток. Цистерны ретикулюма накапливают ионы кальция в результате расщепления молекулы АТФ.
Итак,
результатом работы Na + /K + насоса
является трансмембранная разность
концентраций натрия и калия.
Выучите значения концентрация натрия,
калия и хлора (ммоль/л) вне и внутри
клетки!
Концентрация ионов внутри и вне клетки
Итак, есть два факта, которые необходимо учесть, чтобы понять механизмы, поддерживающие мембранный потенциал покоя.
1 . Концентрация ионов калия в клетке значительно выше, чем во внеклеточной среде. 2 . Мембрана в покое избирательно проницаема для К + , а для Nа + проницаемость мембраны в покое незначительна. Если принять проницаемость для калия за 1, то проницаемость для натрия в покое составит лишь 0,04. Следовательно, существует постоянный поток ионов К + из цитоплазмы по градиенту концентрации . Калиевый ток из цитоплазмы создает относительный дефицит положительных зарядов на внутренней поверхности, для анионов клеточная мембрана непроницаема в результате цитоплазма клетки оказывается заряженной отрицательно по отношению к окружающей клетку среде. Эта разность потенциалов между клеткой и внеклеточным пространством, поляризация клетки, называется мембранным потенциалом покоя (МПП).
Возникает вопрос: почему же ток ионов калия не продолжается до уравновешивания концентраций иона вне и внутри клетки? Следует вспомнить о том, это заряженная частица, следовательно, ее движение зависит и от заряда мембраны. Внутриклеточный отрицательный заряд, который создается благодаря току ионов калия из клетки, препятствует выходу из клетки новых ионов калия. Поток ионов калия прекращается, когда действие электрического поля компенсирует движение иона по градиенту концентрации. Следовательно, для данной разности концентраций ионов на мембране формируется так называемый РАВНОВЕСНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ для калия. Этот потенциал (Ek) равен RT/nF *ln Kснаружи/Kвнутри, (n – валентность иона.) или
Ek =61,5 log K снаружи / K внутри
Мембранный потенциал (МП) в большой степени зависит от равновесного потенциала калия, однако, часть ионов натрия все же проникает в покоящуюся клетку, так же, как и ионы хлора. Таким образом, отрицательный заряд, который имеет мембрана клетки, зависит от равновесных потенциалов натрия, калия и хлора и описывается уравнением Нернста. Наличие этого мембранного потенциала покоя чрезвычайно важно, потому, что именно он определяет способность клетки к возбуждению - специфическому ответу на раздражитель.
