Читайте также:
|
У всех живых клеток в покое плазматическая мембрана электрически поляризована, т.е. имеет разный электрический потенциал наружной и внутренней поверхностей. Это легко доказывается введением микроэлектрода, соединенного с усилителем и регистратором (осциллографом) внутрь клетки. Как только микроэлектрод проникает внутрь клетки, на экране осциллографа наблюдается скачок потенциала – от 0 до -70-80 мВ (по отношению к наружному электроду, расположенному в окружающей клетку жидкости). Эту величину называют мембранным потенциалом покоя или просто потенциалом покоя (ПП).
Происхождение потенциала покоя.
Впервые В.Ю.Чаговец (1896 г) высказал предположение об ионном механизме биопотенциалов в живых клетках и применил для их объяснения теорию электролитической диссоциации Аррениуса. Ю.Бернштейн (1902 г) развил мембранно-ионную теорию происхождения биопотенциалов, которую затем модифицировали и экспериментально доказали Ходжкин, Хаксли и Катц (1949-1952 гг). В настоящее время эта теория пользуется всеобщим признанием. Согласно ей в происхождении потенциала покоя играют принципиальную роль 2 фактора:
1) избирательная проницаемость цитоплазматической мембраны;
2) ионная асимметрия между внутри- и внеклеточным пространствами.
В покое мембрана проницаема для ионов К+ и Cl-, мало проницаема для ионов Na+ и непроницаема для других анионов.
Внутри клетки ионов К+ содержится в 30-50 раз больше, чем снаружи; ионов Na+ снаружи больше примерно в 10 раз, чем внутри; ионов Cl- снаружи также больше примерно в 15 раз, чем внутри. Создаёт и поддерживает трансмембранный градиент концентраций Na+ и К+ особое молекулярное устройство, называемое натрий-калиевым насосом. Снаружи и внутри мембраны находится водная среда.
Таким образом, в формировании ПП участвуют следующие процессы:
1) активное движение ионов (с затратой энергии) против концентрационных градиентов с помощью натрий-калиевого насоса;
2) пассивная (без затраты энергии) диффузия ионов К+ по концентрационному (химическому) градиенту наружу клетки;
3) пассивная диффузия ионов по электрическому градиенту.
Все эти процессы тесно связаны между собой, а их разделение имеет определённую условность.
Ионы К+ вследствие их большой концентрации внутри клетки и большой проницаемости мембраны для них будут диффундировать под влиянием диффузионного давления из клетки на наружную поверхность мембраны. Ионы Cl- и Na+ диффундируют внутрь клетки. Проницаемость мембраны для К+, Na+ и Cl- в покое соответственно составляет 1:0,04:0,45. Внутри клетки, кроме ионов Cl-, находятся анионы различных органических кислот (глутаминовой, аспарагиновой и т.д.). Благодаря силам взаимного притяжения заряды удерживаются на наружной и внутренней поверхностях мембраны, поляризуя её, т.е. образуя два полюса: снаружи – положительный, внутри – отрицательный.
Диффузия ионов идёт постоянно, но она ограничивается силами электростатического взаимодействия. По мере выхода ионови калия из клетки сила диффузионного давления становится равной силе электростатического притяжения. В результате этого возникает состояние, когда число ионов калия, выходящих из клетки по химическому градиенту, равно числу ионов калия, входящих в клетку по электрическому градиенту. Трансмембранный потенциал, который устанавливается при этом, называется диффузионнным равновесным потенциалом для данного иона и обозначается буквой «Е», Равновесный потенциал для любого иона может быть рассчитан по формуле Нернста:
где Е - потенциал;
R - универсальная газовая постоянная, т.е кинетическая энергия 1 моля ионов при абсолютной температуре, равной 1о по Кельвину;
Т - абсолютная температура; n - валентность иона;
F - число Фарадея (заряд 1 моля одновалентных ионов);
Cнар. - концентрация ионов снаружи мембраны;
Свн. - концентрация ионов внутри клетки.
Установлено, что равновесие для ионов К+ в мышечном волокне теплокровных животных устанавливается при соотношении:
,при этом Е К+ = -95 мВ;
для ионов Cl- при:
, при этом Е Cl- = -90 мВ.
Измерения в опыте потенциала покоя поперечно-полосатого мышечного волокна показало, что он равен -90 мВ, т.е. близок к Е К+.
В аксоне кальмара он равен -70 мВ (а по формуле Нернста Е К+ = -75 мВ, т.е. тоже близок к измеренному в опыте).
Если рассчитать по формуле Нернста потенциал в аксоне кальмара для Cl-, то он будет равен -90 мВ, т.е. он далёк от фактического потенциала, измеренного в опыте. Проницаемость мембраны для Cl- в нервных волокнах мала, и поэтому Cl- не играет существенной роли в генезе потенциала покоя. В скелетных мышечных волокнах проницаемость для Cl- сравнима с калиевой, и поэтому диффузия Cl- внутрь клетки увеличивает потенциал покоя. Аналогичная картина наблюдается для большинства клеток. Поэтому можно сделать заключение, что потенциал покоя обязан своим происхождением ионам К+, т.е. это калиевый равновесный потенциал.
Незначительное расхождение между величинами потенциала покоя, измеренными в опыте и рассчитанными по формуле Нернста, состоит в том, что в покое мембрана в небольшой степени проницаема для ионов Na+, и эти ионы, входящие внутрь клетки, уменьшают фактическое значение потенциала покоя. Поскольку мембрана тонкая потенциал покоя создаёт сильное электрическое поле напряженностью порядка 10 кВ/см.
Экспериментальное доказательство правильности такой точки зрения привели Ходжкин и Хаксли: они заменили аксоплазму в гигантском аксоне кальмара (диаметр 0,5-1,0 мм) на раствор КСl аналогичной концентрации, и в аксоне регистрировался потенциал покоя примерно такой же величины, как и в нативном нервном волокне.
Функцией мембранного потенциала покоя является действие электрического поля на макромолекулы мембраны, при этом заряженные группы этих молекул получают определенную пространственную ориентацию, и таким образом, например, обеспечивается закрытое состояние активационных ворот натриевых каналов и открытое состояние их инактивационных ворот. Этим самым обеспечивается состояние покоя и готовность к возбуждению. При дальнейшем местном возбуждении будет использоваться эта энергия, накопленная в потенциале покоя.
Механизм активного транспорта ионов: натрий-калиевый насос.
В живой клетке имеется два типа движения ионов через мембрану. Один из них осуществляется по градиенту концентрации ионов и не требует затраты энергии, поэтому его называют пассивным ионным транспортом. Он ответственен за возникновение потенциала покоя и потенциала действия и, если бы в клеточной мембране не существовало особого молекулярного устройства – натрий-калиевого насоса, то в конечном итоге концентрация ионов по обе стороны мембраны выровнялись.
Второй тип движения ионов через мембрану осуществляется против концентрационного градиента и состоит в «выкачивании» ионов натрия из цитоплазмы и «нагнетании» ионов калия внутрь клетки. Его называют активным ионным транспортом. Он ответственен за поддержание постоянства разности концентраций ионов между цитоплазмой и межтканевой жидкостью. Этот активный транспорт – результат работы натрий-калиевого насоса. Этот тип ионного транспорта возможен только при условии затраты энергии клеточного обмена веществ. Непосредственным источником энергии для этой работы является АТФ. Расщепление АТФ производится ферментом Na+-К+-АТФ-азой, локализованной в поверхностной мембране клетки. При расщеплении одной молекулы АТФ насос выводит из клетки три иона натрия взамен вводимых внутрь двух ионов калия. Это говорит об электрогенности насоса: он создаёт на мембране разность потенциалов, суммирующуюся с потенциалом покоя.
Если отношение между ионами было бы 2:2, то насос был бы электронейтрален. Вклад насоса в величину потенциала покоя у различных клеток разный: он существенен (до 25% от полной величины ПП) в гладких мышцах, в гигантских нейронах моллюсков, но незначителен в нервных волокнах кальмара.
Нарушают работу насоса следующие факторы:
1) нарушение кровоснабжения тканей, что приводит к ослаблению процесса синтеза АТФ;
2) торможение активности АТФ-азы (сердечные гликозиды).
При угнетении работы натрий-калиевого насоса калий накапливается снаружи клетки и вызывает деполяризацию мембраны. При продолжающейся блокаде насоса трансмембранная разность концентраций калия уменьшается в значительной степени, что приводит к прекращению генерации потенциала действия.
Таким образом, в формировании ПП натрий-калиевый насос имеет следующее значение:
1) поддерживает трансмембранный градиент концентраций Na+ и К+;
2) создаёт разность потенциалов, суммирующуюся с потенциалом, обусловленным диффузией калия по концентрационному градиенту.
Дата добавления: 2014-11-24; просмотров: 156 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |
|