Натриево-калиевый насос или помпа

Однако пассивные механизмы не позволяют понять причины сохранения ионной асимметрии на протяжении всей жизни клетки, кроме того, было замечено, что многие вещества проходят через мембрану против градиента концентрации. Естественно, что этот процесс протекает с затратой энергии. Поэтому, такой механизм переноса называется активным.Активный перенос всегда является избирательным. Он был обнаружен в 1955 году Ходжкиным и названкалий-натриевый насос.

Он обеспечивает "откачивание" ионов натрия из клетки и транспорт ионов калия внутрь ее. Осуществляется это с помощью белка-переносчика. Он захватывает в цитоплазме клетки 3 иона натрия и переносят их наружу, где ионы отщепляются и таким образом выводятся из клетки. На наружной поверхности к переносчику присоединяются 2 иона калия, которые закачиваются внутрь клетки.

Работа эта осуществляется с затратой энергии, источником которой является аденозинтрифосфат (АТФ). Распад АТФ происходит под действием фермента АТФ-азы, при этом выделяется энергия, которая используется в работе калий-натриевого насоса. При сдвигах трансмембранной концентрации ионов, активность К-Na-насоса может автоматически регулироваться. В регуляции особое значение имеет аденозинтрифосфатаза, которая активируется при увеличении концентрации натрия в цитоплазме и калия в межклеточной жидкости.

Работа насоса приводит к следующим результатам:

1) поддерживает высокую концентрацию ионов К⁺внутри клетки, обеспечивая тем самым постоянство величины потенциала покоя,

2) поддерживает низкую концентрацию ионов натрия внутри клетки,

3) поддерживая концентрационный градиент натрия, натрий-калиевый насос способствует сопряженному транспорту аминокислот и глюкозы через клеточную мембрану.

Таким образом ионная асимметрия обусловлена как избирательной проницаемостью мембраны в состоянии покоя, так и деятельностью К-Na-насоса. Эту величину можно рассчитать по формуле Гольдмана:

RTP_K[K]_Bн +P_Nа [Nа]_Bн+P_Cl[Cl]_H

Е_м=^{______ •} ln^{________________________________________________}, где

NFP_K[K]_Bн +P_Nа [Nа]_Bн+P_Cl[Cl]_H

P_K, P_Nа,P_Cl – проницаемость для ионов К,Nа,Cl,

вн, н – их внутренняя и наружная концентрация.

Изменение мембранного потенциала. Потенциал действия или токи действия

Биотоки наблюдаются не только при покое, но и при возбуждении тканей. Электрические процессы всегда сопровождают возбуждение и являются лучшим его критерием.

Впервые наличие биотоков при возбуждении было обнаружено Маттеучи в 1837 году в следующем опыте. Он брал 2 н.-м. препарата и нерв одного из них накладывал на мышцу другого, нерв которого раздражался электрическим током. при включении Эл. тока сокращалась не только раздражаемая мышца, но и другая. Этот факт объясняется тем, что при сокращении первой мышцы в ней возникают биотоки, сила которых достаточна для того, чтобы возбудить лежащий на ней нерв второго препарата и вызвать сокращение иннервируемой мышцы.

В 1954 году Мюллер и Кёлликер установили, что электрические явления сопровождают и деятельность сердца. Они накладывали на сокращающееся сердце теплокровного животного нерв н.-м. препарата икроножной мышцы лягушки и наблюдали, что при каждом сокращении сердца одновременно сокращается и мышца. Биотоки сердца возбуждают нерв, а он – мышцу.

В дальнейшем биотоки были обнаружены во всех возбудимых тканях при их деятельности. В 1800 году Герман назвал токи, сопровождающие процесс возбуждения, потенциалами или токами действия. Этот термин применяется и в наши дни, а токи действия считаются лучшим показателем возбуждения тканей.

Токи действия можно зарегистрировать.

Это делают микроэлектродным способом. Один электрод располагают на поверхности, а микроэлектрод вводят в клетку. При этом регистрация идет на фоне токов покоя или мембранного потенциала. Сразу после введения электрода внутрь клетки осциллограф регистрирует наличие потенциала покоя, который равен – 70 мв. Если после этого раздражать клетку надпороговым раздражителем, действующим рядом с внеклеточным электродом, то клетка возбуждается и осциллограф записывает кривую однофазного тока действия, которая отражает быстрое колебание мембранного потенциала. В момент возбуждения кривая круто поднимается вверх, доходит до 0 и затем превышает его. После этого возбуждение покидает точку воздействия и заряд мембраны восстанавливается до -70мв.

При этом регистрируется однофазный потенциал действия (рис.8). В кривой однофазного тока действия выделяют несколько частей. Восходящую часть кривой называютфазой деполяризации, поскольку она отражает процесс уменьшения и исчезновения исходной поляризации мембраны. Эта фаза протекает наиболее быстро. Вершину тока действия называютспайком.Нисходящее колено характеризует восстановление исходной поляризации мембраны и называютфазой реполяризации. В этой фазе различают 2 части –быстрой реполяризациис крутым падением кривой имедленной,когда восстановление мембранного потенциала замедляется, Эту часть нередко называютследовым отрицательным потенциалом. После него в некоторых тканях (безмякотных нервах) наблюдаетсяследовой положительный потенциал, увеличение заряда мембраны, еегиперполяризация.

Ионный механизм потенциала действия впервые попытался объяснить Ю. Берншетейн в 1912 году с позиции «теории прорыва ионного барьера». Согласно этой гипотезе, при действии раздражителя мембрана теряет свою избирательность и все ионы получают возможность двигаться по своим концентрационным градиентам: Na– в клетку, К – на поверхность. Их концентрация над и под мембраной выравнивается и мембранный потенциал в возбужденном участке исчезает. Это длиться очень короткое время, после чего мембранный потенциал полностью восстанавливается. По Бернштейну амплитуда токов действия равна величине мембранного потенциала.

Эта теория была распространена до микроэлектродных исследований Ходжкина и Катца (1949). В своих опытах на гигантских нервных волокнах кальмара ими было установлено, что токи действия имеют большую величину, чем токи покоя: МП при возбуждении не просто падает до 0, а изменяется на противоположный - наружная поверхность заряжается отрицательно по отношению к внутренней.

Ходжкиным, Хаксли, Катц (1952) впервые выдвинули теорию об индивидуальном участии различных ионов в формировании потенциала действия (рис.9).

Согласно этой теории потенциал действия имеет несколько фаз:

1) фазаградуальной деполяризации– это время от момента нанесения раздражителя до достижения уровня критической деполяризации, после чего развивается высокоамплитудная часть потенциала действия. Градуальная деполяризация характеризуется постепенным раскрытием натриевых каналов, медленным вхождением ионов натрия в клетку по концентрационному градиенту и постепенным снижением МП. Длительность первой фазы для нервной ткани - 0,00004 сек, для скелетной мышцы – 0,0001 сек. При снижении мембранного потенциала до Е_кр, происходит открытие всех натриевых каналов и развивается следующая фаза.

2) фаза быстрой деполяризации -это время развития пика от начала его возникновения до вершины. Открываются все натриевые каналы, и ионы натрия лавинообразно поступают внутрь клетки по концентрационному и электрохимическому градиенту. В эту фазу смещение мембранного потенциала протекает стремительно, он снижается и приобретает положительный заряд, достигающий величины +30-+40 мВ. Это называетсяпиком деполяризацииилиспайком.Амплитуда потенциала действия равна 100-120 мВ.

Длительность этой фазы для нерва равна приблизительно 0,001-0,002 сек, для мышцы – приблизительно 0,005 сек.

3) фаза реполяризации– определяется временем снижения мембранной поляризации до исходного уровня. Начинается в момент достижения заряда мембраны +30-+40мВ. В этот момент инактивируются натриевые каналы и активируются калиевые каналы. Проницаемость для ионов калия увеличивается и он начинает выходить из клетки. Этот период имеет два отрезка времени – относительно быстрое снижение поляризации мембраны(быстрой реполяризации), и последующее более медленное снижение поляризации клетки (медленная реполяризация), которое называетсяотрицательный следовой потенциал.Медленное снижение мембранной поляризации обусловлено включением в работу активных механизмов переноса ионов натрия и калия (калий-натриевый насос). Длительность третьей фазы для нерва равна 0,02-0,03 сек, для мышцы - приблизительно 0,05-0,1 сек.

4) фаза гиперполяризации (положительный следовой потенциал)– снижение поляризации клеточной мембраны ниже исходной величины. Гиперполяризация характерна для немиелинизированных нервных волокон. Ее связывают с временно увеличенной проницаемостью для ионов К⁺. Длительность следовой электроположительности для нерва приблизительно равна 0,1 сек, для мышцы – 0,25 сек и больше.

После гиперполяризации МП полностью нормализуется до исходных -70мВ. Подобные ПД наблюдаются в любой возбудимой системе, протекая с различной скоростью и занимая различное время. ПД развивается по закону «все или ничего».

Токи действияслужат одним из самых объективных критериев возбуждения, поэтому их регистрация используется для оценки работы многих органов: ЭКГ, ЭЭГ, электромиография и т.д. Токи действия нашли практическое применение в протезировании – в создании управляемых протезов.