27.Значимость ионных градиентов

При первично – активном транспорте молекулярной системы, интегрированные в мембраны, трансформируют энергию химических связей органических молекул в энергию электрохимических градиентов ионов. Этот вид свободной энергии, в свою очередь, может быть использован другими переносчиками для транспорта веществ или ионов против их концентрационных градиентов. Это вторично – активный транспорт. Na – Ca – обмен. Na – Ca – обменный переносчик может функционировать в двух режимах:

1). Вход трех Na⁺ в обмен на выход Ca²⁺. 2). При снижении электрохимического градиента – выход Na в обмен на Ca.

Транспорт глюкозы. Белок – переносчик использует для работы энергию электрохимического градиента ионов Na. Na проникает в клетку по электрохимическому градиенту, что осуществляет переносчик, транспортируя вместе с ним глюкозу. Чем выше электрохимический градиент Na⁺ , тем выше скорость транспорта глюкозы. Аминокислоты переносятся как глюкоза.

28. Мембранный потенциал.

Одна из важнейших функций биологической мембраны – генерация и передача биопотенциалов. Это явление лежит в основе возбудимости клеток, регуляции внутриклеточных процессов, работы нервной системы, регуляции мышечного сокращения, рецепции. В процессе жизнедеятельности в клетках и тканях могут возникать разности электрических потенциалов:

1). Окислительно – восстановительный потенциал – вследствие переноса электрона от одних молекул к другим.

2). Мембранные – вследствие градиента концентрации ионов и переноса ионов через мембрану. Биопотенциалы, регистрируемые в организме – это в основном мембранные потенциалы – разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностями мембраны. ∆φ_м = φ_вн – φ_нар . Гигантский аксон кальмара, диаметром 0,5мм. Можно ввести микроэлектрод не нанося повреждений. Микроэлектрод стеклянный – микропипетка с тонким кончиком. Металлический электрод не может проколоть мембрану. Для исключения поляризации электрода используют неполяризационные электроды – серебряная проволока покрытая AgCl, в растворе KCl или NaCl (заполняют электрод). Второй электрод (сравнение) расположен у наружной поверхности клетки. Регистрирующее устройство (с усилителем постоянного тока) измеряет мембранный потенциал.

29. Возникновение потенциала покоя.

Потенциал покоя – стационарная разность электрических потенциалов, регистрируемая между внутренними и наружными мембранами в невозбужденном состоянии. Потенциал покоя определяется разной концентрацией ионов по разные стороны мембраны и диффузией ионов через мембрану. Если концентрация иона внутри клетки отлична от концентрации его снаружи и мембрана проницаема для этого иона, возникает поток заряженных частиц через мембрану, вследствие чего нарушается электрическая нейтральность системы, образуется разность потенциалов внутри и снаружи клетки, который будет препятствовать дальнейшему перемещению ионов через мембрану. При установлении равновесия выравниваются значения. Электрохимический потенциал по разные стороны мембраны: μ_вн = μ_нар  = 0 + RTlnC + ZF , RTlnC_вн + ZF_вн =RTlnC_нар + ZF_нар. Уравнение Нернста: (для равновесия мембранного потенциала). ^р _м =_вн - _нар = - RT/ ZF lnC_вн/ C_нар. Гипотеза Бернштейна: причина мембранного потенциала полная диффузия ионов K из клетки наружу. Уравнение Гольдмана: _м = - RT/F ln((P_k[K⁺]_вн + P_Na[Na⁺]_нар + P_Cl[Cl^-]_нар)/( P_k[K⁺]_нар + P_Na[Na⁺]_вн + P_Cl[Cl^-]_вн)). P – проницаемость мембраны. У клеток поверхностная мембрана в покое электрически поляризована. В этом можно убедиться, введя внутрь клетки микроэлектрод, соединенный с электрорегистрирующей установкой. Как только кончик микроэлектрода попадает внутрь клетки, он мгновенно (скачком) приобретает некоторый постоянный электроотрицательный потенциал по отношению к электроду, расположенному в окружающей клетку жидкости Величина разности этих потенциалов у нервных клеток и волокон, например гигантских нервных волокон кальмара, составляет около - 70 мВ. Эту величину называют мембранным потенциалом покоя (МПП). Во всех точках аксоплазмы этот потенциал практически одинаков. Бернштейн выдвинул гипотезу, согласно которой клеточная мембрана пропускает внутрь клетки ионы К+, и они накапливаются в цитоплазме. Расчет величины потенциала покоя по уравнению Нернста для калиевого электрода удовлетворительно совпал с измеренным потенциалом между саркоплазмой мышцы и окружающей средой, который составлял около — 70 мВ. Согласно теории Ю. Бернштейна, при возбуждении клетки ее мембрана повреждается, и ионы К+ вытекают из клетки по концентрационному градиенту до тех пор, пока потенциал мембраны не становится равным нулю. Затем мембрана восстанавливает свою целостность, и потенциал возвращается к уровню потенциала покоя. Это утверждение, относящееся скорее к потенциалу действия, было опровергнуто Ходжкином и Хаксли в 1939 году. Теорию Бернштейна касательно потенциала покоя подтвердил Кеннет Стюарт Коул. Общие положения. Для того, чтобы на мембране поддерживалась разность потенциалов необходимо определенное содержание различных ионов внутри и снаружи клетки. С помощью уравнения Нернста можно рассчитать равновесный трансмембранный потенциал для K+, который и определяет значение ПП. Перемещение К⁺ из клетки наружу при отсутствии МП осуществляется по концентрационному градиенту этого иона, совершающему "осмотическую" работу. В силу возникающего мембранного потенциала ионы К⁺ возвращаются в клетку, т. е. совершается "электрическая работа": A_эл.= QE=nFE, где Q - количество электричества, n - валентность, F - число Фарадея, заряд моля одновалентных ионов (96500 Кл/гр • экв), Е - потенциал. По мере выхода ионов К⁺ растет А_эл. и несколько падает А_осм, в итоге достигается Е на мембране, при котором А_эл = А_осм.. Для иона К⁺, т. е. калиевый равновесный потенциал в упрощенной форме: E=58 lg [K]н/ [K]в (формула Нернста ∆ψ=RT/Flnc₁/c₂). Итоговая величина Е_м, создаваемого утечкой многих ионов, может быть достаточно точно рассчитана по формуле Гольдмана:

где Р - проницаемость мембраны для соответствующих ионов. Ее часто выражают в относительных величинах, принимая P_K+ за 1.

Рассмотренный ионный механизм формирует так называемый концентрационный потенциал (Е_конц.) - основную часть реального МПП. Но в естественных условиях в образовании МПП участвует еще один, добавочный механизм. Это так называемый прямой электрогенный эффект натрий-калиевого насоса. ионный насос работает, потребляя энергию АТФ, и его основным компонентом является мембранная К - Na-АТФаза. Насос не работает в бескалиевых средах и при потере внутриклеточного Na⁺. Прямой электрогенный эффект насоса состоит в дополнительной поляризации мембраны, получающейся при неравенстве числа (q) ионов Na⁺ и К⁺, переносимых в каждом цикле работы насоса. Только если эти числа равны, насос работает электронейтрально. Таким образом, реальный МПП складывается из Е_конц и E_нас.