Глава 1. Основы клеточной физиологии 13

Рис. 1.5. А. Схема белка, образующего калиевый канал, погруженный в липидный бислой плазматической мембраны. Четыре отрицательных заряда зафиксированы на «стенке» канала. Б. Схематический энергетический профиль канала, показанного на рис. А. По оси ординат отложены Величины кинетической энергии, необходимые для прохождения канала; по оси абсцисс расстояния между внутренней и наружной поверхностями мембраны. Энергетические минимумы соответствуют местам саязывания положительно заряженных ионов с фиксированными отрицательными зарядами в стенке канала. Энергетические максимумы соответствуют препятствиям диффузии в канале. Предполагается, что конформация канального белка спонтанно осциллирует; варианты энергетических профилей изображены сплошными и штриховыми линиями; эти осцилляции в значительной степени облегчают связывание ионов при преодолении энергетического барьера (по [14] с изменениями)

нат представлены уровни энергии иона в местах связывания канала; пик на графике представляет барьер проницаемости, который энергия иона должна превосходить для проникновения через канал, а «провал» графика - сравнительно стабильное состояние (связывание). Несмотря на препятствие в виде энергетического пика, ион может проникнуть через канал, если энергетический профиль спонтан-

но циклически меняется; ион, таким образом, может внезапно оказаться «по ту сторону» энергетического пика и может продолжить движение в клетку. В зависимости от заряда, размеров и степени гидратации иона и его способности связываться со структурами стенок канала энергетический профиль канала варьирует для различных ионов, чем может объясняться избирательность отдельных типов каналов.

Диффузионное равновесие ионов. Диффузия различных ионов через мембранные каналы должна была бы привести к устранению различий в концентрациях между вне- и внутриклеточной средами. Как, однако, видно из табл. 1.1, такие различия сохраняются, следовательно, должно существовать некое равновесие между диффузией и другими процессами транспорта через мембрану. Следующие два раздела касаются тех путей, с помощью которых такое равновесие устанавливается. В случае ионов на диффузионное равновесие влияет их заряд. Диффузия незаряженных молекул обеспечивается разностью концентраций dc, и, когда концентрации уравниваются, собственно транспорт прекращается. На заряженные частицы дополнительно влияет электрическое поле. Например, когда ион калия выходит из клетки по градиенту своей концентрации, он несет один положительный заряд. Таким образом, внутриклеточная среда становится более отрицательно заряженной, в результате чего на мембране возникает разность потенциалов. Внутриклеточный отрицательный заряд препятствует выходу из клетки новых ионов калия, а те ионы, которые все же выйдут из клетки, еще больше увеличат заряд на мембране. Поток ионов калия прекращается, когда действие электрического поля компенсирует диффузионное давление вследствие разности концентраций. Ионы продолжают проходить через мембрану, но в равных количествах в обоих направлениях. Следовательно, для данной разности концентраций ионов на мембране существует равновесный потенциал E_ion , при котором поток ионов через мембрану прекращается. Равновесный потенциал может быть легко определен с помощью уравнения Нернста:

(4)

где R - газовая постоянная, Τ-абсолютная температура, z - валентность иона (отрицательная для анионов), a F - число Фарадея. Если подставить в уравнение константы, то при температуре тела (Т = 310К) равновесный потенциал для ионов калия Е_к равен:

(5)

14 ЧАСТЬ I. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ

Действительно, было обнаружено, что все клетки имеют мембранный потенциал; в мышечных клетках млекопитающих его уровень составляет около — 90 мВ. В зависимости от условий и относительных концентраций ионов клетки могут иметь мембранный потенциал в пределах от —40 до —120 мВ. Для клетки в приведенном выше примере (табл. 1.1) потенциал покоя, равный примерно —90 мВ, показывает, что потоки ионов калия через мембранные каналы находятся приблизительно в равновесии. Это неудивительно, поскольку в покоящейся мембране открытое состояние калиевых каналов наиболее вероятно, т.е. мембрана наиболее проницаема для ионов калия. Мембранный потенциал, однако, определяется потоками и других ионов.

Легкость, с которой незаряженные частицы могут диффундировать через мембрану, количественно представлена в уравнении (3). Проницаемость для заряженных частиц описывается несколько более сложным уравнением:

(6)

где μ - подвижность иона в мембране, d - толщина мембраны, a R, Τ и F- известные термодинамические постоянные. Определенные таким образом значения проницаемости для различных ионов могут быть использованы для расчета мембранного потенциала Е_т, когда ионы калия, натрия и хлора проходят через мембрану одновременно (с проницаемостью Р_K, P_Na и Р_Cl, соответственно). При этом предполагается, что потенциал падает в мембране равномерно, так что напряженность поля постоянна. В этом случае применяется уравнение Голдмана, или уравнение постоянного поля [6, 12]:

(7)

Для большинства клеточных мембран Р_K приблизительно в 30 раз выше, чем P_Na (см. также разд. 1.3). Относительная величина Р_С1 сильно варьирует; для многих мембран Р_С1 мала по сравнению с Р_к, однако для других (например, в скелетных мышцах) Р_Cl значительно выше, чем Р_к.

Активный транспорт, натриевый насос. В предыдущем разделе описаны пассивная диффузия ионов и образующийся вследствие этого мембранный потенциал при заданных внутри- и внеклеточных концентрациях ионов. Однако в результате этого процесса концентрация ионов внутри клетки стабилизируется не автоматически, поскольку мембранный

потенциал несколько более электроотрицателен, чем Е_к, и намного - по сравнению с E_Na (около +60 мВ). Благодаря диффузии внутриклеточные концентрации ионов, по крайней мере калия и натрия, должны уравниваться с внеклеточными. Стабильность градиента ионов достигается посредством активного транспорта: мембранные белки переносят ионы через мембрану против электрического и (или) концентрационного градиентов, потребляя для этого метаболическую энергию. Наиболее важный процесс активного транспорта - это работа Na/K-насоса, существующего практически во всех клетках; насос выкачивает ионы натрия из клетки, одновременно накачивая ионы калия внутрь клетки. Таким образом обеспечивается низкая внутриклеточная концентрация ионов натрия и высокая - калия (табл. 1.1). Градиент концентрации ионов натрия на мембране имеет специфические функции, связанные с передачей информации в виде электрических импульсов (см. разд. 2.2), а также с поддержанием других активных транспортных механизмов и регулирования объема клетки (см. ниже). Поэтому неудивительно, что более 1/3 энергии, потребляемой клеткой, расходуется на Na/К-насос, а в некоторых наиболее активных клетках на его работу расходуется до 70% энергии [1, 11].

Na/К-транспортный белок представляет собой АТФазу. На внутренней поверхности мембраны она расщепляет АТФ на АДФ и фосфат (рис. 1.6). На транспортировку трех ионов натрия из клетки и одновременно двух ионов калия в клетку используется энергия одной молекулы АТФ, т. е. суммарно за один цикл из клетки удаляется один положительный заряд. Таким образом, Na/К-насос является электрогеиным (создает электрический ток через мембрану), что приводит к увеличению электроотрицательности мембранного потенциала приблизительно на 10 мВ. Транспортный белок выполняет эту операцию с высокой скоростью: от 150 до 600 ионов натрия в секунду. Аминокислотная последовательность транспортного белка известна, однако еще не ясен механизм этого сложного обменного транспорта. Данный процесс описывают с использованием энергетических профилей переноса белками ионов натрия или калия (рис. 1.5, Б). По характеру изменения этих профилей, связанных с постоянными изменениями конформации транспортного белка (процесс, требующий затраты энергии), можно судить о стехиометрии обмена: два иона калия обмениваются на три иона натрия.

Na/К-насос, как и изолированная Na⁺/К⁺-зависимая мембранная АТФаза, специфически ингибируется сердечным гликозидом уабаином (строфантином). Поскольку работа Na/К-насоса представляет собой многоступенчатую химическую реакцию, она, подобно всем химическим реакциям, в значительной степени зависит от температуры, что проде-