24. Диффузия частиц через полупроницаемую мембрану. Коэффициент распределения, коэффициент проницаемости. Закон Фика для этого случая. Методы изучения проницаемости мембран.

Коэффициент распределения, коэффициент проницаемости

P = const β, где

Р - коэффициент проницаемости барьера (мембраны) для вещества;

β- коэффициент распределения вещества в системе липиды/вода.

Так как коэффициент проницаемости пропорционален коэффициенту распределения (абсорбции), скорость проникновения различных веществ через мембраны существенно различна: вещество тем легче проникает через клеточную мембрану, чем выше его растворимость в липидах. Однако неверно полагать, что между проницаемостью и растворимостью в липидах существует простая линейная связь. При достаточно высоких значения коэффициента β вещество накапливается в липидных мембранах и утрачивает способность покидать их. Таким образом, прослеживается следующая зависимость: с увеличением растворимости в липидах первоначально проницаемость барьера для веществ растет, но достигнув определенного уровня, вновь понижается.

В исследованиях Проницаемость биологических мембран — одной из важнейших проблем молекулярной биологии — большое значение имеют модельные мембраны: липидные монослои, искусственные двухслойные мембраны, многослойные замкнутые мембраны (липосомы) и т.п. Для изучения Проницаемость биологических мембран широко применяются электро-химические, физические и химические методы.

24. Транспорт электролитов. Электрохимический потенциал. Ионные каналы. Ионная селективность мембран.

25. Электродиффузионная теория, ее основные допущения. Диффузия заряженных частиц. Уравнение Теорелла. Уравнение Нернста - Планка.

26. Активный транспорт веществ через биологическую мембрану. Опыт Уссинга.

Существование актив.транспорта веществ ч/з биологические мембраны впервые было доказано в опытах Уссинга на примере переноса ионов натрия ч/з кожу лягушки.

К амера была заполнена раствором Рингера и разделена кожей лягушки. Наблюдались потоки ионов натрия ч/з кожу лягушки. Для пассивного транспорта эти потоки описываются уравнением Уссинга-Теоррела:

На коже лягушки возникает разность потенциалов, ее устанавливают равной 0. Поддерживается одинаковая концентрация ионов снаружи и внутри. При этих условиях потоки должны быть равны. Но это не так. А значит имеет место активный транспорт.

24. Активный транспорт. Участие АТФаз в активном транспорте веществ через мембраны

Активный транспорт. Общее описание, значение.

Активным транспортом называют трансмембранный перенос веществ в направлении, противоположном транспорту, который должен был бы происходить под действием физико-химических градиентов (прежде всего концентрационного и электрического). Он направлен в сторону более низкого электрохимического потенциала и необходим как для накопления в клетках (или определенных органеллах) веществ, в которых они нуждаются, даже из среды с их низкой концентрацией, так и для выведения из клеток (органелл) тех агентов, содержание которых там должно поддерживаться на низком уровне, даже при повышении его в окружающей среде.

Биологическое значение активного транспорта:

Создается градиент концентрации в клетках

Создаются градиенты эл. потенциала

Создаются градиенты давления.

При работе К+- Na+ - АТФ-азы за счет энергии макрогенетических связей, освобождающейся при гидролизе каждой молекулы АТФ, в клетку переносится два иона калия и одновременно из клетки выкачиваются три иона натрия. Таким образом, создается повышенная по сравнению с межклеточной средой концентрация в клетке ионов калия и пониженная натрия, что имеет огромное физиологическое значение.

24. Биоэлектрические потенциалы. Возникновение биопотенциалов. Мембранный потенциал. Электрическая модель мембраны.

Существует мембранно-ионная теория биопотенциала.Особенности строения и свойства мембраны объясняют неравномерное распределение ионов. Клеточная мембрана - наружная поверхность возбудимой клетки, которая является носителем двойного электрического заряда.

Различают следующие основные виды эл. п. нервных и мышечных клеток: потенциал покоя, потенциал действия, возбуждающие и тормозные постсинаптические потенциалы, генераторные потенциалы.

Потенциал покоя (ПП) обусловлен избирательной проницаемостью покоящейся мембраны для ионов К⁺. Потенциал действия (ПД). Все раздражители, действующие на клетку, вызывают в первую очередь снижение ПП; когда оно достигает критического значения (порога), возникает активный распространяющийся ответ — ПД. Постсинаптические потенциалы (ПСП) возникают в участках мембраны нервных или мышечных клеток, непосредственно граничащих с синаптическими окончаниями. ПСП подразделяются на возбуждающие (ВПСП) и тормозные (ТПСП). ВПСП представляют собой местную деполяризацию постсинаптической мембраны, обусловленную действием соответствующего медиатора (например, ацетилхолина в нервно-мышечном соединении). ТПСП выражается местной гиперполяризацией мембраны, обусловленной действием тормозного медиатора. Генераторные потенциалы возникают в мембране чувствительных нервных окончаний — рецепторов. Они внешне сходны с ВПСП — их амплитуда порядка нескольких мв и зависит от силы приложенного к рецептору раздражения.

Мембранным потенциалом называется разность потенциалов между внутренней (цитоплазматической) и нарежной поверхностями мембраны. Природа: возникает вследствие градиента концентрации ионов и переноса ионов через мембрану. В аксон кальмара можно ввести микроэлектрод. Стеклянный микроэлектрод представляет собой стеклянную микропипетку с оттянутым очень тонким кончиком. Второй электрод – электрод сравнения – располагается в ра истворе у наружной поверхности клетки. Регистрирующее устройство Р, содержащее усилитель постоянного тока, измеряет мембранный потенциал. Микроэлектродный метод дал возможность измерить биопотенциалы не только на клетках гигантского кальмара, но и на клетках нормальных размеров: нервных волокнах других животных, клетках скилетных мышц, клетках миокарда и других.

Мембранные потенциалы подразделяются на потенциалы действия и покоя.

П отенциалы E_Na, Е_K и Е_Cl показаны в виде батарей, а проводимости для натрия, калия и хлора изображены в виде сопротивлений (резисторов). Пассивные токи через сопротивления равны и противоположны токам, генерируемым соответствующими насосами, поэтому суммарный ток через мембрану для каждого иона равен нулю.

24. Биопотенциалы. Микроэлектродный метод регистрации биопотенциалов. Формула Нернста для расчёта биопотенциалов, уравнение Гольдмана.

Биопотенциалы, электрическая активность клеток животного и растительного происхождения, обусловленная неравномерным распределением электролитов внутри и вне клеток.

Мембранный потенциал (МП, потенциал покоя) определяется трансмембранным градиентом концентрации калия (К) (внутри клеток концентрация К выше) и остается постоянным длительное время, пока клетка не активируется внешним воздействием. При этом внутренняя часть клеток имеет отрицательный заряд.

Переход клеток в активное состояние вызывается быстрым сдвигом МП в положительном направлении - потенциалом действия (ПД), для которого характерно несколько фаз: фаза деполяризации, обусловленная входом натрия (Na) внутрь клеток, вызывающим изменение поляризации клетки, - овершут; фаза реполяризации, в течение которой восстанавливается исходный потенциал вследствие выхода К из клеток; следовые (деполяризационные и гиперполяризационные) потенциалы. Постоянство и восстановление исходного распределения электролитов внутри клеток обеспечивается Na/K насосом.

Уравнение Нернста: м=м_о+RTlnC+zF_фи, где z – постоянная Фарадея, F – потенциал поля

Чем больше проницаемость мембраны для иона, тем больше в клетку вносится данного иона.

Р К+ : Р Na+ : Р Сl– = 1 : 0,04 : 0,045

Уравнение Гольдмана:

Em = -RT/F * ln (Pк*[К+]вн+ PNa*[Na+]вн+ PCl*[Cl–]вн)/(PК*[К+]нар+ PNa*[Na+]нар+ PCl*[Cl–]нар)

24. Биопотенциал покоя, его физическая природа. Уравнение Нернста-Планка для состояния покоя. Роль градиентов концентрации и электрического потенциала при формировании потенциала покоя.

ПП - стационарная разность электрических потенциалов, регистрируемая между внутренней и наружной поверхностями мембраны в невозбужденном состоянии.

ПП определяется разной концентрацией ионов по разные стороны мембраны и диффузией ионов через мембрану.

Формула Нернста для равновесного мембранного потенциала:

Если [C]вн [C]нар и Z=+1, то для ионов К: , для ионов натрия , для ионов хлора .

Свойственный клетке потенциал покоя обусловлен главным образом движением ионов К⁺ по градиенту концентрации. С помощью уравнения Нернста можно рассчитать равновесный трансмембранный потенциал для K+, который и определяет значение ПП. Но значение потенциала покоя полностью не совпадает с EK+, так как в создании его участвуют также ионы натрия и хлора, вернее, их равновесные потенциалы.

Впоследствии 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; на внутренней стороне мембраны создается отрицательный заряд. Некоторый (небольшой) вклад в создание потенциала покоя вносит также работа натрий-калиевой АТФазы.

24. Биопотенциалы действия, их природа, свойства. Регистрация потенциалов действия в аксоне.

Потенциал действия. Развитие ПД. Характеристика. Стадии.

ПД – называется электрический импульс, обусловленный изменением ионной проницаемости мембраны и связанный с распространением по нервам и мышцам волны возбуждения.

Определяется разной концентрацией ионов по разные стороны от мембраны и диффузия ч/мембрану.

В опытах по использованию ПД использовала 2а микроэлектрода, введенных в аксон. На первый микроэлектрод подается импульс с амплитудой V от генератора Г прямоугольных импульсов, меняющих мембранный потенциал. Мембранный потенциал измеряется при помощи второго микроэлектрода высокоомным регистратором напряжения Р.

В озбуждающий импульс вызывает лишь на короткое время смещение мембранного потенциала, который быстро пропадает и восстанавливается потенциал покоя. В этом случае, кода возбуждающий импульс смещается еще дальше в отрицательную сторону, он сопровождается гиперполяризацией мембраны. Так же не формируется потенциал действия, гогда потенциал действия положительный (деполяризующий), но его амплитуда меньше порогового значения Vпор. Однако если амплитуда положительного, деполяризующего импульса окажется больше значения V пор, м становится больше мпор и в мембране развивается процесс, в результате которого происходит резкое повышение мембранного потенциала и мембранныйпотенциал даже меняет свой знак – становится положительным (вн нар).

Достигнув некоторого положительного значения м рев – потенциала реверсии, мембранный потенциал возвращается к значению потенциала покоя, совершив нечто вроде затухающего колебания. После снятия возбуждения еще в течении 1-3мс в мембране наблюдаются некоторые остаточные явления, во время которых мембрана рефрактерна.

Новый деполяризующий потенциал VVпор может вызвать образование нового потенциала действия только после полного возвращения мембраны в состояние покоя. Причем амплитуда потенциала действия не зависит от амплитуды деполяризующего потенциала. Если в покое мембрана поляризована, то при возбуждении происходит деполяризация мембраны и после снятия возбуждения происходит реполяризация мембраны.

Характерные свойства ПД:

1)наличие порогового значения деполяризующего потенциала

2) Закон «все или нечего», т.е. если деполяризующий потенциал больше порогового, развивается ПД, амплитуда которого не зависит от амплитуды возбуждающего импульса и нет ПД, если амплитуда деполяризующего потенциала меньше пороговой

3) Есть период рефактерности, невозбудимости мембраны во время развития потенциала действия и остаточных явлений после снятия возбуждения.

4) В момнт возбуждения резко уменьшается сопротивление мембраны.

24. Потенциал действия. Роль ионов Na+ и K+ в генерации потенциала действия в нервных и мышечных волокнах. Кинетика изменения потоков ионов при возбуждении.

В мембране нейрона имеются потенциал-зависимые натриевые каналы, которые открываются при изменении заряда мембраны.

При деполяризации мембраны происходит открытие натриевых каналов и увеличение натриевой проводимости. Вследствие этого увеличивается вход натрия внутрь клетки, который в свою очередь увеличивает деполяризацию мембраны. Это процесс с положительной обратной связью.Если открыто достаточное количество натриевых каналов для запуска процесса, то он дальше развивается самостоятельно и идёт до конца, генерируя потенциал действия.

Процесс реполяризации свзяан с открытием потенциал-зависимых калиевых каналов. Реполяризация обеспечивается также инактивацией натриевых каналов.

Потенциал действия подчиняется принципу «всё или ничего»: если не достигнут критический уровень деполяризации мембраны, то возникает локальный потенциал, если достигнут – возникает потенциал действия, а усиление раздражения не влияеть на его величину. Амплитуда потенциала действия не зависит от силы раздражения.

24. Биопотенциалы действия. Калиевый, натриевый и суммарный ионные токи в процессе возбуждения мембраны (графики). Блокаторы ионных потоков через мембрану.

25. Графики изменения натриевого и калиевого тока через мембрану аксона при различных значениях фиксированного трансмембранного потенциала.

26. Структура натриевых каналов, их свойства: размер, дискретность и взаимонезависимость действия, время открытого состояния, время жизни, зависимость активации от мембранного потенциала.

27. Биопотенциал действия. Уравнение Ходжкина - Хаксли. Метод фиксации потенциала.

Уравнение Ходжкина-Хаксли для ПД (токи через мембрану при её возбуждении).

где I_m – ток черех мембрану, С_м – емкость мембраны,  I_i – сумма ионных токов через мембрану. Электрический ток через мембрану складывается из ионных токов: ионов натрия и ионов калия и других ионов, в том числе ионов хлора, так называемого тока утечки I_ут, а так же емкостного тока.

Емкостной ток обусловлен перезарядкой конденсатора, который представляет собой мембрана, перетеканием зарядов с одной ее поверхности на другую. Его величина определяется количеством заряда, перетекающего с обной обкладки на другую за еденицу времени. Полный мембраный ток:

24. Связь между дискретным изменением тока через одиночные натриевые каналы с непрерывным изменением натриевого тока через мембрану (ансамбль каналов).

25. Ионные насосы в биологических мембранах: их виды, схемы действия. Сопряжённые процессы в ионных насосах.

При работе Nа/К–АТФазы за счет энергии высвобождающейся при гидролизе каждой молекулы АТФ в клетку переносятся два иона калия и выкачиваются три иона натрия. Таким образом, создается повышенная (по сравнению с межклеточной средой) концентрация в клетке ионов калия и пониженная концентрация ионов натрия.

Са-насос обеспечивает активный перенос двух ионов кальция, а протонный насос – двух протонов на одну молекулу АТФ.

Примерами активного транспорта является функционирование таких ионных насосов как Н+-АТФаза, Na+,К+-АТФаза, Са2+-АТФаза, Н+-РРаза, Cl--АТФаза. В электрогенезе высших растений, по-видимому, наибольшее значение имеет Н+-насос, создающий на плазмалемме и тонопласте электрохимические градиенты ионов Н+. Высокие значения мембранного потенциала в клетках растений в первую очередь создаются за счет транспорта ионов Н+ из цитоплазмы в окружающую среду.