1. Физиология биологической мембраны. Пассивный и активный транспорт веществ через биологическую мембрану. Виды ионных каналов.

Элементарная живая система, способная к самостоятельному существованию, развитию и воспроизведению - живая клетка. Важнейшие условия существования клетки, с одной стороны, автономность по отношению к окружающей среде (вещество не должно смешиваться с веществом окружения, должна соблюдаться автономность химических реакций в клетке и ее отдельных частях); с другой стороны, - связь с окружающей средой (непрерывный, регулируемый перенос вещества и энергии между клеткой и окружающей средой). Живая клетка - термодинамически открытая система.

Единство автономности от окружающей среды и тесной связи с окружающей средой - необходимое условие функционирования живых организмов на всех уровнях их организации. Поэтому важнейшее условие существования клетки и, следовательно, жизни - биологические мембраны

Основных функции биологических мембран.

1. Барьерная функция обеспечивает селективный, регулируемый, пассивный и активный обмен веществ клетки с окружающей средой (селективный - значит избирательный: одни вещества переносятся через биологические мембраны, другие нет; регулируемый - проницаемость мембраны для определенных веществ меняется в зависимости от функционального состояния клетки; активный - перенос от мест, где концентрация вещества мала, к местам с большей концентрацией, результат работы натриевого насоса, благодаря которому восстанавливается исходная разность ионных концентраций, нарушающаяся при каждой вспышке возбуждения; пассивный – осуществляется по градиенту концентрации ионов и ответствен за возникновение потенциала покоя и потенциала действия и ведет в конечном итоге к выравниванию концентрации ионов по обе стороны клеточной мембраны: а) простая диффузия (без каналов - вода);

б) облегченная диффузия (через специфичные каналы)).

2. Регуляторная функция клеточной мембраны заключается в тонкой регуляции внутриклеточного содержимого и внутриклеточных реакций за счет рецепции внеклеточных биологических активных веществ, что приводит к изменению активности ферментных систем мембраны и запуску механизмов вторичных «месенджеров» (посредников).

3. Преобразование внешних стимулов неэлектрической природы в электрические сигналы (в рецепторах).

4. Высвобождение нейромедиаторов в синаптических окончаниях.

Мембрана представлена бислоем фосфолипидных молекул, ориентированных таким образом, что гидрофобные концы молекул находятся внутри бислоя, а гидрофильные направлены в водную фазу. В фосфолипидном слое интегрированы глобулярные белки (выполняют различные функции, в том числе рецепторную, ферментативную, образуют ионные каналы, являются мембранными насосами и переносчиками ионов и молекул).

Электрические характеристики мембран.

Емкостные свойства в основном определяется фосфолипидным бислоем, который непроницаем для гидратированных ионов и в тоже время достаточно тонок, чтобы обеспечить эффективное разделение и накопление зарядов и электростатическое взаимодействие катионов и анионов.

Проводимость – величина обратная электрическому сопротивлению и равная отношению величины общего трансмембранного тока для иона к величине, обусловившей его трансмембранную разность потенциалов. Проводимость мембраны является мерой ее ионной проницаемости. Увеличение проводимости свидетельствует об увеличении количества ионов, проходящих через мембрану.

Ионные каналы (ИК) - это мембранные молекулярные структуры, образованные интегральными (трансмембранными) белками, пронизывающими клеточную мембрану поперёк в виде нескольких петель и образующими в мембране сквозной канал (пору). Канальные белки состоят из субъединиц, образующих структуру со сложной пространственной конфигурацией, в которой кроме поры обычно имеются дополнительные молекулярные системы: открытия, закрытия, избирательности, инактивации, рецепции и регуляции.

Виды ионных каналов:

1. По селективности (степени избирательной проницаемости к определённым ионам). В этом случае мы будем говорить о натриевых, калиевых, хлорных каналах и т.п.

2. По строению (родству их химического строения и происхождения образующих их белков). По строению (структуре) и по происхождению от однотипных генов различные ИК объединяются в отдельные семейства. Например, выделяют три семейства лиганд-активируемых ИК: 1) семейство с пуриновыми рецепторами (АТФ-активируемые), 2) с никотиновыми АХ-рецепторами, ГАМК-, глицин- и серотонин-рецепторами, 3) с глутаматными рецепторами. При этом в одно и то же семейство попадают ИК с разной ионной селективностью, а также ИК с разными управляющими лигандами. Но зато образующие эти каналы белки имеют большое сходство в строении и происхождении.

3. По способу управления их состоянием. В этом случае мы будем говорить о потенциал-управляемых каналах, хемо-управляемых и механо-управляемых.

4. По связывающимся с ними лигандам (в том числе веществам-маркёрам) и т.д.

Именно ионные каналы обеспечивают два важных свойства мембраны: селективность и проводимость.

2. Электрофизиологическая характеристика состояния покоя возбудимой клетки. Методы регистрации потенциала покоя. Понятия поляризации, деполяризации, гиперполяризации.

Термином мембранный потенциал или потенциал покоя принято называть трансмембранную разность потенциалов, существующую между цитоплазмой и окружающим клетку наружным раствором. Когда клетка находится в состоянии покоя, ее внутренний потенциал отрицателен по отношению к наружному.

Чтобы измерить потенциал покоя применяют технику внутриклеточных микроэлектродов. Как только микроэлектрод прокалывает поверхностную мембрану клетки, луч осциллогрофа сразу же отклоняется от своего исходного положения, обнаруживая тем самым существование разности потенциалов между поверхностью и содержимым клетки. Это свидетельствует о том, что потенциал действительно локализуется на клеточной мембране.

Существует множество факторов, меняющих потенциал покоя клеток: приложение электрического тока, изменение ионного состава среды, воздействие некоторых токсинов, нарушение кислородного снабжения и т.д. Во всех тех случаях, когда внутренний потенциал уменьшается (становится менее отрицательным), говорят о деполяризации мембраны; противоположный сдвиг потенциала (увеличение отрицательного заряда внутренней поверхности клеточной мембраны) называют гиперполяризацией.

Поляризация – возникновение разности потенциалов между наружной и внутренней поверхностей клеточной мембраны.

Деполяризация – внутренний потенциал уменьшается (заряд становится менее отрицательным).

Гиперполяризация – увеличение отрицательного заряда внутренней поверхности клеточной мембраны.

3. Механизмы формирования потенциала покоя. Понятие равновесного калиевого потенциала. Факторы, влияющие на величину потенциала покоя клетки.

ПП формируется в два этапа.

Первый этап: создание незначительной (-10 мВ) отрицательности внутри клетки за счёт неравного асимметричного обмена Na⁺ на K⁺ в соотношении 3 : 2. В результате этого клетку покидает больше положительных зарядов с натрием, чем возвращается в неё с калием. Такая особенность работы натрий-калиевого насоса, осуществляющего взаимообмен этих ионов через мембрану с затратами энергии АТФ, обеспечивает его электрогенность.

Результаты деятельности мембранных ионных насосов-обменников на первом этапе формирования ПП таковы:

1. Дефицит ионов натрия (Na⁺) в клетке.

2. Избыток ионов калия (K⁺) в клетке.

3. Появление на мембране слабого электрического потенциала (-10 мВ).

Второй этап: создание значительной (-60 мВ) отрицательности внутри клетки за счёт утечки из неё через мембрану ионов K⁺. Ионы калия K⁺покидают клетку и уносят с собой из неё положительные заряды, доводя отрицательность до -70 мВ.

Итак, мембранный потенциал покоя - это дефицит положительных электрических зарядов внутри клетки, возникающий за счёт утечки из неё положительных ионов калия и электрогенного действия натрий-калиевого насоса.

Мембранно-ионная теория (Ходжкин, Хаксли и Катц)

Наличие электрических потенциалов в живых клетках обусловлено неравенством концентрации ионов натрия, калия, кальция и хлора внутри и вне клетки и различной проницаемостью для них поверхностной мембраны.

Концентрация К в цитоплазме нервных и мышечных клеток в 40-50 раз выше, чем в наружном растворе, и если бы мембрана в покое была проницаема только для этих ионов, то потенциал покоя соответствовал бы равновесному калиевому потенциалу. При уменьшении внутриклеточной и повышении наружной концентрации К потенциал мембраны уменьшался или даже изменялся его знак (потенциал становился положительным, если в наружном растворе концентрации К была выше, чем во внутреннем).

Концентрированный градиент К действительно является основным фактором, определяющим величину потенциала покоя нервного волокна. Однако покоящаяся мембрана проницаема не только для К, но и для Na. Диффузия этих положительно заряженных ионов внутрь клетки уменьшает абсолютную величину внутреннего отрицательного потенциала клетки, создаваемого диффузией К.

Таким образом, величина потенциала покоя клетки определяется двумя основными факторами:

а) соотношением концентраций проникающих через покоящуюся поверхностную мембрану катионов и анионов;

б) соотношение проницаемостей мембраны для этих ионов.