- •Глава 1
- •1.1. Для чего нужна физиология животных
- •1.2. Физиология и медицина
- •1.3. Физиология и познание
- •1.4. Основные концепции физиологии
- •1.4.1. В основе любой функции лежит структура
- •1.4.2. Генетика и физиология
- •1.4.3. Принцип гомеостаза
- •1.5. Физиологическая литература
- •1.6. Резюме
- •1.7. Вопросы для повторения
- •Глава 2 Физические и химические концепции
- •2.1. Атомы, связи и молекулы
- •2.2. Свойства н, о, n и с как основа для возникновения жизни
- •2.3. Вода.
- •2.3.1. Молекула воды
- •2.3.2. Свойства воды
- •2.3.3. Вода как растворитель
- •2.4. Растворы и их коллигативные свойства
- •2.5. Растворы электролитов
- •2.5.1. Ионизация воды
- •2.5.2. Кислоты и основания
- •2.5.3. Биологическая роль рН
- •2.5.4. Уравнение Гендерсона–Хассельбаха
- •2.5.5. Буферные системы
- •2.6. Электрический ток в водных растворах
- •2.7. Ионная избирательность
- •2.8. Биологические молекулы
- •2.8.1. Липиды
- •2.8.2. Углеводы
- •2.8.3. Белки
- •2.8.4. Нуклеиновые кислоты
- •2.9. Резюме
- •2.10. Вопросы для повторения
- •4. Почему кислород играет столь важную роль в биологии?
- •Глава 3
- •3.1. Энергия: понятия и определения
- •3.2. Перенос химической энергии в системе сопряженных реакций
- •3.3. Атр и высокоэнергетическая фосфатная группа
- •3.4. Температура и скорость реакции
- •3.5. Ферменты
- •3.5.1. Специфичность фермента
- •3.5.2. Каталитическая активность
- •3.5.3. Температура и скорость реакции
- •3.5.4. Чувствительность к рН
- •3.5.5. Регуляция ферментативной активности
- •3.5.6. Кофакторы
- •3.5.7. Кинетика ферментативных реакций
- •3.5.8. Сродство между ферментом и субстратом
- •3.5.9. Подавление активности ферментов
- •3.6. Механизмы регуляции метаболизма
- •3.6.1. Генетическая регуляция синтеза ферментов
- •3.6.2. Метаболическое ингибирование по типу обратной связи
- •3.6.3. Активация ферментов
- •3.7. Образование атр в процессе метаболизма
- •3.8. Окисление, фосфорилирование и перенос энергии
- •3.8.1. Электронпереносящие коферменты
- •3.9. Цепь переноса электронов
- •3.10. Гликолиз
- •3.11. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)
- •3.12. Эффективность энергетического метаболизма
- •3.13. Кислородная задолженность
- •3.14. Резюме
- •3.15. Вопросы для повторения
- •Глава 4
- •4.1. Состав мембран
- •4.2. Организация мембран
- •4.2.1. Простые модели бислоев
- •4.2.2. Жидкостно–мозаичная модель
- •4.2.3. Субъединичная модель
- •4.3. Физические основы проницаемости мембран
- •4.3.1. Диффузия
- •4.3.2. Трансмембранный поток
- •4.3.3. Осмос
- •4.3.4. Осмолярность и тоничность
- •4.3.5. Влияние электрических сил на распределение ионов
- •4.3.6. Доннановское равновесие
- •4.4. Осмотические свойства клеток
- •4.4.1. Стационарное состояние
- •4.4.2. Объем клеток
- •4.5. Механизмы пассивного транспорта
- •4.5.1. Простая диффузия через липидный бислой
- •4.5.2. Диффузия через мембранные каналы
- •4.5.3. Облегченная диффузия
- •4.6. Активный транспорт
- •4.7. Ионные градиенты как источники энергии в клетке
- •4.7.1. Симпорт (котранспорт)
- •4.7.2. Антипорт (контртранспорт)
- •4.8. Селективность мембран
- •4.8.1. Селективность к электролитам
- •4.8.2. Селективность к неэлектролитам
- •4.9. Эндоцитоз и экзоцитоз
- •4.10. Межклеточные контакты
- •4.10.1. Щелевые контакты
- •4.10.2. Плотные контакты
- •4.11. Эпителиальный транспорт
- •4.11.2. Транспорт воды
- •4.12. Резюме
- •4.13. Вопросы для повторения
- •Глава 5 Ионы и возбуждение
- •5.1. Мембранная теория возбуждения
- •5.2. Пассивные электрические свойства клеточных мембран
- •5.2.1. Проводимость мембраны
- •5.2.2. Емкость мембраны
- •5.2.3. Электротонический потенциал
- •5.3. Электрохимический потенциал
- •5.3.1. Уравнение Нернста
- •5.4. Потенциал покоя
- •5.4.1. Роль ионных градиентов и ионных каналов
- •5.4.2. Роль активного транспорта
- •5.5. Активные электрические процессы
- •5.6. Ионные основы потенциала действия
- •5.6.1. Общие свойства потенциала действия
- •5.6.2. Натриевая гипотеза
- •5.6.3. Натриевые каналы
- •5.6.4. Цикл Ходжкина
- •5.6.5. Калиевый ток
- •5.6.6. Ионные механизмы потенциала действия: краткая сводка
- •5.6.7. Изменение концентрации ионов во время возбуждения
- •5.7. Другие электровозбудимые каналы
- •5.8. Пейсмекерные потенциалы
- •5.9. Резюме
- •5.10. Вопросы для повторения
- •Глава 6 Распространение и передача нервных импульсов
- •6.1. Нервные клетки
- •6.1.1. Два основных типа электрических сигналов в нервных клетках
- •6.2. Пассивное распространение электрических сигналов
- •6.3. Распространение нервных импульсов
- •6.3.1. Скорость распространения нервных импульсов
- •6.3.2. Сальтаторное проведение
- •6.4. Представление о синапсах
- •6.5. Передача возбуждения в электрических синапсах
- •6.6. Передача сигналов в химических синапсах
- •6.6.1. Строение химических синапсов
- •6.6.2. Синаптические потенциалы
- •6.6.3. Синаптические токи
- •6.6.4. Потенциал реверсии
- •6.6.5. Постсинаптическое торможение
- •6.6.6. Пресинаптическое торможение
- •6.7. Постсинаптические рецепторы и каналы
- •6.8. Выделение медиаторов пресинаптическими окончаниями
- •6.8.1. Квантовое выделение медиаторов
- •6.8.2. Электросекреторное сопряжение
- •6.9. Синаптическая интеграция
- •6.9.1. Суммация
- •6.10. Функциональная пластичность синапсов
- •6.10.1. Гомосинаптическая модуляция
- •6.10.1.1. Облегчение
- •6.10.1.2. Посттетаническая потенциация
- •6.10.2. Гетеросинаптическая модуляция
- •6.11. Медиаторы
- •6.11.1. Биогенные амины
- •6.11.2. Аминокислоты
- •6.11.3. Нейропептиды
- •6.11.4. Эндогенные опиоиды
- •Подставив в это равенство выражения (1) и (2), получим
- •6.12. Резюме
- •6.13. Вопросы для повторения
5.4.2. Роль активного транспорта
Если рассмотреть «идеальную» мембрану (такую, например, как на рис. 5–1), пропускающую только один какой–либо ион, то мы увидим, что постоянный потенциал на ней будет поддерживаться без затрат энергии сколь угодно долго (если, конечно, проникающий ион неравномерно распределен по обе стороны мембраны).
Это и понятно, поскольку такая система находится в состоянии термодинамического равновесия. Однако мембраны живых клеток проницаемы в той или иной степени для всех неорганических ионов, и, следовательно, клетки должны как–то поддерживать соответствующие концентрации этих ионов. Для этого они используют механизм активного транспорта некоторых ионов против их пассивного потока по направлению электрохимического градиента.
Рассмотрим, например, ион Na + . Вне– и внутриклеточная концентрации этого иона в мышцах лягушки (см. рис. 4–17) составляют соответственно 120 и 10 мМ. Зная эти величины, мы можем рассчитать равновесный потенциал для натрия:
ENa = 0,058 lg 120 /10 = 0,063 В = 63 мВ.
Поскольку же VM для мышц лягушки составляет от –90 до –100 мВ, для натрия отклонение от равновесного потенциала (т. е. VM — ENa) превышает 150 мВ. Поэтому даже та небольшая проницаемость для ионов Na + , которой обладает мембрана в состоянии покоя, приведет к постепенному притоку этих ионов в клетку под действием такого высокого потенциала. Если бы ионы Na+ не удалялись из клетки с такой же скоростью, с какой они туда поступают, они накапливались бы в ней и это сопровождалось бы выходом из клетки ионов К + . На самом же деле высокая концентрация ионов калия и низкая – ионов натрия в клетке поддерживается благодаря постоянному переносу Na+ из клетки. Этот перенос требует затрат метаболической энергии. Активное «выкачивание» Na+ идет с обязательным обратным «закачиванием» К+ ; обычно три иона натрия обмениваются на два иона калия. Поскольку же проницаемость мембраны для натрия в покое мала, обратная «утечка» Na+ происходит медленно, поэтому в результате работы Na +–К+–насоса поддерживается низкая концентрация Na+ в клетке (примерно на порядок ниже, чем во внеклеточной среде). Проницаемость же для К + в покое велика, и этот ион свободно диффундирует через мембрану. Разумеется, при этом высокое содержание К+ в клетке сохраняется благодаря трансмембранной разности потенциалов, обусловленной небольшим «дефицитом» положительных зарядов в клетке, возникающим при исходно свободном перемещении К+ из клетки.
Если блокировать активный перенос натрия с помощью ингибиторов окислительных процессов (цианидов или азидов) или препаратов, специфически подавляющих этот перенос (например, уабаина), то Na+ начнет постепенно поступать в клетку, а К + – выходить из нее, и по мере снижения отношения [K+]i / [K+]0 потенциал покоя будет медленно уменьшаться. Таким образом, если рассматривать длительные временные интервалы, то мы увидим что именно активное удаление Na+ с затратами энергии метаболических процессов поддерживает трансмембранные градиенты концентрации Na+ и К+ и не дает им снижаться вплоть до полного уравновешивания. Благодаря тому, что натриевый насос постоянно поддерживает градиент концентрации калия, он играет важную косвенную роль в создании потенциала покоя (рис. 5–14).
|
Рис. 5.14. Схема, иллюстрирующая прямое и косвенное участие натриевого насоса в создании потенциала покоя. Поскольку этот насос работает таким образом, что, удаляя из клетки три иона Na+, он вводит в нее два иона К+, т.е. в конечном счете удаляет из клетки положительные заряды, он может вносить прямой вклад в создание потенциала покоя. Косвенная роль Na + –K + –насоса связана с тем, что он поддерживает высокую концентрацию калия во внутриклеточной среде. Основным же фактором, ответственным за создание потенциала покоя, служит высокая проницаемость мембраны для калия (по сравнению с другими ионами), благодаря которой калий диффундирует из клетки до тех пор, пока его выходу не будет препятствовать накопление в клетке отрицательных зарядов.
|
В некоторых клетках активный транспорт принимает также прямое участие в формировании потенциала покоя. Это обусловлено тем, что за одно и то же время больше удаляется ионов Na + , чем закачивается К+ (это соотношение может составлять 3:2) (рис. 5–14). В таких случаях Na + –K+–обменный насос называется электрогенным, поскольку он сам создает небольшой, но постоянный суммарный ток положительных зарядов из клетки, а потому вносит прямой вклад в формирование отрицательного потенциала внутри нее. Вклад электрогенного насоса в увеличение мембранного потенциала зависит от того, с какой скоростью заряды могут пассивно переходить обратно в клетку (обычно этот переход связан с диффузией через мембрану ионов К+ или Cl¯). Создаваемый с помощью натриевого насоса потенциал редко превышает несколько милливольт, потому что стремление положительных зарядов войти в клетку (или отрицательных выйти из нее) возрастает по мере того, как потенциал покоя становится более отрицательным, чем равновесные потенциалы для легко проникающих ионов – К + и Cl¯.
Итак, основной процесс, ответственный за создание большей части отрицательного заряда внутри клеток, – это пассивный выход К+ из клетки через многочисленные калиевые каналы, обусловленный высокой внутриклеточной (по сравнению с внеклеточной) концентрацией этого иона. Другие ионы (например, Na + ) участвуют в создании потенциал покоя лишь в небольшой степени, поскольку число открытых натриевых каналов в мембране в состоянии покоя невелико. Однако важнейшим (хотя и не непосредственным) условием для формирования потенциала покоя служит активное выкачивание Na+ с закачиванием К+ , т.е. работа Na+–К+–обменного насоса, потребляющего энергию метаболических процессов. Этот насос поддерживает концентрацию Na+ в клетке на низком уровне и тем самым создает предпосылки для того, чтобы главным внутриклеточным катионом стал К+. Наконец, небольшая часть потенциала покоя непосредственно обусловлена выкачиванием из клетки положительных зарядов (т.е. ионов Na + ).