- •Биофизика мембран
- •Транспорт веществ через биологические мембраны
- •1.1. Введение
- •1.2.Градиенты биологических систем
- •1.4. Пассивный транспорт
- •1.4.1. Диффузия
- •1.4.1.1.Транспорт ионов подвижным переносчиком
- •1.4.1.2.Эстафетный перенос
- •1.4.1.3. Перенос ионов через каналы биомембран
- •1.4.2.Осмос
- •1.4.3.Фильтрация
- •1.4.4.Водный обмен между кровью и лимфой
- •1.5. Активный транспорт
- •Роль активного транспорта в физиологическом процессе
- •2. Биоэлектрические потенциалы
- •2.1. Методы измерения мембранного потенциала.
- •2.2. Элемент Нернста
- •2.3. Потенциал покоя.
- •Потенциал действия
- •2.5. Распространение нервного импульса вдоль возбудимого волокна
- •Список используемой литературы при составлении методического пособия " Биофизика мембран. Биопотенциалы"
2.2. Элемент Нернста
Природа биоэлектрогенеза была понятна лишь после создания теории электрической диссоциации (С.Аррениус 1887г.). Опыт многих исследователей убеждает, что в живых тканях, которые могут рассматриваться как растворы электролитов, генерация потенциала связана с неравномерным распределением ионов.
Самой простой и адекватной моделью является элемент Нернста (Рис.12.). Сосуд, в котором находится растворы одной и той же соли, но разной концентрации, разделен пористой перегородкой (C1 > C2). Вследствие разницы концентрации, ионы диффундируют, причем один из ионов, как правило, катион диффундирует быстрее и более разбавленный раствор приобретает знак катиона. По обе стороны перегородки образуется разность потенциалов, которую называют диффузионной разностью потенциалов.
При этом ЭДС, возникающая в концентрационном элементе, образованном раствором одной соли, определяется из уравнения Нернста.
- газовая постоянная (R=8,316 Дж/к-моль), - абсолютная температура,
- число Фарадея (96500 кл/моль), n- валентность, С1 и С2 молекулярные концентрации ионов по обе стороны мембраны.
В реальных условиях, в клетке, разница скорости движения анионов и катионов обусловлена присутствием полупроницаемой мембраны. Без нее ЭДС концентрированного элемента быстро падает. Поэтому потенциалы, возникающие в таком элементе, называются не диффузионными, а мембранными.
Рис. 12.
Элемент Нернста.
Теория электролитической диссоциации была впервые применена и объяснена в механизме биоэлектрогенеза В.Ю.Чаговцем (1896) слушателям ВМА, в дальнейшем развил учение Ю.Бернштейн и лауреаты Нобелевской премии (Ходжкин, Кац, Хакси).
2.3. Потенциал покоя.
Установлено, что цитоплазма клеток существенно отличается по химическому составу от внеклеточной жидкости, находящейся в межклеточном пространстве (рис. 13.)
-
Ионы
Среда
Внеклеточная
Внутриклеточная
K+
1
41
Na+
10
1
Cl-
13
1
Рис. 13. Относительная концентрация ионов внутри и вне клетки.
Разность ионных концентраций создает силу, стремящуюся выровнять содержание ионов, но мембрана препятствует этому процессу. Мембраны обеспечивают избирательную проницаемость для различных ионов. Вследствие этого в тканях наблюдается неодинаковая скорость диффузии через клеточные мембраны катионов и анионов, что при наличии концентрационных градиентов служит непосредственной причиной возникновения мембранных потенциалов. Их называют биопотенциалами.
Таким образом, источником электричества в живой ткани служит концентрационный элемент, образованный растворами электролита, имеющего неодинаковую концентрацию в цитоплазме и межклеточной жидкостью. При рассмотрении живых тканей в качестве концентрационного элемента необходимо учитывать диффузию через клеточную мембрану не одного иона, а всех, концентрации которых неодинаковы внутри и вне клетки. Это обстоятельство учитывает уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца.
(3.3)
в числителе выражения, стоящего под знаком логарифма, представлены концентрации , , но , а в знаменателе - , , но , так как ионы хлора отрицательно заряжены. - проницаемость мембраны, зависящая от определенных условий.
Уравнение Гольдмана позволяет рассчитать разность потенциалов, существующую в разных клетках между цитоплазмой и межклеточной средой в покое и при возбуждении.
Потенциал покоя - стационарная разность электрических потенциалов, регистрируемая между внутренней и наружной поверхностями мембраны в невозбужденном состоянии.
Потенциал покоя определяется разной концентрацией ионов по разные стороны мембраны и диффузией ионов через мембрану. Результаты расчетов приблизительно совпадают с величинами мембранных потенциалов, полученными опытным путем. Проанализируем уравнение Гольдмана в состояние покоя:
В состоянии покоя проницаемость мембраны для ионов значительно больше, чем для , и больше, чем для :
Для аксона кальмара, например,
Из уравнения Гольдмана получим уравнение Нернста для мембранного потенциала покоя:
;
Таким образом, уравнение Нернста - частный случай уравнения Гольдмана. При концентрации в клетке 20 мМ и аксоплазме 400 мМ рассчитанное значение равно - 95мВ. Действительно, в опытах на аксонах регистрируют потенциалы покоя около - 90мВ. Следовательно, в состоянии покоя мембранный потенциал (ПП) равен равновесному электрохимическому потенциалу по . Важно понять, что ПП возникает за счет более быстрой диффузии по сравнению с . Разница между и определяет направление катионного потока, создающего ПП на мембране; катионный поток (ток положительных зарядов) направлен из клетки наружу (выходящий ток) (рис.14).
Рис.14. двойной
слой зарядов на
клеточной мембране
в состоянии покоя.
Этим и обеспечивается состояние покоя и готовность клетки к возбуждению. Избирательная проницаемость плазматической мембраны всякой клетки контролирует стабильное разобщение катионов и анионов, вследствие чего на ней стойко поддерживается высокий градиент потенциала и тем самым плазматическая мембрана генерирует ЭДС. Эта ЭДС направлена против причины, ее вызывающей, и противодействует дальнейшему разобщению зарядов на мембране, т.е. выравниванию концентраций между цитоплазмой и межклеточной средой. Существование ионных градиентов на мембранах связано также с работой активного транспорта, и является энергоемким процессом.
Нарушение биоэнергетических процессов в клетке и работы АТФазы приводит к уменьшению .
Повреждение клеточной мембраны приводит к повышению проницаемости клеточных мембран для всех ионов: к повышению и и и . Вследствие уменьшения различия проницаемостей, абсолютное значение мембранного потенциала снижается.
Для сильно поврежденных клеток еще меньше, но сохраняется отрицательный мембранный потенциал за счет содержащихся в клетке полианионов - отрицательно заряженных белков, нуклеиновых кислот и других крупных молекул, не могущих проникнуть через мембрану (доннановский потенциал). ПП отчасти экономит затраты свободной энергии на поддержание градиентов на биомембранах и препятствует их выравниванию. В этом одна из сторон физиологической роли ПП. Второй существенной стороной является то, что именно наличие ПП живой ткани способствует ее возбудимости!