Файл: Мембранология и электрогенез.pdf

Равновесный потенциал для иона К
+
(точно также и для других ионов) рас- считывается по формуле Нернста с переходом от натуральных логарифмов к деся- тичным::
[К
+
]out
Em = 58 log ----------; (1.5)
[К
+
] in
NB!
Через калиевые каналы наблюдается постоянный выходящий ток ионов К
+
, поэтому мембранный потенциал несколько более электроположителен, чем
рав-
новесный потенциал
для ионов К
+
. Общая проводимость натриевых каналов нам- ного меньше, чем калиевых, то есть натриевые каналы при потенциале покоя отк- рыты намного реже, чем калиевые, и для диффузии ионов Na
+
в клетку необходи- мы большие градиенты концентрации и потенциала. Кроме того, проницаемости для ионов Na
+
и Cl
- малы по сравнению с калиевой проницаемостью. Поэтому
хлорный и натриевый компоненты трансмембранной разности потенциалов
при
потенциале покоя
так малы, что
ими можно пренебречь
. Именно
поэтому мембранный потенциал у невозбужденной клетки стремится к
значению
равновесного потенциала для иона К
+
.
Все кардинальным образом
меняется при развитии
потенциала действия
, когда при увеличении
натриевой проницаемости этот ион устремляется внутрь клетки и под его
влиянием мембранный потенциал сдвигается в сторону
натриевого равно-
весного потенциала
.
1
37

NB!
При мембранном потенциале Em = –90 мВ потенциал равновесия для
иона К
+
– E
K
= –97 мВ, для иона Na
+
– E
Na
= +66 мВ, а иона Cl
-
– E
Cl
= –90 мВ
.
Обычно значения V
Na находятся между +50 и +65 мВ, а V
K
между –70 и –100 мВ.
Следует отметить, что
Na
+
/К
+
-насос обеспечивает идеальную компенсацию пас- сивных диффузионных токов, так как переносит ионы Na
+ из клетки, а ионы К
+
– в нее. Таким образом, насос является электрогенным за счет разницы в числе перене- сенных в клетку и из клетки зарядов. При нормальной скорости его работы это создает мембранный потенциал, примерно на 10 мВ более электроотрицательный, чем если бы он образовывался только за счет пассивных потоков ионов.
Для любого данного мембранного потенциала суммарная сила, выталкивающая ионы из клетки, пропорциональна разности V-V
Na для Na
+
и V-V
K
для К
+
. Фактиче- ская величина тока каждого иона зависит не только от этой движущей силы, но и от того, насколько легко данный ион проходит через мембрану. Если
проводимости групп каналов для Na
+
и К
+
обозначить соответственно как gNa
+ и gK
+
, токи Na
+
и
К
+
, будут равны соответственно gNa
+
(V-V
Na
) и gK
+
(V-V
K
).
При потенциале покоя токи различных ионов сбалансированы так, что суммар- ный электрический ток равен нулю. Таким образом, если Vm – потенциал покоя, то его величина тока на мембране должна удовлетворять следующему равенству, где также присутствует ток, создаваемый Na
+
/К
+
-АТФазой: gNa
+
(Vm-V
Na
) + gK
+
(Vm-V
K
)
+ I от Na
+
/К
+
-АТФазы + I других ионов = 0 (1.6)
1
38

NB!
Таким образом, на фоне потенциала покоя и развивающегося потенциала
действия мы имеет стабильно существующие потенциалы равновесия для раз-
ных ионов, каждый из которых принимает
посильное
участие в этих двух состо-
яниях, то есть потенциале покоя и потенциале действия.
Главным ионом, создающим потенциал покоя, является ион К
+
, поэтому и по-
тенциал равновесия для иона К
+
очень близок к реальной величине мембранно-
го потенциала. Что касается потенциала действия, то при приближении его к ве-
ршине в положительных значениях потенциала на внутренней поверхности мем-
браны, которое создается накоплением поступающего извне иона Na
+
, в опреде-
ленный момент наступает уравновешивание между силами ионного градиента,
толкающего ионы Na
+
внутрь клетки, и величиной положительного заряда на
внутренней стороне мембраны, образованного ионами Na
+
при его движении в
клетку. Поэтому пик потенциала действия соответствует или, точнее, очень бли-
зок к величине потенциала равновесия для иона Na
+
.
Эти процессы повторяется при каждом потенциале действия, создавая цикл
изменений мембранного потенциала при переходе от потенциала покоя к генери-
руемому клеткой потенциалу действия.
1
39

МЕХАНИЗМЫ
ОБРАЗОВАНИЯ
ПОТЕНЦИАЛА ПОКОЯ

Натриево-калиевые, натриевые и калиевые каналы в мембране нервной клетк и
1
40

Активный транспорт и натрий-калиевый насос
Поскольку мембраны живых клеток в той или иной степени проницаемы для всех ионов, со- вершенно очевидно, что без специальных механизмов невозможно поддерживать постоянную раз- ность концентрации ионов (
ионную асимметрию
). В клеточных мембранах существуют специ- альные системы активного транспорта, работающие с затратой энергии и перемещающие ионы против градиента концентраций. Экспериментальным доказательством существования механизмов активного транспорта служат результаты опытов, в которых активность АТФазы подавляли различ- ными способами, например сердечным гликозидом
оуабаином.
При этом происходило выравнива- ние концентраций ионов К
+
вне и внутри клетки и мембранный потенциал снижается до нуля.
Натрий-калиевая аденозинтрифосфатаза
(
натрий-калиевая АТФ-аза
или
Na
+
/K
+
АТФазы
),– это фермент из группы транспортных аденозинтрифосфатаз (транслоказ), находящийся в клеточной мембране. Он встречается практически во всех клетках человека, а также в клетках других организмов. Основное ее назначение –
поддерживать мембранный потенциал и
регулировать клеточный объем
Характерно, что клетка не рождается с потенциалом покоя в готовом виде. Например, при диф- ференцировке и слиянии миобластов потенциал их мембраны изменяется от –10 до –70 мВ, то есть их мембрана становится более электроотрицательной, она поляризуется в процессе дифференци- ровки клетки.
Таким образом, в мембране возбудимой клетки постоянно работают насосы-обменники, обра- зованные специальными белками, встроенными в мембрану.
Что они делают?
Они меняют «соб- ственный» натрий клетки на наружный «чужой» калий. Из-за этого в клетке оказывается, в конце концов, недостаток иона Na
+
, который ушел на обмен. И в то же время клетка переполняется ионами
К
+
, который в ней накопили эти ионные насосы.
1
41

Таким насосом, поддерживающим низкую внутриклеточную концентрацию ионов Na
+
и высокую концентрацию ионов К
+
, является
натрий-калиевый насос
Известно, что в клеточной мембране имеется система переносчиков, каждый из которых связывается с находящимися внутри клетки ионами Na
+
и выводит их наружу.
Первоначально этот переносчик присоединяет с внутренней стороны мембраны
три
иона Na
+
. Эти ионы изменяют конформацию активного центра АТФазы. После такой активации АТФаза способна гидролизовать
одну
молекулу АТФ, причем
фосфат-ион
фиксируется на поверхности переносчика с внутренней стороны мембраны.
Как это происходит рассмотрим детальнее.
Схема действия нат- рий-калиевого насо- са. Показаны каналы для ионов Na
+ и К
+
, гидролиз АТФ и об- разование АДФ пос- ле отщепления иона- фосфата.
1
42

Роль аденозинтрифосфотазы
Выделившаяся энергия расходуется на изменение конформации
АТФазы, после чего
три
иона Na
+
и
ион
PO
4 3-
(фосфат) оказываются на внешней стороне мембраны. Здесь ионы Na
+
отщепляются, а PO
4 3- замещается на
два иона К
+
. Затем конформация переносчика изменяется на первоначальную, и ионы К
+
оказываются на внутренней стороне мембраны. Здесь ионы К
+
отщепляются, и переносчик вновь готов к работе.
Кратко действия АТФазы можно описать так:
Первое
– она изнутри клетки «забирает»
три
иона Na
+
, затем расщепляет молекулу АТФ и присоединяет к себе фосфат.
Второе
– она «выбрасывает» ионы Na
+
и присоединяет
два иона
K
+
из внешней среды.
Третье
– отсоединяет фосфат,
два
иона K
+
выбрасывает внутрь клетки. В итоге во внеклеточной среде создается высокая концентрация ионов Na
+
, а внутри клетки – высокая концентрация K
+
. Работа Na
+
/K
+
-АТФазы создает не только разность концентраций, но и разность зарядов (она работает как
электрогенный насос
). На внешней стороне мембраны создается
положительный
заряд, на внутренней –
отрицательный.
Ионные насосы и каналы в клеточной (сверху) и митохондриаль-
дриальной мембранах (снизу): 1 – Na
+
-К
+
-транспортная АТФаза; 2 –
Са
2+
-транспортная АТФаза; 3 – Na
+
–Ca
2+
и Na
+
–Н
+
- ионообменники; 4 – потенциал-зависимые ионные каналы для Na
+
, K
+
и Са
2+
; 5 – протонные помпы, сопряженные с переносом электронов по дыхательной цепи митохондрий; 6 – АТФ-синтаза, сопряженная с переносом протонов внутрь митохондрий; 7 – канал для Са
2+
; 8 – переносчик фосфата.
1
43

Цикл транспортных процессов, переносящих
Nа
+
и К
+
через мембрану пе аспарагиновой кислоты; 3 – Аутофосфорилирование изменяет заряд и конформацию транслоказы, она закрывается с внутренней стороны мембраны и открывается с наружной, уменьшается сродство к ионам 3Na
+
и они диссоциируют от переносчика; 4 – Na
+
/
К
+
-АТФ-аза открытая с наружной стороны мембраны имеет специфический центр связывания для двух ионов
К
+
. Присоединение двух ионов
К
+
к фосфорилированной транслоказе вызывает изменение конформации и появление аутофосфатазной активности. Протекает реакция аутодефосфорилирования; 5 – Дефосфорилирование изменяет заряд и конформацию транслоказы, она закрывается с наружной стороны мембраны и открывается с внутрен- ней, уменьшается сродство к ионам
К
+ и они диссоциируют от Na
+
/
К
+
-АТФ-азы; 6 – АТФ-аза возвращается в перво- начальное состояние.
Этапы: 1 – Три иона
Nа
+
связываются специфическим центром транслоказы. Этот фермент-переносчик предс- тавлен Na
+
/К
+
-АТФазой, ко- торая состоит из субъединиц
α и β: α - каталитическая бо- льшая субъединица, a β – ма- лая субъединица (гликопро- теин). Активная форма тран- слоказы - тетрамер (αβ)
2
2 – Изменение конформации транслоказы, вызванное при- соединением 3Na
+
, приводит к активации каталитической субъединицы и увеличению сродства активного центра к субстрату (АТФ). Протекает реакция аутофосфорилирва- ния по карбоксильной груп-
Строение и функционирование Nа
+
,К
+
-
АТФ-азы плазматической мембраны
.
1
44

Функционирование насоса по такой схеме
приводит к следующим результатам:
Во-первых,
насосом поддерживается
высокая
концентрация ионов К
+
внутри клетки, что обеспечивает постоянство величины потенциала покоя. Вследствие того, что за один цикл обмена ионов из клетки выводится на один положительный ион больше, чем вводится, активный транспорт играет роль в создании потенциала покоя. В этом случае говорят об
электрогенном
насосе.
Во-вторых
, этим же насосом поддерживается
низкая
концентрация ионов Na
+
внутри клетки, что, с одной стороны, обеспечивает работу
механизма генерации потенциала
действия
, с другой – обеспечивает сохранение нормальных
осмолярности
и
объема
клетки.
В-третьих
, насос, поддерживая стабильный концентрационный градиент Na
+
, способствует сопряженному
транспорту аминокислот и сахаров через клеточную мембрану.
Таким образом, возникновение трансмембранной разности потенциалов (потенциала покоя) обусловлено высокой
проводимостью
клеточной мембраны в состоянии покоя для ионов К
+
и
Сl
-
, ионной
асимметрией
концентраций для ионов
Na
+
,
К
+
и Cl
-
, работой систем активного транспорта, которые создают и поддерживают ионную асимметрию.
Механизм активного транспорта веществ через мембрану против градиента концентрации с помощью энергии АТФазы и соответствующих насосов называется
первично активным
транспортом.
Существует и
вторично активный транспорт
. Он осуществляется с мембранным белком-переносчиком и в нем взаимодействуют два вещества или более, которые затем перемещаются в клетку. Одно из веществ, например, Na
+
движется через мембрану внутрь клетки по электрохимическому градиенту, а другое вещество, например, глюкоза, перемещается в клетку против градиента. Таким образом, для этого транспорта нет непосредственных затрат энергии АТФ. Движущей силой, облегчающей перемещение веществ, в данном случае является использование градиента концентрации (в нашем случае иона Na
+
) как источника энергии.
1
45

Мифы о происхождении и роли потенциала покоя
Миф первый.
Представление о том, что потенциал покоя является особенностью только нервных клеток и их органоидов,
несостоятелен.
Потенциал покоя – это свойство мембран всех живых кле- ток: нервных, мышечных, железистых, эпителиальнях и так далее.
Миф второй.
Логическая ловушка: внутренняя
электроотрицательность
клетки возникает не из-за появления внутри ее лишних отрицательных частиц (анионов), а наоборот – из-за потери некоторого количества положительных частиц (катионов).
Миф третий.
Многие годы считалось, что в ионнообменных механизмах имеется ионный паритет («один ион внутрь – один ион вне»). На самом деле Na
+
/K
+
АТФаза осуществляет за счет энергии расщепления одной молекулы АТФ перенос
трех
ионов Na
+ наружу и
дву
х ионов K
+
внутрь клетки.
Миф четвертый.
Считалось, что транспорт веществ через мембрану против градиента концент- рации с помощью энергии АТФ и соответствующих насосов является единственным механизмом.
Существует и другой, который осуществляется с мембранным белком-переносчиком. Одно из ве- ществ движется через мембрану внутрь клетки по электрохимическому градиенту, а другое вещест- во перемещается в клетку против градиента. Движущей силой, облегчающей перемещение ве- ществ, в данном случае, является использование
градиента концентрации как источника
энергии
. Примером такого механизма является натрий-кальциевый насос, выводящий
один
ион
Ca
2+
за счет входа в клетку
трех
ионов Na
+
Миф пятый.
Считается, что в ионообменных насосах принимают участие ионы Na
+
, K
+
, Ca
2+
Однако, в 2010 году был предложен новый механизм работы натрий-калиевого насоса – мембран- ного белка Na
+
/K
+
АТФазы. В этом процессе принимает участи и
ион водорода
– протон (H
+
). Ион водорода, связанный с аспартатом, конкурирует с ионом Na
+
, который также имеет место связыва- ния с аспартатом («сайт на аспартате»).
1
46

МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ
ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ

Механизм образования
потенциала действия
В генерации потенциала действия
главенствующая роль принадле-
жит ионным потокам, которые об- условлены изменением проницаемо- сти мембраны во время развития потенциала действия.
При сдвиге мембранного потенциа- ла до критического уровня деполя- ризации мембрана клетки резко из- меняет свою ионную проницае- мость, и возникают трансмембра- нные ионные потоки, под влиянием которых внутренняя поверхность мембраны не только теряет свой от- рицательный потенциал, но и при- обретает положительный заряд, дос- тигающий величины +30-+50 мВ.
1
47