ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.12.2021
Просмотров: 484
Скачиваний: 4
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
74
ГЛАВА 4
БІОФІЗИКА КЛІТИНИ.
БІОЕНЕРГЕТИКА
Біофізика клітини вивчає фізичні основи функціонування клітини,
будову й основні функції біологічних мембран (поверхневої плазматичної
мембрани та мембран внутрішньоклітинних органоїдів) – проникності,
каталітичної активності, електро- та хімозбудливості, енергетичні процеси
клітини, її механічні та електричні властивості, транспорт крізь них
речовин та енергії, генерацію і розповсюдження нервового імпульсу,
процеси рецепції і перетворення енергії, більшість яких здійснюються
на біомембранах.
§ 4.1. СТРУКТУРА І ФУНКЦІЇ КЛІТИННОЇ МЕМБРАНИ
Відповідно до сучасних уявлень, усі клітинні і внутрішньоклітинні
мембрани схожі за будовою: основу складає подвійний молекулярний
шар ліпідів (
біліпідний
шар), на якому і в товщі якого знаходяться
білки (
рис. 5.1.1
).
Рис. 4.1.1.
Схема будови мембрани [2]
У всіх живих клітинах біологічні мембрани виконують
функцію
бар’єра
, який відокремлює її від оточуючого середовища і поділяє
внутрішній об’єм клітини на порівняно ізольовані «відсіки» (
compartments
).
Ці перегородки побудовані з подвійної шару ліпідних молекул
(біліпідний шар) і є практично недосяжними для проникнення іонів і
Основи біофізики і біомеханіки
75
полярних молекул, розчинених у воді. Але у цьому біліпідному шарі
вбудовані численні білкові молекули і молекулярні комплекси, деякі з
яких володіють властивостями селективних (вибіркових) каналів для
іонів і молекул, а інші – насосів, які здатні активно перекачувати іони крізь
мембрану. Бар’єрні властивості мембран і робота мембранних насосів
створюють нерівноважний розподіл іонів між клітиною і зовнішньо-
клітинним середовищем, що лежить в основі процесів внутрішньоклітинної
регуляції і передачі сигналів у формі електричного імпульсу між клітинами.
Інша функція, загальна для всіх мембран – це
функція «монтажного
плато»
або матриці, на якій розташовуються у певному порядку білки
і білкові ансамблі, що створюють системи перенесення електронів,
запас енергії у формі АТФ, регуляцію внутрішньоклітинних процесів
гормонами, які надходять ззовні, розпізнавання інших клітин і
чужорідних білків, рецепцію світла і механічних впливів тощо. Крім
того, гнучка і еластична плівка, якою по суті є всі мембрани, виконує і
визначає певну
механічну
функцію: збереження клітини цілою при
помірних механічних навантаженнях і порушеннях осмотичної рівноваги
між клітиною і оточуючим середовищем.
Загальні для усіх мембран функції бар’єра для іонів та молекул і
матриці для білкових ансамблів забезпечуються, головним чином,
ліпідним бішаром. Однак набір білків є індивідуальним для кожного
типу мембран, що дозволяє останнім брати участь у виконанні
різноманітних функцій у клітинах і клітинних структурах (табл. 4.1.1).
Таблиця 4.1.1
.
Мембрани клітини та їх функції
Клітини
Мембрани
Функції
Усі клітини
Клітинні
(
цитоплазматичні
)
Активне перенесення K
+
, Na
+
, Ca
2+
.
Підтримання осмотичної рівноваги
Більшість клітин
Клітинні
Зв’язування гормонів і включення
механізмів внутрішньоклітинної
сигналізації
Нервові і м’язові
клітини
Клітинні
Генерація потенціалів спокою та дії.
Розповсюдження потенціалів дії
Більшість клітин
(
крім еритроцитів
)
Внутрішня мембрана
мітохондрій
Перенесення електронів на кисень та
синтез АТФ (окислювальне
фосфорилювання)
Більшість клітин
(
крім еритроцитів
)
Ендоплазматичний
ретикулум
Перенесення іонів кальцію з
клітинного соку всередину везикул
Клітини зорового
епітелію
Мембрани зорових дисків
Поглинання квантів світла та генерація
внутрішньоклітинного сигналу
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
76
Наявність біліпідного шару у клітинах є відповідальним за вибірковість
проникнення через цей бар’єр тих чи інших речовин, що створює
умови для виникнення на мембрані
осмотичного тиску
.
На
рис. 4.1.2.
наведено схему досліду, який ілюструє можливий спосіб
демонстрації осмотичного тиску. В будь-який посуд з водою або з деяким
іншим розчинником вводять трубку, нижній торець якої зачинений
напівпроникненою мембраною.
Мембрана з напівпроникністю – це
мембрана, яка володіє доброю проникністю для розчинника і поганою –
для розчинених речовин (хоча б для деяких з них)
. При цьому осмотичний
тиск створюють лише ті речовини, які крізь мембрану не проходять.
Рис. 4.1.2.
Дослід, що доводить існування осмотичного тиску.
У посуд
1
з розчинником (наприклад, чистою водою) опущена
трубка 2, закрита знизу напівпроникною мембраною 3. У трубку
налитий розчин речовини, для якого мембрана непроникна.
Створюється тиск (
h
-висота стовпа рідини).
Речовини, які створюють осмотичний тиск, мають назву
о с м о т и ч н о - а к т и в н и х
речовин.
Біологічні мембрани володіють порівняно доброю проникністю для
води і поганою – для іонів і водорозчинних (гідрофільних) речовин.
Тому більша частина водорозчинних речовин у клітині володіють
осмотичною активністю.
§ 4.2. ПОТЕНЦІАЛ СПОКОЮ НА КЛІТИННІЙ МЕМБРАНІ
У клітині завжди присутні іони
К
+
, Na
+
, Cl
-
, а швидкість їх дифузії
й розподілу в рівноважному стані визначається не тільки проникністю
мембрани й відмінностями в концентрації іонів по обидві її сторони
(хімічний потенціал), але також і електричним потенціалом, що
Основи біофізики і біомеханіки
77
виникають між внутрішнім зовнішнім боками мембрани. Тому вважається,
що рух іонів зумовлений градієнтом електрохімічного потенціалу.
Внаслідок цього між різними ділянками живої клітини й оточуючим
середовищем можуть існувати різниці потенціалів.
Якщо розділити мембраною розчини з різною концентрацією іонів,
що вільно дифундують, то між двома її боками виникне напруга, яка
називається
трансмембранним потенціалом
. Його можна виміряти за
допомогою двох мікроелектродів, з’єднаних із чутливим вольтметром:
один електрод, зроблений зі скляного капіляра з діаметром приблизно
1 мкм, уводиться через клітинну стінку й плазмалемму всередину
клітки, а інший електрод розташовується поза клітиною.
Клітинний мембранний потенціал визначають, як різницю
потенціалів між внутрішньоклітинним й оточуючим середовищем. Ця
різниця потенціалів має назву
п о т е н ц і а л у с п о к о ю .
Якщо
зовнішній потенціал прийняти за 0, то внутрішній складає від – 50 до –
90 мВ, залежно від виду клітин. Тобто внутрішній бік мембрани
заряджений електронегативно по відношенню до зовнішньої.
Потенціал спокою зумовлений вибірковою проникністю мембрани
для іонів
К
+
. Концентрація
К
+
у протоплазмі приблизно у 50 разів
вище, ніж у позаклітинній рідині, тому дифундуючи з клітини, іони
виносять на зовнішній бік мембрани позитивні заряди, при цьому
внутрішній бік мембрани, яка є практично не проникною для великих
органічних аніонів, приймає від’ємно заряджений потенціал.
Потенціал спокою визначається р і в н о в а ж н и м к а л і є в и м
п о т е н ц і а л о м і описується
рівнянням Нернста
:
∆
=
i
e
K
K
F
T
R
ln
,
(4.2.1.)
де
R
– універсальна газова постійна,
Т
– абсолютна температура, F – число
Фарадея,
К
+
0
і
К
+
і
– зовнішня і внутрішня концентрації іонів калію
відповідно.
Якщо внутрішньоклітинна концентрація
К
+
у 50 разів перевищує
зовнішню, то потенціал спокою при температурі 27
о
С складає – 100,7 мВ.
Визначимо залежність потенціалу спокою від концентрації і
коефіцієнтів проникненості іонів. У стаціонарному стані сума потоків
іонів крізь мембрану дорівнює нулю:
J
Na
+ J
K
– J
Cl
= 0
(4.2.2.)
При цьому потоки окремих іонів можуть і відрізнятися від нуля. Через
те, що іони хлора заряджені негативно, то перед потоком іонів хлору
ставиться знак «–».
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
78
Використавши рівняння Гольдмана і зробивши відповідні перебудови,
маємо:
,
ln
i
Cl
i
Na
i
K
e
Cl
e
Na
e
K
Cl
P
Na
P
K
P
Cl
P
Na
P
K
P
F
T
R
(4.2.3.)
де
P
K
,P
Na
,, P
Cl
–
проникності для іонів
К, Na, Cl
відповідно.
Цей вираз має назву
рівняння Гольдмана-Ходжкіна-Катца
.
У стані спокою мембранні проникності для іонів калію, натрію та
хлору відносяться один до одного як:
P
K
:P
Na
:P
Cl
= 1:0,04:0,45
(4.2.4.)
Через те, що провідність клітини для іонів калію є набагато вищою
її проникності для інших іонів, то
потенціал спокою визначається
переважно
різницею концентрацій іонів калію.
Величина потенціалу спокою завжди дещо нижче рівноважного
калієвого потенціалу, що пояснюється просочуванням всередину клітини
іонів натрію, котрі приносять туди свій додатній заряд. Дифузія
від’ємно заряджених іонів хлору, навпаки, сприяє збільшенню
∆
.
Таким чином, внесок у формування потенціалу спокою вносять потоки
всіх іонів, коефіцієнти проникненості яких відрізняються від нуля.
Підтримка різниці концентрацій іонів здійснюється за допомогою
роботи іонних насосів, які використовують енергію АТФ.
Na
+
-K
+
насос
до того ж сприяє збільшенню трансмембранного потенціалу, бо
виводить три іони натрію і закачує у клітину лише два іони калію, що
збільшує позитивний заряд міжклітинного середовища, а через це –
збільшує потенціал спокою.
Оскільки проникність мембрани у спокої для
Na
+
є приблизно у 25
разів нижчою, ніж для
К
+
, дифузія натрію з позаклітинної рідини (де
він є основним катіоном) у протоплазму мала і лише трохи знижує
потенціал спокою, зумовлений іонами
К
+
. Таким чином, причиною
виникнення потенціалу спокою є наявність градієнту концентрацій
іонів
К
+
, Na
+
, Cl
-
на клітинній мембрані.
Збільшення трансмембранної різниці потенціалів називається
гіперполяризацією
, зменшення –
деполяризацією
. В останньому випадку
може навіть змінитися знак внутрішньоклітинного потенціалу.
Зменшенню потенціалу спокою сприяє вживання різних видів отрути
(наприклад, батрахотоксину), які збільшують проникність клітинної
мембрани для іонів натрію. До такого ж ефекту призводить
гальмування процесів, які забезпечують у клітині синтез АТФ.