Na + /K + siurblys arba Na + /K + ATPazė, kaip ir jonų kanalai, taip pat yra integruotų membraninių baltymų kompleksas, kuris gali ne tik atverti kelią jonui judėti gradientu, bet ir aktyviai judinti jonus prieš koncentracijos gradientą. . Siurblio veikimo mechanizmas parodytas 8 pav.
Baltymų kompleksas yra E1 būsenoje, šioje būsenoje siurblys jautrus natrio jonams ir iš citoplazminės pusės 3 natrio jonai jungiasi prie fermento
Sujungus natrio jonus, ATP hidrolizuojamas ir išsiskiria energija, būtinas jonams pernešti prieš koncentracijos gradientą, išsiskiria ADP neorganinis fosfatas (todėl siurblys vadinamas Na + /K + ATPaze).
Siurblys keičia formą ir pereina į E2 būseną. Šiuo atveju natrio jonų surišimo vietos pasisuka į išorę. Šioje būsenoje siurblys turi mažą afinitetą natriui ir jonai išsiskiria į tarpląstelinę aplinką.
E2 konformacijoje fermentas turi didelį afinitetą kaliui ir jungiasi su 2 jonais.
Kalis pernešamas, išleidžiamas į tarpląstelinę aplinką ir prisitvirtina ATP molekulė – siurblys grįžta į E1 konformaciją, vėl įgyja afinitetą natrio jonams ir įtraukiamas į naują ciklą.
8 pav. Na + /K + ATPazės veikimo mechanizmas
Atkreipkite dėmesį, kad Na+/K+ siurblys nešioja 3 natrio jonų iš ląstelės mainais už 2 kalio jonų. Todėl siurblys yra elektrogeninis: Iš viso per vieną ciklą iš ląstelės pašalinamas vienas teigiamas krūvis. Transporto baltymas atlieka nuo 150 iki 600 ciklų per sekundę. Kadangi siurblio veikimas yra daugiapakopė cheminė reakcija, ji, kaip ir visos cheminės reakcijos, labai priklauso nuo temperatūros. Kita siurblio savybė yra prisotinimo lygis, o tai reiškia, kad didėjant transportuojamų jonų koncentracijai, siurblio greitis negali didėti neribotai. Priešingai, pasyviai difuzuojančios medžiagos srautas didėja proporcingai koncentracijos skirtumui.
Be Na + /K + siurblio, membranoje taip pat yra kalcio pompa; šis siurblys ištraukia kalcio jonus iš ląstelės. Kalcio pompa yra labai didelio tankio raumenų ląstelių sarkoplazminiame tinkle. Tinklinės cisternos kaupia kalcio jonus dėl ATP molekulės irimo.
Taigi Na + /K + siurblio rezultatas yra transmembraninis natrio ir kalio koncentracijų skirtumas. Sužinokite natrio, kalio ir chloro koncentracijas (mmol/l) ląstelės išorėje ir viduje!
Jonų koncentracija ląstelės viduje ir išorėje
Taigi, norint suprasti mechanizmus, palaikančius ramybės membranos potencialą, reikia atsižvelgti į du faktus.
1 . Kalio jonų koncentracija ląstelėje yra daug didesnė nei tarpląstelinėje aplinkoje. 2 . Ramybės būsenoje esanti membrana yra selektyviai pralaidi K +, o Na + membranos pralaidumas ramybės būsenoje yra nereikšmingas. Jei laikysime, kad kalio pralaidumas yra 1, tai natrio pralaidumas ramybės būsenoje yra tik 0,04. Vadinasi, vyksta nuolatinis K jonų srautas + iš citoplazmos pagal koncentracijos gradientą. Kalio srovė iš citoplazmos sukuria santykinį teigiamų krūvių trūkumą vidiniame paviršiuje, ląstelės membrana yra nepralaidi anijonams, todėl ląstelės citoplazma įkraunama neigiamai ląstelę supančios aplinkos atžvilgiu. Šis potencialų skirtumas tarp ląstelės ir tarpląstelinės erdvės, ląstelės poliarizacija, vadinamas ramybės membranos potencialu (RMP).
Kyla klausimas: kodėl kalio jonų srautas nesitęsia tol, kol jonų koncentracijos ląstelės išorėje ir viduje nesusibalansuoja? Reikia atsiminti, kad tai yra įkrauta dalelė, todėl jos judėjimas taip pat priklauso nuo membranos krūvio. Tarpląstelinis neigiamas krūvis, susidarantis dėl kalio jonų srauto iš ląstelės, neleidžia naujiems kalio jonams išeiti iš ląstelės. Kalio jonų srautas sustoja, kai elektrinio lauko veikimas kompensuoja jono judėjimą koncentracijos gradientu. Vadinasi, esant tam tikram jonų koncentracijų skirtumui membranoje, susidaro vadinamasis kalio PUSIAUSVYROS POTENCIALAS. Šis potencialas (Ek) yra lygus RT/nF *ln Koutside/Kinside, (n yra jono valentingumas.) arba
Ek=61,5 žurnalas Klauke / Kviduje
Membranos potencialas (MP) labai priklauso nuo kalio pusiausvyros potencialo, tačiau kai kurie natrio jonai vis tiek prasiskverbia į ramybės būseną, taip pat chlorido jonai. Taigi neigiamas krūvis, kurį turi ląstelės membrana, priklauso nuo natrio, kalio ir chloro pusiausvyros potencialų ir yra apibūdinamas Nernsto lygtimi. Šio ramybės būsenos membranos potencialo buvimas yra nepaprastai svarbus, nes jis lemia ląstelės gebėjimą sužadinti – specifinį atsaką į dirgiklį.
· Ląstelinis sužadinimas susidaro būtent dėl jonų pernešimo. Ląstelės membranos bilipidinis sluoksnis yra nepralaidus jonams (Na, K, Cl), jų transportavimui į ląstelę ir iš jos skirti jonų kanalai – specialūs integraliniai baltymai, pasižymintys specifiškumo savybėmis (pralaidumas konkrečiam jonui, kuris yra susijęs su jo dydžiu hidratacijos apvalkale) ir reguliuojamumu.
Galite cituoti tokią klasifikaciją jonų kanalai:
1. Nereguliuojamas (visada atidarytas)
2.Reguliuojamas
Priklauso nuo įtampos
Priklauso nuo ligando
Termiškai jautrus
Mechaniškai jautrus
Svarstant sužadinimo temą ypač domina potencialūs jonų kanalai (2 pav.).
Ryžiai. 2.
Diagrama iliustruoja nuo įtampos priklausomą kanalą ramybės būsenoje (1), įjungtoje (2) ir inaktyvuotoje (3) būsenoje, kurią lemia membranos potencialo vertė. Atitinkamai: 1 kanalas neveikia, nes vartų mechanizmas (manoma, kad kanalą sudaranti baltymo molekulės įkrauta grupė) yra uždarytas; 2 kanalas yra atviras (dėl MP sumažėjimo) ir leidžia katijonams praeiti pro (J); 3 kanalai neleidžia jonams praeiti dėl kitos įkrautos grupės erdvinės padėties pasikeitimo. Medžiaga (vaistas, pažymėtas trikampiu) gali pagreitinti ir palengvinti inaktyvavimą (4), blokuoti atvirą kanalą (5), palengvinti aktyvavimą (6a) arba trukdyti inaktyvuoti (6b).
Jonų kanalai skirti reguliuoti pasyvų jonų transportavimą difuzijos būdu pagal koncentracijos gradientą (iš didesnės koncentracijos srities į mažesnės koncentracijos sritį). Tačiau yra ir transportavimas prieš koncentracijos gradientą, kuris apima energijos sąnaudas naudojant membraninius baltymus - ATPazes. Šie baltymai defosforilina ATP molekules ir dėl energijos, išsiskiriančios didelės energijos jungčių hidrolizės metu, perneša jonus per membraną prieš koncentracijos gradientą, naudodami „siurblio“ principą vandens išpumpavimui. Iš esmės šis transporto maršrutas yra priešingas pasyviajam transportui. Pagrindinis kanalas aktyvus transportas jonai per membraną yra Na-KATPazės baltymas, kuris, hidrolizavęs 1 ATP molekulę, perneša 3Na iš ląstelės ir 2K į ląstelę. Apskritai 30% visos ATP energijos ląstelėje išleidžiama aktyviam membranos transportavimui.
Jonų membranos pernešimo tikslas – palaikyti jonų koncentracijų skirtumą citoplazmoje ir išorinėje aplinkoje. Veikdami nuolat ir priešingai, kompensuodami vienas kitą, pasyvieji ir aktyvieji jonų pernešimo mechanizmai užtikrina dinaminės koncentracijos disbalanso palaikymą, stabilų laikui bėgant.
Ramybės membranos potencialas
Jonų – įkrautų dalelių – koncentracijų skirtumas ląstelės viduje ir išorėje lemia citoplazmos ir išorinės aplinkos krūvių skirtumą, taigi ir krūvių skirtumą vidiniame ir išoriniame membranos paviršiuose, o tai yra membranos potencialo atsiradimo sąlyga. Ramybės potencialas (RP) – tai nesužadintos ląstelės membranos potencialas. Tai rodo elektrinių potencialų skirtumą vidinėje ir išorinėje membranos pusėse, o šiltakraujų gyvūnų svyruoja nuo -55 iki -100 mV. Neuronuose ir nervinėse skaidulose paprastai būna -70 mV.
Kadangi membranos krūvis paaiškinamas jonų koncentracijų skirtumu abiejose jos pusėse, membranos potencialas priklauso ir nuo jonų koncentracijos citoplazmoje ir tarpląsteliniame skystyje.
Norint apskaičiuoti membranos potencialą pagal jonų koncentraciją, naudojama Nernsto lygtis.
Nernsto lygtis
Ф - ramybės membranos potencialas
R= 8,31 – universali dujų konstanta
T – absoliuti temperatūra
Z – jonų krūvis
F=96000 – Faradėjaus konstanta
Co - jonų koncentracija lauke
Ci – jonų koncentracija viduje
Naudodamiesi Nernsto lygtimi, galite apskaičiuoti pusiausvyros transmembraninį potencialą K +, kuris nustato ramybės potencialo vertę. Tačiau ramybės potencialo vertė ne visiškai sutampa su df, nes natrio ir chloro jonai, tiksliau, jų pusiausvyros potencialai taip pat dalyvauja jį kuriant.
Įrodyta, kad pagrindinį indėlį į ramybės potencialo kūrimą įneša išeinanti kalio srovė, kuri atliekama per specifinius kanalo baltymus – nuolatinės srovės kalio kanalus. Ramybės būsenoje kalio kanalai yra atviri, o natrio kanalai yra uždaryti. Kalio jonai palieka ląstelę pagal koncentracijos gradientą, kuris sukuria teigiamų krūvių perteklių membranos išorėje; tuo pačiu metu įjungta viduje membranos lieka neigiamai įkrautos. Tam tikrą (nedidelį) indėlį į poilsio potencialo sukūrimą taip pat įneša vadinamojo „natrio-kalio siurblio“, kurį sudaro specialus membraninis fermentas - natrio-kalio ATPazė, darbas.
Daugumos neuronų ramybės potencialas yra nuo 60 mV iki 70 mV. Nejautriųjų audinių ląstelės taip pat turi potencialų skirtumą ant membranos, kuris yra skirtingas skirtingų audinių ir organizmų ląstelėms.
Poilsio potencialo formavimas
Pirmasis etapas: nedidelio (-10 mV) negatyvumo sukūrimas ląstelės viduje dėl nevienodo asimetrinio Na + mainų K + santykiu 3:2. Dėl to daugiau teigiamų krūvių palieka ląstelę su natriu, nei grąžinama į ją su kaliu. Ši natrio-kalio siurblio savybė, kuri keičia šiuos jonus per membraną, sunaudodama ATP energiją, užtikrina jo elektrogeniškumą.
Membraninių jonų keitiklių siurblių veiklos rezultatai pirmajame PP susidarymo etape yra tokie:
1. Natrio jonų (Na +) trūkumas ląstelėje.
2. Kalio jonų (K +) perteklius ląstelėje.
3. Silpno elektrinio potencialo (-10 mV) atsiradimas ant membranos.
Antrasis etapas: reikšmingo (-60 mV) negatyvumo sukūrimas ląstelės viduje dėl K + jonų nutekėjimo iš jos per membraną. Kalio jonai K+ palieka ląstelę ir atima iš jos teigiamus krūvius, neigiamą krūvį padidindami iki -70 mV.
Taigi ramybės membranos potencialas yra teigiamų elektros krūvių trūkumas ląstelės viduje, atsirandantis dėl teigiamų kalio jonų nutekėjimo iš jos ir elektrogeninio natrio-kalio siurblio veikimo.
Abu šie elementai yra pirmoje periodinės sistemos grupėje – jie yra kaimynai ir daugeliu atžvilgių panašūs vienas į kitą. Aktyvūs, tipiški metalai, kurių atomai lengvai atsiskiria nuo vienintelio išorinio elektrono, pereidami į joninę būseną; šie elementai sudaro daugybę druskų, plačiai paplitusių gamtoje. Tačiau atidžiau panagrinėjus paaiškėja, kad natrio ir kalio biologinės funkcijos nėra vienodos. Kalio druskas geriau pasisavina dirvožemio kompleksas, todėl augalų audiniuose yra santykinai daugiau kalio, o jūros vandenyje vyrauja natrio druskos. Biologinėse mašinose abu šie jonai kartais veikia kartu, kartais visiškai priešingai.
Abu jonai dalyvauja sklindant elektriniams impulsams išilgai nervo. Ramybės nerve, jo vidinėje dalyje, sutelktas neigiamas krūvis (20 pav., a), o išorinėje pusėje – teigiamas krūvis; kalio jonų koncentracija yra didesnė už natrio jonų koncentraciją nervo viduje. Sudirginant pasikeičia membranos pralaidumas nervų pluoštas, o natrio jonai veržiasi į nervą greičiau nei kalio jonai spėja pasitraukti (20 pav., b). Dėl to nervinės skaidulos išorėje atsiranda neigiamas krūvis (ten nepakanka katijonų), o nervo viduje (kur dabar yra katijonų perteklius) – teigiamas (20 pav., c). Išorinėje pluošto pusėje pradeda sklisti natrio jonų difuzija iš gretimų sričių į tą, kurioje šio metalo jonų trūksta. Energetinė difuzija lemia neigiamo krūvio atsiradimą gretimose srityse (20 pav., d), o pradinėje srityje atkuriama pirminė būsena. Taigi, poliarizacijos būsena (plius - viduje, minusas - išorė) judėjo palei nervinę skaidulą. Tada visi procesai kartojasi, o nervinis impulsas gana greitai pasklinda po visą nervą. Vadinasi, elektrinio impulso sklidimo palei nervą mechanizmas yra dėl skirtingo nervinio pluošto membranos pralaidumo natrio ir kalio jonų atžvilgiu.
Ląstelių membranų pralaidumo tam tikroms medžiagoms klausimas yra nepaprastai svarbus. Medžiagos praėjimas per biologinę membraną ne visada primena paprastą difuziją per porėtą pertvarą. Pavyzdžiui, gliukozė ir kiti angliavandeniai pereina per raudonųjų kraujo kūnelių membraną, naudojant specialų transporterį, pernešantį molekules per membraną. Tokiu atveju turi būti laikomasi ypatingų sąlygų – angliavandenių molekulė turi turėti tam tikrą formą, ji turi būti sulenkta taip, kad jos kontūras įgautų kėdės kontūrus, kitaip perkėlimas gali neįvykti. Angliavandenių koncentracija išorinėje aplinkoje yra didesnė nei eritrocito viduje, todėl šis perdavimas vadinamas pasyviu.
Pasitaiko atvejų, kai membrana yra sandariai uždaryta tam tikriems jonams: ypač mitochondrijose vidinė membrana išvis nepraleidžia kalio jonų. Tačiau šie jonai patenka į mitochondrijas, jei aplinkoje yra antibiotikų valinomicino ar gramicidino. Valinomicino specializacija daugiausia yra kalio jonai (jis taip pat gali transportuoti rubidžio ir cezio jonus), o gramicidinas, be kalio, dar perneša natrio, ličio, rubidžio ir cezio jonus.
Nustatyta, kad tokių laidininkų molekulės yra vairo formos, skylės spindulys yra toks, kad vairo viduje būtų patalpintas kalio, natrio ar kito šarminio metalo jonas. Šie antibiotikai buvo vadinami jonoforais („jonų nešikliais“). Fig. 21 paveiksle parodytos valinomicino ir gramicidino molekulių jonų pernešimo per membraną diagramos. Labai tikėtina, kad toksinis antibiotikų poveikis įvairiems mikroorganizmams atsiranda būtent dėl to, kad esant jiems, membranos pradeda įsileisti tuos jonus, kurių neva nėra; tai sutrikdo mikroorganizmo ląstelės cheminių sistemų funkcionavimą ir sukelia jos mirtį arba rimtus sutrikimus, kurie sustabdo jos dauginimąsi.
Aktyvus pernešimas per membranas atlieka svarbų vaidmenį biologinėse mašinose (žr. 8 skyrių). Kyla klausimas: iš kur atsiranda energija, reikalinga aktyviam perkėlimui, ir ar įmanoma tai atlikti be specialaus nešiklio?
Kalbant apie energiją, galiausiai ją tiekia tos pačios universalios molekulės ATP arba kreatino fosfatas, kurių hidrolizę lydi didelis energijos kiekis. Tačiau kalbant apie nešiklius, klausimas ne toks aiškus, nors neabejotina, kad neįmanoma išsiversti be kalio ir natrio metalo jonų.
Įvairių medžiagų (baltymų ir mineralų) koncentracija ląstelėje didesnė nei aplinkoje; dėl šios priežasties ląstelei dažniausiai gresia per didelis vandens įsiskverbimas į ją (dėl osmoso). Siekdama to atsikratyti, ląstelė pumpuoja natrio jonus į aplinką ir taip išlygina osmosinį slėgį. Dėl šios priežasties natrio jonų koncentracija ląstelėje yra mažesnė nei aplinkoje. Čia vėl atskleidžiamas skirtumas tarp natrio ir kalio. Natris pašalinamas, o kalio jonų koncentracija ląstelės viduje yra santykinai didesnė. Taigi raudonuosiuose kraujo kūneliuose yra maždaug penkis kartus daugiau kalio nei natrio.
O raumenyse yra daug kalio: 100 g žalio raumenų audinys kalio yra 366 mg, o natrio - 65 mg. Kalis raumenyse palengvina rutulinės aktino formos perėjimą į fibrilinę formą, kuri susijungia su miozinu (žr. aukščiau).
Yra atvejų, kai kalio jonų aktyvuotą fermentą slopina natrio jonai, ir atvirkščiai. Todėl biochemikų dėmesį patraukė fermento, kurio veikimui reikalingi abu jonai, atradimas. Šis fermentas pagreitina ATP hidrolizę ir vadinamas (K + Na) ATPaze. Norėdami suprasti jo vaidmenį ir veikimo mechanizmą, vėl turime pereiti prie perdavimo procesų.
Kaip jau minėjome, kalio jonų koncentracija ląstelėse padidėja, o supančioje ląstelių aplinkoje santykinai daugiau natrio. Dėl natrio jonų siurbimo iš ląstelės į ląstelę padidėja kalio jonų, taip pat kitų medžiagų (gliukozės, aminorūgščių) patekimas į ląstelę. Natrio ir kalio jonai gali būti keičiami pagal principą „jonas į joną“, ir tada nėra potencialų skirtumo abiejose ląstelės membranos pusėse. Bet jei ląstelėje yra daugiau kalio jonų, nei liko natrio jonų, gali įvykti potencialus šuolis (apie 100 mV); natrio siurbimo sistema vadinama "natrio siurbliu". Jei atsiranda potencialų skirtumas, vartojamas terminas „elektrogeninis natrio siurblys“.
Pasirodo, kad į ląstelę reikia įvesti didelius kalio jonų kiekius, nes kalio jonai skatina baltymų sintezę (ribosomose) ir taip pat pagreitina glikolizės procesą.
Ląstelės membranoje yra (K + Na) ATPazė, baltymas, kurio molekulinė masė yra 670 000, kuris dar nebuvo atskirtas nuo membranų. Šis fermentas hidrolizuoja ATP, o hidrolizės energija panaudojama jo perkėlimui didėjančios koncentracijos kryptimi.
Nepaprasta (K + Na) ATPazės savybė yra ta, kad ATP hidrolizės procese ji aktyvuojama iš ląstelės vidaus natrio jonais (taip užtikrinama natrio išsiskyrimas), o iš ląstelės išorės (iš aplinkos). kalio jonais (palengvinant jų patekimą į ląstelę); Dėl to įvyksta ląstelei būtinų šių metalų jonų pasiskirstymas. Įdomu pastebėti, kad natrio jonai ląstelėje negali būti pakeisti jokiais kitais jonais. ATPazę viduje aktyvuoja tik natrio jonai, tačiau išoriškai veikiančius kalio jonus galima pakeisti rubidžio arba amonio jonais.
Atskirų organų, ypač širdies, funkcijoms svarbi ne tik kalio, natrio, kalcio ir magnio jonų koncentracija, bet ir jų santykis, kuris turi būti tam tikrose ribose. Šių jonų koncentracijų santykis žmogaus kraujyje nelabai skiriasi nuo atitinkamo jūros vandeniui būdingo santykio. Gali būti, kad biologinė evoliucija nuo pirmųjų gyvybės formų, atsiradusių pirmykščio vandenyno vandenyse ar jo seklumose, iki aukščiausių formų, išlaikė tam tikrus cheminius tolimos praeities „atspaudus“...
Grįžtant prie šio skyriaus pradžios, vėl primename jonų daugiafunkciškumą, jų gebėjimą atlikti pačias įvairiausias pareigas organizmuose. Kalcis, natris, kalis ir kobaltas rodo šį gebėjimą įvairiais būdais. Kobaltas sudaro stiprų korino tipo kompleksą, o šis kompleksas jau katalizuoja įvairias reakcijas. Kalcis, natris, kalis atlieka aktyvatorių funkcijas. Tačiau magnio jonas gali veikti ir kaip aktyvatorius, ir kaip stipraus kompleksinio junginio – chlorofilo, vieno iš svarbiausių gamtos sukurtų junginių, komponentas.
Žymus mokslininkas K. A. Timiriazevas skyrė chlorofilui kūrinį, kurį pavadino „Saulė, gyvybė ir chlorofilas“, nurodydamas, kad būtent chlorofilas yra grandis, jungianti Saulės energijos išsiskyrimo procesus su gyvybe Žemėje.
Kitame skyriuje apžvelgsime šio įdomaus junginio savybes.
MPP susidarymui būtini: 1) joniniai transmembraniniai gradientai tarp citozolio ir ekstraląstelinės aplinkos (pagrindinį vaidmenį atlieka natrio ir kalio jonai); 2) skirtingas membranos pralaidumas jonams, kurį lemia membranos jonų kanalai.
Gradientų dydžiai: K + ląstelės citozolyje yra maždaug 33 kartus didesnis nei tarpląstelinėje aplinkoje; Na + ląstelėje yra maždaug 14 kartų mažiau, C1 - 20 kartų mažiau, o Ca 2+ - dešimtis tūkstančių kartų mažiau nei tarpląstelinėje aplinkoje.
Gradiento susidarymo mechanizmai: kalio-natrio siurblys formuoja Na + ir K + gradientus (1.2.3 pav.). C1~ gradientas susidaro dėl K + gradiento energijos panaudojimo jų bendro transportavimo iš ląstelės metu, taip pat pakeitus jį bikarbonatu naudojant CI/HCO3 anijonų keitiklį. Jonai aktyviai pašalinami iš ląstelės naudojant Ca 2+ siurblį ir jonų mainus į Na +.
Ryžiai. 1.2.3. Kalio-natrio pompa ląstelės membranoje. Naudodamas vienos ATP molekulės fosfatų grupės energiją, siurblys perneša du K + jonus prieš koncentracijos gradientą iš ekstraląstelinio skysčio į ląstelės citozolį ir tris Na + jonus priešinga kryptimi.
Skirtingą membranos pralaidumą jonams lemia jonų kanalų buvimas, jų skaičius ir būsena.
Jonų kanalai - integraliniai membraniniai baltymai, susidedantys iš kelių subvienetų, kurie sudaro angą (porą) ir gali didesniu ar mažesniu selektyvumu į ląstelę įleisti arba iš jos išleisti neorganinius jonus pagal koncentraciją ir elektrinius gradientus (1.2.4 pav.).
Ryžiai. 1.2.4.
A- nuotėkio kanalai be vartų mechanizmo; dievas- kanalai su vartų mechanizmu: b- kanalas uždarytas, potencialiai aktyvus, V- kanalas atidarytas, G- kanalas uždarytas, išjungtas; d- lipidinis dvisluoksnis membranos sluoksnis; 1 - selektyvus filtras;
2 - aktyvavimo vartai; 3 - inaktyvavimo vartai
Kanalas turi sekciją, kuri veikia kaip „selektyvus filtras“ (d = 0,3-0,6 nm), per kurį jonas gali praeiti iš dalies arba visiškai praradęs savo vandens apvalkalas. Per 1 s per jonų kanalą gali praeiti iki 20 milijonų jonų, todėl kanalų jonų srovės yra daug kartų didesnės už jonų sroves, susijusias su jonų siurblių ir jonų mainų veikimu.
Yra keletas jonų kanalų tipų. Kanalai turi vartų mechanizmą, kuris nustato uždaryta(potencialiai aktyvus), atviras(aktyvuota) arba uždaryta(neaktyvaus) kanalo būsena. Kanalo pralaidumas („vartų“ būsena) reguliuojamas: 1) keičiant membranos poliarizaciją (įtampa valdomi kanalai); 2) įtaka cheminių medžiagų- neurotransmiteriai, hormonai, vaistai (chemiškai kontroliuojami kanalai); 3) membranos deformacija (mechaniškai jautrūs kanalai).
Įtampa valdomi kanalai(natrio, kalio, kalcio, chlorido) randama jaudinamose ląstelėse. Jie turi dipolio pavidalo vartų „dalelę“ (kanalo jutiklį), kurios galuose yra priešingi krūviai. Pagal vartų reakcijos laiką (nuo milisekundžių iki sekundžių) kanalai skirstomi į greituosius ir lėtuosius. Tos jaudinamųjų ląstelių membranos dalys, kurios turi tokius kanalus, vadinamos jaudinamomis membranomis (tik jose galima susidaryti veikimo potencialą).
Chemokontroliuojami kanalai(„receptorių kanalas“, „jonotropinis receptorius“) yra receptoriaus dalis, kurią veikia bioaktyvios medžiagos: neurotransmiteriai – acetilcholinas, GABA, glutamatas ir kt., hormonai, vaistai(pavyzdžiui, M-cholinerginis receptorius, GABA A receptorius ir kt.).
Mechaniškai jautrūs kanalai(MCP) keičia laidumą, reaguodami į membranos deformaciją, veikiant mechaniniams dirgikliams, hidrostatiniam ir osmosiniam slėgiui. Paryškinta Skirtingos rūšys MCP: membranos tempimo aktyvuojami ir slopinami kanalai; katijoniniai (kalio, kalcio, neselektyvūs), anijoniniai kanalai ir tt Jie gali sukurti sroves, kurių pakaktų pakeisti membranos elektrinį potencialą ir suaktyvinti nuo įtampos priklausomus kanalus.
Fiziologinio poilsio būsenoje membranos pralaidumą (P) daugiausia lemia nuotėkio kanalai. Jis yra labai mažas Na +, vidutinis C1_ ir didesnis K +. Jei P R+ priimti
vienetui, tada P k+ : P sg: P Na+ = 1: 0,4: 0,04.
Ramybės membranos potencialo atsiradimo mechanizmai. K+ difuzija iš ląstelės per nuotėkio kanalus į pusiausvyros potencialą (E k+ = -94 mV) yra pagrindinis MPP susidarymo mechanizmas.
(K+ kaip poliarizuojantis jonas). Pusiausvyros potencialas (E jonas) K + yra potencialas, kuriame atsiranda dviejų jėgų lygybė: jono judėjimo išilgai cheminio gradiento jėgos ir priešingos elektrostatinės jėgos. Kai šios jėgos yra lygios, jonų difuzija sustoja. K+ difuzija iš ląstelės veikiant elektrostatinei jėgai (krūvio skirtumui) neša citozolinius anijonus (baltymus, fosfatus), kurie sustoja šalia vidinio ląstelės membranos paviršiaus, jiems nepralaidūs, suformuodami neigiamą membranos potencialą.
Asimetriškas kalio-natrio siurblio veikimas (į ląstelę patekusiems 2 K + jonams iš jos pašalinami 3 Na + jonai) sukuria membranos poliarizaciją (apie -10 mV) ir yra antrasis MPP susidarymo mechanizmas (žr. 1.2.3 pav.).
Dėl nedidelės Na + difuzijos per nutekėjimo kanalus į ląstelę (E Na + = +60 mV) tikrasis MPP yra šiek tiek mažesnis nei E k +
(Na+ kaip depoliarizuojantis jonas).
Funkcinis MPP vaidmuo. Neigiamas membranos potencialas ir daugiausia tarpląstelinė natrio jonų vieta sukuria didelę Na + elektrovaros jėgą, nukreiptą į šio katijono judėjimą į ląstelę. Esant atviriems Na + -Ka- kanalams, ši jėga lemia išskirtinį Na + vaidmenį kuriant biopotencialus (depoliarizacijos fazė). Jaudinamųjų ir nežadinamųjų ląstelių transporterių ir jonų mainų veikloje leidžia antriniam aktyviam transportavimui: elektrovaros jėga Na + panaudojama amino rūgštims ir gliukozei pernešti į ląstelę arba iš ląstelės pašalinti kalcio ir vandenilio jonus.
Potencialus ir kritinis depoliarizacijos lygis. Pagrindinis sužadinamųjų ląstelių potencialas yra veikimo potencialas (AP). Šiuo atveju dirgiklis natūraliomis sąlygomis yra biopotencialai (receptoriniai, sinapsiniai) ir jų biosrovės, kurios depoliarizuoja membraną, turinčią įtampos valdomus jonų kanalus. AP atsiranda, jei dirgiklis sugeba depoliarizuoti membraną iki kritinio lygio (maždaug 15-20 mV). Jei depoliarizacija veikiant dirgikliui nepasiekia kritinės ribos, t.y. dirgiklis yra subslenkstis, AP neatsiranda, bet susidaro prepotencialas.
Prepotencialas (lokalinis atsakas) – tai vietinis potencialas, atsirandantis dėl subslenkstinių dirgiklių veikimo tose pačiose membranos srityse, kuriose atsiranda veikimo potencialas (t. y. turinčios įtampos valdomus kanalus). Prepotencialas yra subslenksčio srityje (tarp MPP ir kritinio depoliarizacijos lygio) ir turi depoliarizacijos ir repoliarizacijos fazes (1.2.5 pav.).
Prepotencialo atsiradimo mechanizmai. Veikiant subslenkstiniam dirgikliui, vyksta depoliarizacija, susijusi su įtampos valdomų 1Cha + kanalų atsidarymu ir į ląstelę patekusiu Na + -TOKOM, kuris nepasiekia kritinio depoliarizacijos lygio. Depoliarizacija taip pat atveria lėtesnius įtampos K + kanalus, kurie padidina K + srovę, išeinančią iš ląstelės, ir tada sukelia repoliarizacijos fazę. Esant išankstiniam potencialui, Na + -TOK, patenkanti į elementą, yra mažesnė nei K + -srovė, išeinanti iš ląstelės per įtampos valdomus kanalus ir K + -nuotėkio kanalus. Todėl nustojus veikti subslenkstiniam stimului, prepotencialas išnyksta.
Ryžiai. 1.2.5.Vietinio atsako (prepotencialo) ir veikimo potencialo schema: 7 - depoliarizacija; 2 - repoliarizacija
Pretencialo savybės. Prepotencialo amplitudė tiesiogiai priklauso nuo dirgiklio stiprumo, atsiranda pagal „stiprumo“ dėsnį (jo amplitudė proporcinga dirgiklio stiprumui). Prepotencialai gali būti sumuojami; jei intervalai tarp dirgiklių yra trumpesni už potencialo egzistavimo trukmę, naujas potencialas bus sumuojamas su ankstesniu. Vadinasi, aukšto dažnio subslenkstiniai dirgikliai gali depoliarizuoti membraną iki kritinio lygio ir sukelti AP. Esant potencialui, jaudrumas padidėja. Prepotencialo plitimas vyksta su amplitudės susilpnėjimu nedideliais atstumais (dažniausiai 1 mm ribose).
Kritinis depoliarizacijos lygis(CUD, arba kritinis potencialas – E cr) – lygis, kuriame membranos depoliarizacija gali įgyti regeneracinį (savaime stiprinantį) pobūdį, rodantį veikimo potencialo vystymąsi. Šiuo atveju į ląstelę patenkanti Na + -TOK yra lygi iš ląstelės išeinančiai K + - srovei, kuri apibūdina membranos elektrinį nestabilumą - procesas gali vienodai vykti tiek depoliarizacijos, tiek AP susidarymo kryptimi, tiek repoliarizacijos kryptis ir būti ribojamas prepotencialo. Vadinamas stimulas, kuris depoliarizuoja MPP į CUD slenkstinis dirgiklis. Potencialo dydis lygus skirtumui tarp KUD ir MPP vadinamas slenkstinis potencialas(PP = MPP - KUD), jis apibūdina ląstelės jaudrumą (kuo mažesnis PP, tuo didesnis jaudrumas ir atvirkščiai)
Teigiamai įkrauti kalio jonai į aplinką iš ląstelės citoplazmos sukuriant osmosinę pusiausvyrą. Organinės rūgšties anijonai, neutralizuojantys kalio jonų krūvį citoplazmoje, negali išeiti iš ląstelės, tačiau kalio jonai, kurių koncentracija citoplazmoje, palyginti su aplinka, yra didelė, difunduoja iš citoplazmos, kol prasideda jų sukuriamas elektros krūvis. subalansuoti jų koncentracijos gradientą ląstelės membranoje.
Enciklopedinis „YouTube“.
1 / 3
✪ Membranos potencialai – 1 dalis
✪ Potencialas ramybės būsenoje: - 70 mV. Depoliarizacija, repoliarizacija
✪ Poilsio potencialas
Subtitrai
Nupiešiu mažą langelį. Tai bus tipiška ląstelė, užpildyta kaliu. Žinome, kad ląstelės mėgsta tai laikyti savyje. Daug kalio. Tegul jo koncentracija yra maždaug 150 milimolių litre. Didelis kalio kiekis. Padėkime tai skliausteliuose, nes skliaustai reiškia susikaupimą. Taip pat išorėje yra šiek tiek kalio. Čia koncentracija bus maždaug 5 milimoliai litre. Parodysiu, kaip bus nustatytas koncentracijos gradientas. Tai nevyksta savaime. Tam reikia daug energijos. Į ląstelę pumpuojami du kalio jonai, o tuo pačiu metu iš ląstelės išeina trys natrio jonai. Taip iš pradžių į vidų patenka kalio jonai. Dabar, kai jie yra viduje, ar jie ten pasiliks patys? Žinoma ne. Jie randa anijonus, mažas molekules ar atomus su neigiamu krūviu ir nusėda šalia jų. Taigi bendras krūvis tampa neutralus. Kiekvienas katijonas turi savo anijoną. Ir dažniausiai šie anijonai yra baltymai, kažkokios struktūros, turinčios neigiamą šoninę grandinę. Tai gali būti chloridas arba, pavyzdžiui, fosfatas. bet ko. Bet kuris iš šių anijonų tiks. Nupiešiu dar kelis anijonus. Taigi čia yra du kalio jonai, kurie ką tik pateko į ląstelės vidų, štai kaip viskas atrodo dabar. Jei viskas gerai ir statiška, tada jie atrodo taip. Ir iš tikrųjų, kad būtų visiškai teisinga, yra ir mažų anijonų, kurie čia randami kartu su kalio jonais. Ląstelėje yra mažų skylučių, pro kurias gali ištekėti kalis. Pažiūrėkime, kaip tai atrodys ir kaip tai paveiks tai, kas čia vyksta. Taigi mes turime šiuos mažus kanalus. Pro juos gali prasiskverbti tik kalis. Tai yra, šie kanalai yra labai specifiniai kaliui. Niekas kitas negali praeiti pro juos. Nei anijonų, nei baltymų. Atrodo, kad kalio jonai ieško šių kanalų ir samprotauja: „Oho, kaip įdomu! Čia tiek daug kalio! Turėtume išeiti į lauką“. Ir visi šie kalio jonai tiesiog palieka ląstelę. Jie išeina į lauką. Ir dėl to atsitinka įdomus dalykas. Dauguma jų persikėlė į išorę. Bet lauke jau yra keli kalio jonai. Pasakiau, kad čia yra šis mažas jonas ir teoriškai jis gali patekti. Jei nori, jis gali patekti į šią kamerą. Tačiau faktas yra tas, kad iš viso jūs turite daugiau judesių į išorę nei į vidų. Dabar ištrinu šį kelią, nes noriu, kad prisimintumėte, jog turime daugiau kalio jonų, kurie nori išeiti dėl koncentracijos gradiento. Tai pirmasis etapas. Leisk man tai užsirašyti. Koncentracijos gradientas sukelia kalio judėjimą į išorę. Kalis pradeda judėti į išorę. Palieka narvą. Kas tada? Leiskite nupiešti jį išeinant į lauką. Šis kalio jonas dabar yra čia, o šis yra čia. Liko tik anijonai. Jie liko kaliui pasitraukus. Ir šie anijonai pradeda gaminti neigiamą krūvį. Labai didelis neigiamas krūvis. Tik keli anijonai, judantys pirmyn ir atgal, sukuria neigiamą krūvį. Ir kalio jonai išorėje mano, kad visa tai yra labai įdomu. Čia yra neigiamas krūvis. Ir kadangi tai yra, juos tai traukia, nes jie patys turi teigiamą krūvį. Juos traukia neigiamas krūvis. Jie nori sugrįžti. Dabar pagalvok apie tai. Jūs turite koncentracijos gradientą, kuris išstumia kalį. Tačiau, kita vertus, yra membranos potencialas – šiuo atveju neigiamas – atsirandantis dėl to, kad kalis paliko anijoną. Šis potencialas skatina kalio tekėjimą atgal. Viena jėga, koncentracija, išstumia kalio joną, kita jėga, membranos potencialas, kurį sukuria kalis, verčia jį atgal. Atlaisvinsiu vietos. Dabar aš jums parodysiu kai ką įdomaus. Sukonstruokime dvi kreives. Pasistengsiu nieko nepraleisti šioje skaidrėje. Čia viską nupiešiu ir tada bus matomas mažas jo fragmentas. Sukonstruojame dvi kreives. Vienas iš jų bus skirtas koncentracijos gradientui, o kitas - membranos potencialui. Tai bus kalio jonai išorėje. Jei laikui bėgant jų laikysitės – šį kartą – gausite kažką panašaus. Kalio jonai linkę išeiti ir pasiekti pusiausvyrą tam tikru momentu. Padarykime tą patį su laiku šioje ašyje. Tai bus mūsų membranos potencialas. Pradedame nuo nulinio laiko taško ir gauname neigiamą rezultatą. Neigiamas krūvis taps vis didesnis ir didesnis. Pradedame nuo membranos potencialo nulinio taško, o būtent toje vietoje, kur pradeda tekėti kalio jonai, nutinka taip. IN bendras kontūras viskas labai panašu, bet tai vyksta tarsi lygiagrečiai su koncentracijos gradiento pokyčiais. Ir kai šios dvi reikšmės sulygina viena kitą, kai išeinančių kalio jonų skaičius yra lygus grįžtančių kalio jonų skaičiui, gaunamas šis plokščiakalnis. Ir pasirodo, kad įkrova yra minus 92 milivoltai. Šiuo metu, kur praktiškai nėra skirtumo pagal bendrą kalio jonų judėjimą, stebima pusiausvyra. Jis netgi turi savo pavadinimą - „kalio pusiausvyros potencialas“. Kai reikšmė pasiekia minus 92 – ir ji skiriasi priklausomai nuo jonų tipo – pasiekus minus 92 kaliui, susidaro potenciali pusiausvyra. Leiskite parašyti, kad kalio krūvis yra minus 92. Taip atsitinka tik tada, kai ląstelė yra pralaidi tik vienam elementui, pavyzdžiui, kalio jonams. Ir vis tiek gali kilti klausimas. Galbūt galvojate: „Gerai, palauk! Jei kalio jonai juda į išorę – tai jie daro – ar tam tikru momentu mes neturime mažesnės koncentracijos, nes kalis čia jau pasišalino, o didesnė koncentracija čia pasiekiama kaliui judant į išorę? Techniškai tai yra. Čia, lauke, daugiau kalio jonų. Ir nepaminėjau, kad keičiasi ir garsumas. Čia gaunama didesnė koncentracija. Tas pats pasakytina ir apie ląstelę. Techniškai yra mažesnė koncentracija. Bet iš tikrųjų vertės nekeičiau. O priežastis tokia. Pažiūrėkite į šias vertybes, tai yra kandys. Ir tai yra didžiulis skaičius, ar nesutinkate? 6,02 karto 10 iki minus 23 laipsnio nėra mažas skaičius. O jei padauginsite iš 5, gausite apytiksliai – greitai paskaičiuokite, ką gavome. 6 kartai 5 yra 30. O štai milimoliai. Nuo 10 iki 20 kurmių. Tai paprasta puiki suma kalio jonų. O norint sukurti neigiamą krūvį, jų reikia labai nedaug. Tai yra, pokyčiai, kuriuos sukelia jonų judėjimas, bus nereikšmingi, palyginti su 10-20 laipsniais. Štai kodėl į koncentracijos pokyčius neatsižvelgiama.
Atradimų istorija
Daugumos neuronų ramybės potencialas yra nuo –60 mV iki –70 mV. Nejautriųjų audinių ląstelės taip pat turi potencialų skirtumą ant membranos, kuris yra skirtingas skirtingų audinių ir organizmų ląstelėms.
Poilsio potencialo formavimas
PP formuojamas dviem etapais.
Pirmas lygmuo: nedidelio (-10 mV) negatyvumo susidarymas ląstelės viduje dėl nevienodo asimetrinio Na + mainų K + santykiu 3:2. Dėl to daugiau teigiamų krūvių palieka ląstelę su natriu, nei grįžta į ją su natriu. kalio. Ši natrio-kalio siurblio savybė, kuri keičia šiuos jonus per membraną, sunaudodama ATP energiją, užtikrina jo elektrogeniškumą.
Membraninių jonų keitiklių siurblių veiklos rezultatai pirmajame PP susidarymo etape yra tokie:
1. Natrio jonų (Na +) trūkumas ląstelėje.
2. Kalio jonų (K +) perteklius ląstelėje.
3. Silpno elektrinio potencialo (-10 mV) atsiradimas ant membranos.
Antrasis etapas: reikšmingo (-60 mV) negatyvumo susidarymas ląstelės viduje dėl K + jonų nutekėjimo iš jos per membraną. Kalio jonai K+ palieka ląstelę ir atima iš jos teigiamus krūvius, neigiamą krūvį padidindami iki –70 mV.
Taigi ramybės membranos potencialas yra teigiamų elektros krūvių trūkumas ląstelės viduje, atsirandantis dėl teigiamų kalio jonų nutekėjimo iš jos ir elektrogeninio natrio-kalio siurblio veikimo.
