Избирательная ионная проницаемость.

Мембранная теория возбуждения, общепринятая в физиологии теория возбуждения мышечных и нервных клеток.

Основа М. Т. В.-Идея о том, что при раздражении возбудимой клетки в ее поверхностной мембране происходит молекулярная перестройка, приводящая к изменению проницаемости мембраны и появлению трансмембранных ионных токов. Источником энергии для этих токов является постоянно существующее неравномерное распределение основных неорганических ионов между цитоплазмой и внеклеточной средой: накопление ионов К + в клетке и удаление из нее Na + и Cl - ионов.

Бернштейн предположил, что поверхностная мембрана возбудимой клетки в состоянии покоя обладает селективной проницаемостью: ионы K + проходят через нее гораздо легче, чем Ионы Na + и Cl . Поскольку концентрация К + в клетке выше, чем во внеклеточной среде, диффузия этих ионов через мембрану создает на ней разность потенциалов - так называемый потенциал покоя (ПП), причем внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно, а внешняя-положительно. (Зависимость РР от ионизации к + подтверждается пропорциональным уменьшением его величины с увеличением содержания К + во внеклеточной среде.) Для объяснения того, как клетка поддерживает постоянный ионный состав и отрицательный внутренний потенциал, выводя Ионы Na + наружу, было высказано предположение, что ионы могут транспортироваться через мембрану не только под действием электрических сил и диффузии ("пассивный" транспорт), но и через "активный" транспортный механизм - "натриевый насос" . В результате работы этого насоса, способного выталкивать Na + против концентрационных и электрических градиентов, за каждый ион Na+, выброшенный через мембрану, клетка получает один ион K +. Под действием раздражения на клетку изменяется ионная проницаемость мембраны. Это связано либо с изменением электрического поля мембраны ("электрическая" возбудимость), либо с действием химических веществ на специфические рецепторные структуры мембраны ("химическая" возбудимость). Согласно Бернштейну, при электростимуляции мембрана становится проницаемой для всех ионов, что приводит к кратковременному исчезновению РР в возбужденной области-потенциале действия (ПД). Последующие исследования (с использованием микроэлектродной технологии) явлений, возникающих при электрических раздражениях, показали, что ПД примерно в 1,5 раза выше ПП. В этом случае происходит инверсия: возбужденная часть мембраны приобретает разность потенциалов, противоположную той, которая существовала на ней в состоянии покоя (внутренняя сторона мембраны становится положительно заряженной относительно внешней). Однако при возбуждении происходит не общее, а селективное увеличение ионной проницаемости мембраны-только для ионов Na +, которые проходят в клетку, перенося через мембрану положительные заряды. В результате этого возникает ПД. Наиболее точные данные об ионных токах через поверхностную мембрану при ПД были получены так называемым методом. фиксации напряжения на мембране. В этом случае одна пара электродов измеряет разность потенциалов на мембране, а через другую пару пропускается ток от усилителя, который поддерживает эту разность на постоянном уровне, независимо от изменений в мембране. Т. о. было показано, что при возбуждении сначала возникает кратковременный ионный ток, направленный внутрь клетки, который затем заменяется ионным током, направленным наружу. Начальный, входящий ток обусловлен движением через Na + мембрану, а исходящий ток обусловлен движением из K + клетки; в результате восстанавливается исходное состояние электрической поляризации клеточной мембраны. Кратковременность ионных токов, возникающих при ПД, связана с наличием в мембране, наряду с механизмом повышения ионной проницаемости, также и противоположного процесса-ее "инактивации", что вызывает развитие рефрактерности и аккомодации к электрическому раздражению.

Появление в какой - то части возбудимой клетки ПД приводит к образованию “продольной” разности потенциалов на мембране и появлению электрических токов между невозбужденными и возбужденными участками-так называемыми. токи действия. Эти токи, в свою очередь, вызывают аналогичные изменения проницаемости в невозбужденных областях; участок возбуждения начинает двигаться вдоль поверхности клетки. Описанные ионные процессы приводят (помимо появления распространяющегося нервного импульса) к накоплению в клетке определенного количества Na + и потере ею части K + . Эти изменения настолько незначительны по сравнению с ионными градиентами , существующими между цитоплазмой и внеклеточной средой, что клетка может генерировать огромное количество импульсов без немедленного восстановления нарушенных ионных соотношений за счет активного транспорта Ионов, который удаляет избыток Na + из клетки и поглощает недостающее количество K + . При химическом раздражении специфические изменения ионной проницаемости мембраны также приводят к развитию трансмембранных ионных токов. Такие изменения развиваются в межнейронных и нервно-мышечных синапсах и лежат в основе синаптической передачи с помощью медиаторов. Суть перестроек в мембране, обеспечивающих появление ионных токов, заключается в наименее четкой части магнитного поля. Считается, что перенос ионов через мембрану происходит либо через систему пор (входы в которые закрыты в состоянии покоя , возможно, ионами СА 2+, и открываются под воздействием внешней стимуляции), либо с помощью специальных молекул-носителей, которые связывают Ион с одной стороны мембраны и освобождают его с другой. См. также биоэлектрические потенциалы, проницаемость биологических мембран .

47. Ионные каналы и их строение

Ионные каналы представляют собой мембранные белковые комплексы, и их функция заключается в облегчении диффузии ионов через биологические мембраны. Мембраны, или фосфолипидные бислои, создают гидрофобный, низкий диэлектрический барьер для гидрофильных и заряженных молекул. Это электрические изоляторы. Ионные каналы обеспечивают высокую проводимость, гидрофильный путь через гидрофобную внутреннюю часть мембраны. Говорят, что канал, или структура пор, катализирует "реакцию" переноса заряженных молекул через низкую диэлектрическую среду. "Каталитический участок", центральный канал, либо открыт, либо закрыт. Конформацию Открытого канала можно сравнить с переходным состоянием комплекса фермент-субстрат, где ионы плотно связаны с каталитическим участком. Конформационное изменение между закрытым и открытым состояниями называется стробированием, как при открытии и закрытии ворот. Стробирование каналов контролируется внешними факторами, такими как ферменты контролируются модуляторами и эффекторами. Первая структура ионного канала, решенная с атомным разрешением <0,3 Нм, - это структура бактериальных поринов, семейства гомо-тримерных канальных белков. Каждая субъединица содержит от 16 до 18 трансмембранных, антипараллельных b-нитей, образующих b-бочкообразную структуру. В-нити амфипатичны, они содержат чередующиеся полярные и неполярные остатки, а межнитевое взаимодействие полностью насыщено Н-связыванием. Это создает гидрофильную внутреннюю пору, обеспечивающую заполненный водой канал. Канал имеет большой диаметр 0. 8x1.1nm, и неселективен для малых ионов. Однако он имеет верхний предел размера исключения, соответствующий молекулярной массе около 600 Дальтон пермеантов. Поскольку большинство метаболитов имеют молекулярную массу ниже 600 да и, как было показано, проходят через пориновые каналы, порины называются общими диффузионными порами.

 

48.Мембранный потенциал клетки

Мембранный потенциал - это разность электрических потенциалов между внутренней и внешней частями биологической клетки. Все клетки окружены мембраной, состоящей из липидного бислоя с внедренными в него белками. Мембрана служит одновременно изолятором и диффузионным барьером для движения ионов. Трансмембранные белки, также известные как белки ионного транспортера или ионного насоса, активно выталкивают ионы через мембрану и устанавливают градиенты концентрации через мембрану, а ионные каналы позволяют ионам перемещаться через мембрану вниз по этим градиентам концентрации. Ионные насосы и ионные каналы электрически эквивалентны набору батарей и резисторов, вставленных в мембрану, и поэтому создают напряжение между двумя сторонами мембраны.

Почти все плазматические мембраны имеют электрический потенциал поперек них, причем внутренняя часть обычно отрицательна по отношению к внешней. мембранный потенциал имеет две основные функции. Во-первых, он позволяет клетке функционировать как батарея, обеспечивая питание для работы различных "молекулярных устройств", встроенных в мембрану. Во-вторых, в электрически возбудимых клетках, таких как нейроны и мышечные клетки, он используется для передачи сигналов между различными частями клетки. Сигналы генерируются путем открытия или закрытия ионных каналов в одной точке мембраны, что приводит к локальному изменению мембранного потенциала. На это изменение электрического поля могут быстро влиять либо соседние, либо более удаленные ионные каналы в мембране. Эти ионные каналы могут затем открываться или закрываться в результате изменения потенциала, воспроизводя сигнал. В невозбудимых клетках и в возбудимых клетках в их исходных состояниях мембранный потенциал удерживается на относительно стабильном уровне, называемом потенциалом покоя. Для нейронов типичные значения потенциала покоя находятся в диапазоне от -70 до -80 милливольт, то есть внутри клетки имеется отрицательное базовое напряжение чуть меньше одной десятой вольта. Открытие и закрытие ионных каналов может вызвать отклонение от потенциала покоя. Это называется деполяризацией, если внутреннее напряжение становится менее отрицательным (скажем, от -70 мВ до -60 МВ), или гиперполяризацией, если внутреннее напряжение становится более отрицательным (скажем, от -70 мВ до -80 МВ). В возбудимых клетках достаточно большая деполяризация может вызвать потенциал действия, при котором мембранный потенциал быстро и значительно изменяется в течение короткого времени (порядка 1-100 миллисекунд), часто меняя свою полярность. Потенциалы действия генерируются активацией определенных напряженно-стробированных ионных каналов. В нейронах факторы, влияющие на мембранный потенциал, разнообразны. Они включают в себя множество типов ионных каналов, некоторые из которых являются химически закрытыми, а некоторые-закрытыми по напряжению. Поскольку стробируемые напряжением ионные каналы управляются мембранным потенциалом, в то время как сам мембранный потенциал находится под влиянием этих же ионных каналов, возникают петли обратной связи, которые обеспечивают сложную временную динамику, включая колебания и регенеративные события, такие как потенциалы действия.