Локальный потенциал. В реальных клетках ПД возникает от появления локального потенциала. Типы локального потенциала:

· постсинаптический потенциал (возникает в постсинаптической мембране, когда на нее попадает медиатор)

· рецепторный потенциал (возникает в дендрите после воздействия на рецептор). Например, при растяжении барорецептора в гладкой мускулатуре каротидного синуса или верхней дуги аорты открываются механозависимые натриевые каналы.

· потенциал концевой пластинки (область на мембране мышцы, лежащая под нервным окончанием. После попадания медиатора, открываются N-холиновые рецепторы-каналы, по ним Na идет саркоплазму).

Все локальные потенциалы подчиняются принципу градуальности, то есть неподчинение принципу «все или ничего», в отличие от ПД. Их амплитуда зависит от числа активировавшихся каналов (которое, в свою очередь зависит от величины стимула), а амплитуда ПД – от числа Na-каналов вообще, потому как активируются они все, сколько есть. И роль этих потенциалов в том, что они, в случае если она надпороговые, вызывают генерацию ПД в триггерной зоне (мембрана вокруг постсинаптической для ПСП, кончик дендрита для РП, мембрана вокруг КП для ПКП), характерной высокой плотностью Na-каналов.

Теперь про синаптический потенциал (не путать с постсинаптическим!). ПД распространяется до последнего миелинезированного сегмента аксона, а в самой терминали ПД нет. Там есть градуальный тонический синаптический потенциал.=)

ПД могут быть с эндогенной активацией. При этом часто наблюдается спонтанная ритмическая активность, то есть генерируется не одиночный ПД, а серия. И у меня есть только одна мысль по этому поводу... Это нас рассказал Ловать, и мы сами это делали на праке. Фишка в том, что если мы увеличим внеклеточную концентрацию кальция, то ПП увеличится (это видно из уравнения Гольдмана-Ходжкина-Хаксли φ=RT/F*ln((P_K[K_out]+ P_Na[Na_out]+ P_Cl[Cl_in])/( P_K[K_in]+ P_Na[Na_in]+ P_Cl[Cl_out])). Мы увеличиваем числитель под логарифмом). И может случиться так, что ПП сам станет надпороговым, и мы будем наблюдать последующий ПД как только закончится период рефрактерности. Это называется явлением нейроавтоматии. Вероятно, подобные эффекты имеют место в пейсмейкерных клетках (например, в сердце, или в метасимпатических вставочных нейронах, контролирующих перистальтику. В кишке у нис есть маленькие автономные – метасимпатические – рефлекторные дуги, которые сами ритмично работают, не загружая этим мозг).

Билет 2.

Изменение энтропии в открытых системах. Постулат Пригожина.

Открытые системы – системы, обменивающиеся с окружающей средой веществом и энергией.

Постулат Пригожина. Изменение энтропии в о.с. может происходить либо за счет процессов обмена системы с внешней средой (d_eS), либо за счет возникновения энтропии в самой системе вследствие внутренних необратимых изменений (d_iS). Общее изменение энтропии открытой системы (dS) равно: dS = d_eS + d_iS.​ В этом состоит исходное положение термодинамики необратимых процессов. □ Если внутри системы протекают обратимые изменения, то они не сопровождаются возникновением энтропии и d_iS = 0. В случае необратимых изменений diS > 0.

Для изолированных систем, где d_eS = 0, dS = diS > 0, что соответствует классической формулировке второго закона термодинамики для изолированных систем.Если в каком-либо участке открытой системы одновременно протекают различные необратимые процессы, то величина d_iS > 0 описывает приращение энтропии, являющееся следствием взаимодействия этих необратимых процессов друг с другом.В клеточном метаболизме две группы процессов. Например, поступление извне глюкозы, выделение наружу продуктов ее окисления (d_eS) и окисление глюкозы в процессах дыхания (d_iS).

В фотосинтезе приток свободной энергии света приводит к появлению сложной молекулы глюкозы из простых соединений Н₂О и СО₂ и уменьшению энтропии клетки d_eS< 0, а распад глюкозы в дыхании в клетке увеличивает ее энтропию d_iS > 0. В зависимости от соотношения скоростей изменения d_eS и d_iS обшая энтропия dS открытой системы может со временем либо увеличиваться, либо уменьшаться. Скорость изменения энтропии системы dS/dt равна скорости обмена энтропией между системой и окружающей средой плюс скорость возникновения энтропии внутри системы:dS/dt = d_eS/dt + d_iS/dt При d_eS/dt > 0 энтропия системы увеличивается в результате обмена веществом и энергией с внешней средой. При d_eS/dt < 0 отток положительной энтропии от системы во внешнюю среду превышает приток положительной энтропии извне .

при d_iS/dt > О возможны три случая: 1)dS/dt > 0, если d_eS/dt > 0 или если d_eS/dt < 0, но |d_eS/dt| < d_iSdt;

2)dS/dt < 0, если d_eS/dt < 0 и |d_eS/dt| > d_iS /dt;

3)dS/dt = 0, если d_eS/dt < 0 и |d_eS/dt| = d_iS /dt - стационарное состояние, продуцирование энтропии в системе d_iS/dt компенсируется оттоком положительной энтропии во внешнюю среду, и общее изменение энтропии равно нулю:

dS = d_eS + d_iS = 0, dS/dt = d_eS/dt + d_iS /dt = 0

Развитие организмов, сопровождающееся уменьшением общей величины их энтропии, происходит при условии d_eS/dt < 0, |d_eS/dt| > d_iS /dt за счет того, что в других участках внешней среды идут сопряженные процессы с образованием положительной энтропии. Суммарное изменение энтропии в системе организм + внешняя среда всегда положительно. Уменьшение энтропии живых систем в процессе их роста происходит за счет свободной энергии, освобождаемой при распаде поглощаемых извне питательных веществ или за счет энергии солнца (фотосинтез). Одновременно это приводит к увеличению их свободной энергии. Если внутри открытой системы достигнуто равновесие в отношении распределения температуры (но не химического состава реагентов) и процессы обмена со средой протекают равновесно, такая система находится в частично равновесном состоянии. Общее изменение энтропии для нее: dS = d_eS + d_iS, где d_eS = dQ/T - изменение энтропии в результате ее равновесного теплообмена открытой системы с окружающей средой, а d_iS -самопроизвольное возрастание энтропии внутри системы за счет химических превращений веществ, находившихся в начальном неравновесном состоянии.

Вся полезная работа в системе совершается за счет внутренних самопроизвольных химических реакций, поэтому первый закон имеет вид: dQ=dU+pdV. Подставляем его в d _iS=dS- d_eS=dS-dQ\T, получаем d _iS=(1\T)(TdS-dU-pdV). Т.к. dG=dU+pdV-TdS, то, следовательно d _iS = -dG\T > 0 (T, p=const), или d _iS /dt = -(1 /T)(dG/dt) > 0

Т.о. скорость возникновения энтропии в открытой системе при постоянных температуре и давлении пропорциональна скорости уменьшения ее термодинамического потенциала.

В частично равновесной системе причиной необратимости и уменьшения ее термодинамического потенциала (—dG < 0) и увеличения энтропии (d _iS> 0) являются химические реакции, самопроизвольное протекание которых приводит к изменению химического состава системы и соответствующему совершению полезной работы.Поэтому для химических превращений: d_iS/dt = (1 /T)Av > 0, где v — скорость химической реакции: А — химическое сродство, или движущая сила химической реакции, представляющая собой разность химических потенциалов начальных и конечных продуктов реакции с учетом их стехиометрических коэффициентов: А= -сумма по k (µ_kν_k). µ_k=µ_k⁰+RTln[c_k]. При ν_k=1, А=µ_нач-µ_кон, т.е. движущая сила А процесса равна разности химических потенциалов начальных и конечных реагентов. Скорость образования в системе положительной энтропии в ходе необратимого химического процесса прямо пропорциональна его движущей силе A и скорости v. d_iS/dt = (1 /T)Av применима и к системе, когда в ней одновременно протекают несколько необратимых процессов, каждый из которых характеризуется собственным значением сродства и скорости. При А=0, v=0 внутри системы устанавливается равновесие. d_iS/dt =0.

Основные положения теории Митчела. Электрохимический градиент протонов. Сопрягающие комплексы и их локализация в мембране.

Основные положения теории Митчела

Хемиосмотический принцип сопряжения Митчелла предполагает, что перенос электронов связан с синтезом АТФ через образование трансмембранной разности электрохимических потенциалов ионов водорода:

Дельта мю H+ = F*дельта фи + 2,3R*T*дельта рН,

дельта фи – разность электрических потенциалов

дельта рН – разность концентраций водородных ионов по обе стороны мембраны

Энергия дельта мю Н+ используется для синтеза АТФ в специальном ферменте - мембранной АТФ-синтетазе.
(Дельта мю Н+ - электрохимический трансмембранный градиент ионов водорода. )

По теории Митчелла:

1)перенос электронов по электрон-транспортной цепи приводит к переносу протонов через гидрофобный барьер мембраны.

2)Захват энергии, выделяющейся в процессе электронного транспорта, осуществляется за счет создания трансмембранной

разности дельта мю H(энергизация мембран).

3)Синтез АТФ из АДФ и Ф_н может происходить в мембранных везикулах и в отсутствие переносчиков электронов. Для этого

необходимо лишь создать трансмембранную разность электрохимических потенциалов H + на мембране, в которой находится АТФ-синтетаза. Наблюдается в липосомах из фосфолипидов, в состав которых помимо АТФ-синтетазы входит

бактериородопсин, способный под действием света переносить H + через мембраны. Аналогично, синтез АТФ можно

осуществить, создав разность дельта мю Н + с помощью «кислотно-щелочного удара» или прикладывая разность электрических потенциалов. В действительности проблема состоит в том, чтобы понять, каким образом компоненты дельта мю H + взаимодействуют с H + -АТФсинтетазой, не вовлекая непосредственно перенос электрона в ЭТЦ.

Хемиосмотический принцип трансформации энергии не может объяснить непосредственного молекулярного механизма синтеза АТФ и прохождение Н+ через АТФ-синтетазу. Потому что здесь роль дельта Н+ сводится к пассивному фактору, сдвигающему химические равновесия в системе реакций.

Как считал Митчелл, в активный центр АТФасинтетазы анагнетаются протоны, которые непосредственно восстанавливают фосфорильный кислород неорганического фосфата в активном центре. Преодоление энергетического барьера элементарного акта синтеза АТФ достигается за счет «горячих» протонов, которые разгоняются электрическим полем в протонном канале H + -АТФсинтетазы. Таким образом, передача энергии дельта мю H + должна была бы осуществляться здесь путем трансформации кинетической энергии протонов. Но в конденсированной фазе, где релаксация возбужденных степеней свободы происходит быстро (10^-12 -10^-11 с), такой механизм также невозможен. Не спасает положение и представление о некоем аккумуляторе, в котором должны накапливаться протоны, движущиеся внутри АТФ-синтетазы до тех пор, пока не наберется энергия, достаточная для синтеза одной молекулы АТФ.

Можно было бы попытаться использовать только электрическую составляющую дельта фи в качестве движущей силы, смещающей полярные группы в ходе элементарного акта. Однако тогда необходимо сделать предположение, что все падение напряжения на мембране реализуется в активном центре на расстояниях действия химических или, в крайнем случае, межмолекулярных сил, т.е. на 0,3 - 0,4 нм. Невозможно. По-видимому, в решении этой проблемы следует отказаться от упрощенных физико-химических подходов, заимствованных из теории активных соударений свободных частиц в растворах. Используем биофизические теории механизмов ферментативного катализа. этот вопрос и смотрим^^ но он

По его гипотезе ключевая роль принадлежит замкнутой сопрягающей мембране, непроницаемой для ионов.

Возможны различные механизмы переноса протона через мембрану при транспорте электрона по цепи переносчиков, которые асимметрично расположены в мембране. Возможно образование в белковой части переносчика протонного канала, проводимость которого зависит от окислительно-восстановительного состояния самого переносчика. Таким образом, переносчик электронов одновременно выполняет функции протонного насоса. Перенос протона может происходить и в результате работы подвижных переносчиков, которые диффундируют через мембрану от одной ее стороны на другую. Они восстанавливаются в ЭТЦ на одной стороне мембраны и одновременно с электроном присоединяют протон, затем, диффундируя на другую сторону мембраны, окисляются и выбрасывают протон в примембранную область. Именно так осуществляются эти функции в мембранах тилакоида в хлоропластах, где таким образом он передает электроны и протоны с наружной (отрицательной) к внутренней (положительной) поверхности. Отметим, что в митохондриях полярность мембраны обратна полярности тилакоида (плюс на наружной, минус на внутренней стороне). В тилакоиде протоны потребляются из наружной фазы и переносятся во внутреннюю, которая таким образом подкисляется при работе ЭТЦ. Это приводит к появлению трансмембранного градиента концентрации протонов (дельта рН) между наружной и внутренней фазами тилакоида. Одновременно создается и трансмембранная разность электрических потенциалов (дельта фи) за счет увеличения положительного заряда внутри тилакоида при накоплении там положительно заряженных протонов. Свой вклад в разность электрических потенциалов на мембране вносит и собственно фотохимический перенос электрона на наружную сторону при работе фотосистем ФС I и ФС П. Образующееся таким образом электрическое поле (дельта фи) влияет в свою очередь на перенос других проникающих через мембрану ионов, которые в свою очередь изменяют дельта фи и влияют на перенос протонов. В результате наблюдается сложная картина взаимного влияния двух составляющих дельта рН и дельтафи трансмембранного электрохимического потенциала. В стационарных условиях величина электрохимического градиента на мембране будет зависеть от соотношения скоростей трансмембранного переноса электрогенных ионов, транслокации протонов и потока электронов по ЭТЦ.