Дж. Уилсон, Т. Хант - Молекулярная биология клетки - Сборник задач (1120987), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Поскольку Ьбм = — Ьб,ю, изменение свободной энергии для трап. спорта из клетки будет описываться уравнением: С, Л6,„, = 2,3!ой,о — ' — гр)т. А. Объясните механизм, за счет которого транспорт глюкозы вози растает в обработанных инсулином клетках. п Б. Транспортные белки можно охарактеризовать, подобно ферментам, кинетическими параметрами Км (концентрация субстрата, и при которой скорость транспорта равняется половине максималь- т ной величины) и Р .„ (скорость транспорта. достигаемая при и насыщении субстратом).
Изменяются ли при стимуляции инсули- г1 ном эти кинетические характеристики переносчика глюкозы? Что можно сказать на этот счет, исходя из представленных здесь данных? Плазматическая мембрана 61 ВНУТРИКЛЕТОЧНОЕ ПРОСТРАНСТВО ВНЕШНЯЯ СРЕДА пекой удила ской .етке. пожрали етки ы на :чик» ьных ВЦЕН- лази- Для состояния равновесия, когда Аб = О, эти уравнения можно представить в более удобной форме, известной как уравнение Нернста: йТ С, $~ = 2,3 — 1ой 10 — '. ЕР С,. Для ответа на следующие вопросы нужно исходить из того, что при гидролизе АТР с образованием АДР и неорганического фосфата изменение свободной энергии А6 составляет — 12 Екал/моль, т.е. этот процесс может обеспечить активный транспорт с затратой энергии Ьха = 12 ккал/моль. Считайте, что )' = — бО мВ. А.
Какой максимальный коущентрационный градиент незаряженной молекулы, например глюкозы, может быть достигнут за счет активного транспорта в клетку, обеспечиваемого энергией АТР? Предположите, что для переноса одной молекулы растворенного вещества через мембрану необходим гидролиз одной молекулы АТР. Паааматинеека» мембрана воз- эменрата, иальпри сули? Что здесь рану? рации ~и его но от моля ахом: тран- Рас.
б-10. Градпепты ионов натрия я калия я направления переноса этих ионов через плаэматпческую мембрану (задача 6-23). Крупные буквы означают высокую коп- цснтрацпю, мелкие — низкую. Ках ионы натрия, так и ионы калия переносятся против химических концентрационных градиентов, цо ионы натрия перекачиваются про- тив электрического градиента, а ионы калия -по электрическому градиенту.
Б. Какой максимальный градиент концентрации может быть достиу нут при активном транспорте Са~э из клетки? Насколько эта величина сравнима с реальным градиентом концентрации, наблю- даемым в клетках млекопитающих? (См. МБК, табл, 0-3.) В. Рассчитайте, сколько энергии требуется для работы (Ха' + К') насоса. Эта замечательная молекулярная машина на перенос пяти ионов расходует энергию гидролиза всего одной молекулы АТР; при этом три иона натрия выходят из клетки и два иона калия входят в нее. Благодаря работе этого насоса внутриклеточная концентрация )х)а' поддерживается на уровне 10 мМ при внешней концентрации 145 мМ, а внутриклеточная концентрация К' -на уровне 140 мМ при внешней 5 мМ. Как видно из рис.
б-10, )х)а' переносится против градиента мембранного потенциала, тогда как К' — по градиенту потенциала (Л6 для всей реакции равно сумме значений А6 для переноса отдельных ионов). Г. Насколько эффективен ()х)а' + К')-насос, т. е, какая доля энергии, освобождающейся при гидролизе АТР, используется для переноса ионов? Гигантский аксон кальмара занимает особое место в истории наших представлений о мембранном потенциале и потенциале действия. Благодаря его большим размерам (0,2 — 1,0 мм в диаметре и 5 — 10 см в длину) в него можно вводить электроды, и в прошлом такие электроды, хотя и очень крупные по сравнению с современными, позволили впервые измерить разность электрических потенциалов между цитоплазмой и внеклеточной жидкостью.
При введении электрода в интактный гигантский аксон регистрируется мембранный потенциал, равный — 70 мВ. Если аксом, помещенный в сосуд с морской водой, стимулировать, то при проведении нервного импульса мембранный потенциал временно возрастает от — 70 мВ до + 40 мВ. Зависимость мембранного потенциала от равновесных концентраций ионов описывается уравнением Нернста: ВТ С, Р = 2,3 — 1ой и эсС Для одновалентных ионов при 20'С (293 К) это уравнение можно представить следующим образом: С, К=58 мВ к1ой е — ', С; 62 Глава 6 Таблица б-б.
Ионный состав морской воды и цитонлазмы гигантского аксона кальмара (задача 6-24) А. Используя это уравнение, рассчитайте потенциал для мембраны в состоянии покоя: 1) предполагая, что он создается за счет ионов калия, и 2) предполагая, что он создается только за счет ионов натрия (концентрации Ха' и К' в цитоплазме аксона и в морской воде приведены в табл. 6-6).
Какой из результатов ближе к измеряемой величине потенциала покоя? Какой из результатов ближе к измеряемой величине потенциала действия? Обьясните, почему эти предположения позволяют рассчитать величины потенциалов покоя н действия, близкие к полученным экспериментально? Иои Цитовлвзма Морская вода Ха к' 65 мМ 344 мМ 430 мМ 9 ММ Б. Если природную морскую воду, в которой выдерживают препари рованнын гигантскии ансон кальмара, заменить на искусственную морскую воду, в которой ХаС! заменен хлоридом холина, то потенциал покоя не изменится, но стимуляция нерва не вызовет появления потенциала действия.
Что произойдет с величиной потенциала действия, если концентрация ионов Ха' во внешней среде снизится вдвое или до одной четверти от ее нормальной величины, а осмотический баланс будет поддерживаться за счет добавления хлорида холила? Число ионов Ха+„поступающих в аксон во время потенциала 6-25 с *й ~д лс в Рис. сине гетр Внутриклеточные изменения концентраций ионов часто оказыва- действия, можно рассчитать теоретически. Поскольку мембрана клетки разделяет разноименные заряды, она ведет себя подобно электрической емкости.
По известной величине емкости биологических мембран можно рассчитать число ионов, входящих в клетку за время потенциала действия. Исходя из величины потенциала покоя — 70 мВ, можно показать, что в клепгу, через ! сме ее поверхности в течение потенциала действия должно войти 1,1 х 10 'Е моль ионов Ха". Чтобы экспериментально определить число ионов натрия, входящих в клетку во время потенциала действия, гигантский аксон кальмара (диаметром 1 мм, длиной 5 см) был помещен в резервуар с раствором, содержащим радиоактивный Ха' [удельная активность 2 х !О'~ имп!(мин моль)3, и по всей длине аксона был передан единичный потенциал действия. Когда цито- плазму проанализировали на радиоактивность, оказалось, что внутрь аксона вошло 340 имп!мин. А.
Насколько хорошо экспериментальные измерения соответствуют теоретическим расчетам? Б. Сколько ионов К' должно пересекать мембрану аксона и в каком направлении, чтобы восстановить потенпиал покоя после завершения потенциала действия? В. Считая, что концентрация ионов Ха" внутри аксона составляет 65 мМ, рассчитайте относительное увеличение концентрации этих ионов внутри аксона при прохождении по нему единичного потенциала действия.
Г. В организме животных содержатся и совсем иные по размерам нервные клетки, например мелкие дендриты диаметром около О,! мкм. Полагая, что они имеют такую же длину (5 см), такую же концентрацию Ха' в цитоплазме (65 мМ) и такие же потенциалы покоя и действия, как и гигантский аксон, рассчитайте, насколько увеличится концентрация Ха' внутри клетки при прохождении по дендриту единичного потенциала действия. Д. Для каких клеток титан~ского аксона или дендрита более важным фактором с точки зрения непрерывного действия служит (Ха' + К')-насос? Плазматичвская мембрана бЗ >и- >ю то >ет ой >ей ой >ет ют ом пе- гет .их >го о го ео оо ао им Канценерецнн >га>нансене,ни щт Ряс, 6-11. Кривые связывания токсина о присутствии и и отсутствие татродотоксииа (задача 6-27).
>ы ов ов ой >еже му ов ла на но ;и'ду ла ее ти ия, ий >ЕН >не го>то ам ло же лы ко по йо 63 ае а 18 > дай $ ются пусковыми механизмами важнейших событий, происходящих в клетках. Например, в яйце моллюска при контакте со спермой быстро меняется содержание ионов, что приводит в итонов к разрыву ядерной оболочки, конценсации хромосом и инициации мейоза. Имеется два экспериментальных наблюдения, подтверждающие связь между ионными изменениями внутри клетки с появлением указанных перестроек в клетке: 1) при суспендировании яиц моллюска в морской воде, содержащей 60 мМ КС1, возникают такие же внугриклеточные изменения, как и при обработке спермой; 2) при суспендировании яиц в искусственной морской воде без Санг не происходит нх активации раствором 60 мМ КС1.
А. Каким образом раствор 60 мМ КС! воздействует на потенциал покоя мембраны яйца? Концентрация ионов Ке внутри клетки составляет 344мМ, а в обычной морской воде-9 мМ. Вспомните (задача 6-24), что С, К= 53 мВ х!об,о — '. С, Б. Что можно сказать о механизме активации раствором КС! по данным второго опыта, где раствор 60 мМ КС1 не активировал яйца в морской воде без кальция? В. Как вы считаете, что может произойти, если кальциевый ионофор, А23137, добавить к суспензии яип (в отсутствие спермы); 1) в обычной морской воде и 2) в морской воде без кальция? Важным параметром, необходимым для оценки любого конкрет ного механизма мембранного транспорта, следует считать число копий специфического транспортного белка в клеточной мембране.
Предположим, вы хотите измерить в блуждающем нерве кролика число потенциал-зависимых натриевых каналов. Вы нашли в яде паука мощный токсин, который специфически инактивирует потенциал-зависимые натриевые каналы. Более того, вы обнаружили, что этот токсин можно пометить радиоактивным >г>1 без изменения его токсических свойств. Предполагая, что с одним каналом связывается одна молекула токсина, вы можете сделать заключение, что число Ха+-каналов в сегменте блуждающего нерва равно максимальному числу связанных с ним молекул токсина. Чтобы провести измерение, вы инкубируете идентичные сегменты нерва в течение 8 ч в присутствии увеличивающихся количеств меченого токсина. Затем вы отмываете сегменты (для удаления свободного токсина) и измеряете радиоактивность„связанную с сегментами нервов, чтобы сиять кривую связывания токсина.
Она показана на рис. 6-11 (верхняя кривая). Вас удивляет, почему не наблюдается ожидаемого максимума связывания (насыщения) при высоких концентрациях токсина, т. е, почему не достигается плато. Действительно, связывание продолжало возрастать с той же скоростью даже при высоких концентрациях токсина (верхняя кривая). По размышлении вы ставите контрольный опыт, в котором измеряете связывание меченого токсина в присутствии избытка немеченого токсина.
Результаты, показанные на рис. 6-11 (нижняя кривая), сразу все проясняют и позволяют вам рассчитать число !оа+-каналов в мембране аксона блуждающего нерва. А. Почему связывание меченого токсина не достигает насыщения? В чем суть контрольного опыта и как его используют для решения данного вопроса? Б. Считая, что участок блуждающего нерва весом 1 г имеет плошадь 8Я Глава 6 поверхности мембраны аксона 6000 см', и предполагая, что На'- канал представляет собой цилиндр с диаметром 6 нм, рассчитайте число Ха+-каналов на квадратный микрон мембраны аксона, а также долю поверхности клетки, занятой одним таким каналом (при расчетах используйте следующее допущение: количество токсина, специфически связанного с рецептором, равно 100 пмоль).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
