Лекции Рубина (1123233), страница 27
Текст из файла (страница 27)
В этом случае может быть справедливо условие линейного изменения потенциала по всей толщинемембраныdepldx=const,которое осушествляется именно в тонких мембранах. Тогда уравнение Нернста-Планка можно решить и тем самымполучить зависимость суммарного пассивного потока144Jиона от разностипотенциала Лер на мембране и концентрации этого иона С1 и С2 в фазесамой мембраны на ее краях! =i -i =ZFЛcpu.
С, - С2 exp(ZFЛcp / RT).hВ суммарный поток11exp(ZFЛcpдают вклад два односторонних противоположно направленных потока i и,(14.8)/ RT)i . Поток iZFЛcpuС,h1-exp(ZFЛcp/ RT)l =--- --------прямой односторонний поток, направленный через мембрану из наружного омывающего раствора электролита с концентрацией С0 • ПотокiZFЛcpu,l =---С2 exp(ZFЛcp/ RT)~~------1-exp(ZFЛcp/ RT)hобратный односторонний поток из внутреннего раствора с концентрацией С; в наружный раствор через мембрану.Концентрации ионов( С1и С2) на краях в фазе самой мембраныпропорциональны соответственно концентрациям внаружномивнутреннем омывающих растворах (Со и С;):Тогда уравнение для пассивного потока через мембрану примет вид! = ZFЛcp р С0 -Ci exp(ZFЛcp/ RT)где р =(14.9)1-exp(ZFЛcp/RT)RTuRT y!h -коэффициент проницаемости.
Выражение(14.9)вестно как уравнение Гольдмана в приближении постоянного(dcp/dx=const).Односторонние потокиiиtизполяявляются независимыми,если каждый из них определяется только "своей" концентрацией, т. е.концентрацией раствора, откуда направлен поток. В этом случае отношение независимых односторонних потоков будет равно145С0iiCiexp(ZFЛcpСоотношение(14.10)/ RT)(14.10)известно как критерий Уссинга-Теорелла независимости односторонних потоков.
Оно используется для доказательства пассивногохарактера транспорта ионов.Уравнение Гольдманапредсказывает нелинейную зависимость трансмембранного потока ионов от разности потенциалов на мембране. В равновесии, когда суммарный ток равен нулюJ=i-i=o,из(14.9) следует, чтоС 0 = С;exp(ZF Лср/RТ)и соответственно равновесное значение потенциалаRT С0Лcp=-1nZFCiопределяется отношением концентраций в наружной С0 и внутренней С;,средах. Если через мембрану одновременно диффундируют разные ионы,то их потоки дают вклад в суммарный процесс транспорта. В равновесии, когда электрический ток через мембрану не течет, сумма потоковотдельных ионов равна нулю.
На клеточных мембранах большое значение имеет перенос ионовNa+,К+, С1~. В этом случае условием равновесия будетJNa+Jк+Jc1= О,где каждый из потоков выражается уравнениемвыражений для потоков ионовРк [Ко]Рс1-[Cl;] -Рк[К;]Рс1(14.9).СуммированиеNa, Cl, К даетexp(F Лср/RТ) + PNa [Na;] exp(F Лср/RТ)-[Clo] exp(F Лср!RТ)=О.Отсюда можно найти выражение для равновесного мембранногопотенциала или клеточного потенциала покояЛер= RT Рк [Ko]+PNa[Na 0 ]+Pc1[ClJ.F146Рк[Ki]+PNa[Nai]+Pc1[Clo](14.11)Проницаемости ионовNa,К,Clразличны, и, следовательно, неравномерное распределение ионов по обе стороны мембраны и являетсяосновной причиной возникновения потенциала покоя. Отношение проницаемостей таковоРк:PNa : Рс11 : 0,04 : 0.05,=что мембрана практически непроницаема для Na+ по сравнению с к+.Величины потенциала покоя в клетке достигают, как правило,- 70мВ.
В интактных аксонах это значение близко к равновесному потенциалу для ионов К+. Можно упрощенно считать, что трансмембранный потенциал покоя в этих случаях определяется в основном условиямиравенства электрохимических потенциалов ионов К+, равновесная концентрация которых в клеткецентрациювнаружнойнамного превышаетсреде.Вместесих равновеснуютемнизкийконуровеньконцентрации ионов Na+ в клетке далек от того, который должен бьш быустановитьсяОчевидно,придлянеравновесногоусловииравновесия.поддержанияуровнянизкогоконцентрацииNa+ в клетке необходим какой-то механизм активного выведения Na+ наружу,или,какговорят,системаОдним из указанийнаNа-насоса.+i, -----------!~Na 1существованиеNа-насоса являются опыты по переносуодинаковыми растворами Рингера кожей лягушки, то междуее наружной и внутренней поверхностямивозникаетоколо100мВразность(внешняяотрицательна) (рис.потенциаловповерхность+~юомвионов через кожу лягушки.
Если разделить две камеры сРис.14.1. Принципиальнаясхема измерения тока короткого замыкания на кожелягушки14.1).Подавая от внешнего источника ЭДС противоположного направления, можно скомпенсировать разность потенциалов до нуля. Тогда всистемедолжнонаступитьравновесие,поскольку теперьотсутствуютградиенты не только концентраций, но и потенциала между камерами,разделенными кожей лягушки. В этом случае, согласно критерию У ссинга (14.10), односторонние потоки должны быть равны:i = i,при Со= С;и Л<р =О. Однако в прямых экспериментах с меченым Na+ оказалось, чтов этих условиях поток Na+ от наружной поверхности к внутренней поверхности кожи намного превышает поток Na+ в противоположном направлении. Этот процесс транспорта Na+ от наружной слизистой квнутренней серозной оболочке представляет собой активный транспорт.У некоторых растений величина потенциала покоя достигает- 200мВ,что намного превышает равновесный потенциал ионов К+ и объясняетсяактивным выведением наружу ионов Н+ из цитоплазмы.147Лекция15.
КАНАЛЫ И ПЕРЕНОСЧИКИ.АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТПрежде чем перейти к рассмотрению активного транспорта, остановимся на механизмах прохождения ионов через мембрану.Каналы. Биологическая мембрана содержит ионные каналы, представляющие собой липопротеиновые комплексы сложной структуры. Вузких каналах (натриевый3,lx5,l А, калиевый 4,5х4,5 А) возможно однорядное движение ионов, которые могут взаимодействовать друг с другоми с молекулярными группами канала. При поступлении иона в каналпроисходит замещение молекул воды гидратной оболочки иона на полярные группы полости канала. Увеличение свободной энергии иона придегитрации с избытком компенсируется энергией его взаимодействия сполярными группами канала. В результате общая энергия иона снижается, что и облегчает его прохождение через канал.
Наличие полярныхгрупп, а также фиксированных анионных центров в канале приводит засчет их кулоновских взаимодействий с ионом к снижению энергетического барьера перехода иона из раствора в канал. Лучше всего проходятчерезканалионы,которыепрочносвязываютсяэлектростатическимисилами с анионным центром. Например, с небольшим отрицательныманионным центром более прочно после потери гидратной оболочкибудет связываться меньший по размеру катион Na+ по сравнению с катионом К+.
В то же время радиус гидратированного иона Na+ больше, чемК+, и без потери гидратной оболочки ион Na+ хуже проходит через относительно широкие поры в мембране. Наличие в канале фиксированныханионных центров, притягивающих катионы, облегчает их прохождениечерез канал, снижая энергию иона. На рис.гетические профили Na+ -Рис.15.1.Энергетическийпрофиль натриевого каналавозбудимых мембран14815.1и15.2приведены энери к+ - каналов. Скорость проведения Na+ -Рис.15.2.Энергетическийпрофиль калиевого каналавозбудимых мембранканала достигает107ионов/с.
Через+Na -канал могуг проходить и раз-личные органические катионы размером не больше 3х5 А. В качествеанионного центра могуг выступать атомы кислорода группы СОО. Калиевые каналы имеют широкое устье (>8 А) со стороны цитоплазмы,которое может блокироваться тетраэтиламмонием.Однорядный транспорт ионов через канал обладает характернымиособенностями. Ион относительно долго задерживается в каждой потенциальной яме.
Это значит, что второй ион не может попасть в занятуюпотенциальнуюямуиз-заэлектростатическоговзаимодействия(отталкивания) с уже находящимся там ионом. Перескоки между ямамисовершаются под действием тепловых флуктуаций. Приложенное внешнее электрическое поле изменяет энергию иона и тем самым влияет навероятность перескока. Выход из канала иона, связанного анионнымцентром, облегчается при появлении на входе канала другого ионавследствие их ион-ионного электростатического отталкивания. Проводимость канала зависит от того, насколько заполнены участки "входа" и"выхода" канала, связывающие ионы.
При высоких концентрациях электролита оба участка связывания могуг быть заполнены ионами, что приведет к блокировке канала и насыщению его проводимости. Ясно, чтоизменение числа частиц в канале изменяет и энергетический профильканала вследствие кулоновских взаимодействий. Однако конформационные перестройки белка, формирующего ионный канал, могуг также изменять высоту энергетического барьера в результате переориентацииполярных групп.Переносчики. Перенос иона через мембрану осуществляется также спомощью транспорта ионофоров (переносчиков).
Ионофоры могуг образовывать комплексы с ионом либо формировать поры в мембране, заполненные водой (каналы). Закономерности этих процессов изучены набислойных липидных мембранах. Энергия комплекса ион-переносчикзначительно ниже энергии дегидратированного иона. Комплекс ионофора с ионом образуется на одной стороне мембраны, а затем перемещаетсянадругую,гдепроисходитосвобождениеионаивозвращениеионофора.
Типичным подвижным переносчиком является валиномицин,который транспортирует К+. Катион калия входит во внутреннюю полость валиномицина, причем образовавшаяся структура стабилизируетсяза счет взаимодействия иона с6 - 8 полярными группами СО (рис.15.3), которые заменяют гидратную оболочку иона. Ион Na+, обладающий меньшим радиусом, не в состоянии эффективно взаимодействоватьс кислородами карбонильных групп. Молекула, валиномицина переноситчерез БЛМ ~ 10 ионов/с. Другой переносчик- нигерицин - образует с4ионами комплексы, в которых молекула находится в свернутой конформации. Нигерицин может переносить и ионы Н+, являясь слабой кислотой.
Он индуцирует в БЛМ и биологических мембранах обмен Н+ на К+.Молекула ионофора может образовывать комплекс, имеющий воднуюпору. Внешняя часть молекул в поре гидрофобна, а внугрь канала обращены хорошо поляризуемые группы. Наиболее известен как каналообра-149зующий ионофор грамицидин. Молекула грамицидина А, сформированная пятнадцатью гидрофобными аминокислотами, находясь в мембране,сворачивается в спиралевидную структуру. Она представляет собой полый цилиндр длиной около 30 А и диаметром поры около 5 - 8 А.
Потакому каналу может переноситься около 107-108 ионов/с. При входеиона в грамицидиновый канал происходит частичное замещение водыгидратной оболочки на карбонильные группы, обращенные внутрь поры.Ионные каналы обладают характерными флуктуациями проводимостивследствие их открывания и закрывания,чтоотличаетканальнуюпроводимость от транспорта сучастием переносчиков.этихфлуктуацийсреднее времякрытомАнализпозволяетжизнисостояниииоценитьканалавотпроводимостьодиночного канала. Очевидно, чтопристохастическомхарактереоткрывания и закрывания канала значениеегопроводимости(g)колеблется около некоторого среднегозначенияквадратичным~дисперсиеи(J 2crсосреднимили2- )2 >.=< ( g-gНапомним,(g)( g)отклонением,чтопроводимостьdЛс"N1kО=СNH11С=Ооk>iО=С11С=ОNHk>-1NHс11С=Оо~f----о0 =C11с\ оканала для данного иона проо~ус Се~о-/\r0~ ун011Nн-сЛо,;с~порциональна его проницаемости Ри концентрации СРис.15.3.
Химическое строение-молекулы валиномицинаg~PC.ионофораСтатистический анализ шумов процессов открывания-закрыванияканалов показывает, что среднее значение проводимости мембраны связано с проводимостью(ho)ее одиночного канала простым соотношениемОтсюда можно определить значениеh0одиночного канала и 'to -время жизни канала в открытом состоянии, которое может варьироватьот миллисекунд до секунд.Ак1Пвный транспорт, Системы активного транспорта обеспечивают перенос ионов против градиента электрохимического потенциала и150используют для этого энергию метаболизма (АТФ, сопряженные окислительноныхвосстановительные процессы). Активный транспорт в нерв-клеткахосуществляетсяК-АТФазой,Na,плазматических мембранах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
