Лекции Рубина (1123233), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Принцип действияNa,локализованнойвК - АТФазы состоитв том, что за счет освобождающейся при гидролизе АТФ энергии в нейпроисходятконформационныепереносом ионовNaизменения,которыесопровождаютсяиз клетки во внеклеточную среду и одновременноК+ - в обратном направлении. На рис. 15.4 изображена схема функционированияNa,К-АТФазы, состоящей из двух полипептидных субъединиц (малой и большой). На внутренней стороне мембраны в присутствииNaиMg -АТФ происходят фосфорилирование белка и образованиекомплекса NaE1~P, в котором белок фермента Е находится в конформационно-напряженном состоянии, и переход егона внешнююсторонумембраны. Затем дефосфорилирование белка на внешней стороне мембраны изменяет сродство фермента к ионам Na+ и К+.
Теперь ионы К+лучше связываются с белком, ионы выходят во внешнюю среду, а фермент переходит в новое конформационное состояние (КЕ2 ), где у неговысокое сродство к к+. Затем комплекс КЕ2 мигрирует во внутреннююсреду, где отщепляется К+, а фермент возвращается в исходное состояниеЕ1, теперь он вновь вступает в цикл превращений.Стабильный фосфорилированный комплекс Е 1-Р связывает трииона Na+, а в состоянии Е2 -два иона К+.
Таким образом, энергия АТФтратится на создание такого конформационного напряженного состоя~+ния комплекса Na Е 1 ~Р, где сродство к Na понижается, а возрастаетсродство к К+. Замена в этом состоянии 3 Na+ на 2 К+ снимает напряжение. Таким образом, за счет энергии АТФ происходит упорядоченноеизменение сродства ион-связывающих центров фермента к катионам.Смещение в мембране субъединиц, несущих ионы, осуществляется в11MgNaE 1+АТФ'2+1NaE 1 ,...._,, Р+ АДФ,~Naoutinк/КЕ 2 + РКЕ1Mg12+2-Р"'-к11Рис.15.4.Схема функционирования К, Nа-АТФазы151результате тепловых колебаний.ионс-12Высказываетсяпредположение,чтосвязывающая ячейка фермента содержит координационную сферуатомами кислорода. Известно, чтоатома кислорода могут образо4вывать Na+ - специфическую ячейку, а 6 атомов кислорода - к+ - специфическуюячейку.Перегруппировкаэтих12атомовкислородаизсостояния, где связываются 3 Na+, 4 атома кислорода х 3 иона Na+, всостояние, где связаны 2 К+, 6 атомов кислорода х 2 иона К+, требуетконформационной перестройки белка и соответственно энергии АТФ.К- Nа-АТФаза работает в электрогенном режиме, так как обмен3ионов Na на 2 иона к+ создает дополнительную разность потенциалов намембране.В мембранах существует также Саряд особенностей, сходных свключает связывание Са2+Na,2+-зависимая АТФаза, имеющаяК - АТФазой.
Ее рабочий цикл такжеи АТФ с образованием конформационно неус-тойчивого состояния, в котором изменяется сродство белка с ионом Саза счет энергии макроэргической фосфатной связи. Как и в случаеК - АТФазы,изменениесродства здесьобусловлено,поNa,-видимому,изменением расположения полярных групп, связывающих Сав коорди-2+национной сфере центра фермента.Активный транспортItможет проходить поIt -каналам Н+ -АТФазы, по которым они переносятся к активному центру, где осуществляется синтез -гидролиз АТФ.Механизм самого переноса Н+ до конца неясен.
Предполагается эстафетная передача протонов по системе водородных связей, котораясопровождаетсявзаимнымсмещениемдонорно-акцепторныхгрупп.Структура энергетических барьеров, определяющая скорость и направление переноса Н+ в Н+ - канале, зависит от его конформационного состояния. Соответственно модификацию энергетического профиля иона вканале можно осуществить за счет энергии АТФ, кванта света (Н+ канал в бактериородопсине ), окислительноций.152-восстановительных реакЛекцияТРАНСПОРТ ИОНОВ16.В ВОЗБУДИМЫХ МЕМБРАНАХПотенциал действия. В состоянии покоя соотношение проницаемостей калия и натрия составляет Рк:PNa = 1 : 0,04,т.
е,Рк. Это обуPNa <словливает приближение значений потенциала покоя к равновесномупотенциалу для К+ в невозбужденной мембране. Внутреннее содержимоенервного волокна в состоянии покоя заряжено отрицательно по отношению К наружному раствору, ЧТО определяется направлением ДВИЖеНИЯ К+наружу из аксоплазмы. Потенциал покоя согласно уравнению Гольдманаравен<р= RT ln Pк[K 0 ]+PNa[Na 0 ]Pк[K;]+PNa[Na;]FПри возбуждении мембраны нервного волокна в ней возникаютэлектрическиедействия-импульсы.длится околоОдиночный1 мснервныйимпульс-потенциали распространяется по волокну со скоростью1- 100м/с.
Во время развития потенциала действия наблюдается быстрое смещение значений потенциала внутренней части волокна от отрицательных- 70мВдоположительныхзначений+40 - +50мВ(деполяризация) и последующий возврат к прежним значениям с кратковременной стадией гиперполяризации (рис.16.1).Реверсия мембранногопотенциала во время развития импульса вызвана резким изменением проницаемостей мембраны для ионов, так+ 4 Ог-~~~,п~о~r~е~н~ц~и~а~л,..-~действияOt-----..,t--t--~т-~~~~~что на гребне спайкаПотенциалпо~с:ояРк:PNa=l:20, т.Таким образом,проницаемостье.PNa» Рк.оказывается,мембраныдлячтоионовзависит от приложенного мембранногопотенциала. Во время развития спайкапоток ионов Na+, направленный внутрь,вызываетдеполяризациюдотехпор,пока потоки Na+ внутрь и наружу сравняются, а потенциал на мембране приблизится к равновесному для ионовNa.После этого происходит инактивацияNa- каналов,прекращениепотокаNaРис.16.1.
Возникновение импульса потенциала действия(ПД) в результате местнойдеполяризации153внугрь. Одновременно увеличивается проницаемость для К, которыйвыходит теперь наружу по градиенту своего электрохимического потенциала. В этом процессе мембрана реполяризируется до тех пор, покавыход К не прекратится, а потенциал на мембране приблизится к равновесному калиевому потенциалу. Реполяризация проходит через быструюстадию гиперполяризации. Потенциал на мембране вновь достигаетуровня потенциала покоя, однако это происходит в условиях повышенной концентрации ионовриклетки.УказанныеNaи пониженной концентрации ионов К внутотклоненияотраспределенияионовнапокоящейся мембране могуг нарастать при многократном прохождениинервных импульсов. В этих условиях постоянный уровень внутриклеточных концентраций К+ и Na+ поддерживается Na-, К-АТФазой, выводящей Na+ наружу в обмен на поступление К+.Проводимость каналов.
Воротные токи. Изменение потоков Na+и к+ (iNa и iк) во время потенциала действия (рис. 16.1) обеспечиваетсядвумя типами ионных каналов дляNaи К, проводимость которых поразному меняется в зависимости от электрического потенциала на мембране.Na -проводимость быстро нарастает и затем быстро экспоненциально уменьшается. Калиевая проводимость нарастает покривой и заS-образноймс выходит на постоянный уровень. Восстановление5- 6натриевой проводимости до исходных значений происходит в10разбыстрее, чем калиевой проводимости. Вопрос о том, каким образомпроводимость ионных каналов управляется электрическим полем, является одним из центральных в биофизике мембранных процессов.
В модели ХоджкинаNa-Хаксли предполагается, что проводимость для ионови К регулируется некоторыми положительно заряженными управляющими частицами, которые перемещаются в мембране при изменениях электрического поля. Смещение положения этих частиц в мембранезависит от приложенного потенциала и соответствующим образом открывает или закрывает ионный канал. Считается, что в случае калиевойпроводимости имеются четыре активирующие канальную проводимостьчастицы. В случаеNa -канала предполагается наличие трех активирующих частиц, необходимых для открывания, и одной инактивирующейчастицы-для закрывания канала.
На основе этих предположений удалось построить математическую модель, с высокой точностью воспроизводящую нервный импульс. Главное достижение состоит в разделениитрансмембранных токов на отдельные компоненты(iNa иiк) и в экспериментальном изучении их свойств. В функциональной структуре каналабьши выделены элементы, ответственные за механизмы селекции ионов(селективный фильтр), активации (активационные ворота) и инактивации канала (инактивационные ворота) (рис.16.2). Движениезаряженныхуправляющих частиц в канале (воротных частиц) обнаруживается экспериментально по возникновению воротных токов.
Они появляются в результате смещения частиц в мембране под влиянием наложенного намембрану электрического импульса. У далось обнаружить воротные токисмещения, связанные с частицами, отрывающими Nа-канал. Вместе с154тем предположение, что перескок нескольких заряженных групп долженпроисходить через всю толщу мембраны, представляется маловероятным. Поэтому выдвигается другая интерпретация природы воротныхтоков. Предполагается, что токи смещения обусловлены не трансмембранным перескоком заряженных частиц, а кооперативным изменением(~/,'/:~/,///Жидк:а!;1~@Снаружи?'липидная;;;мемб1;а~~•••,Селективнь1йфильтр"--~!!Ворота''Нар~жныйповерхностныйзарs:~дРис.16.2.Строение ионного канала (по Хилл,1981)ориентации диполей, выстилающих внутреннюю полость канала.Полярные группы, определяющие дипольное окружение иона в канале, влияют на энергию иона и на прохождение его через канал.
Если подвлияниемдеполяризующегоориентация, тоэтоэлектрическоговызовет смещениеимпульсаизменяетсязаряженных группиихизменениепроводимости канала. Процесс переориентации диполей может носитькооперативный характер и быть достаточно резким. В этом случае энергия, необходимая для переориентации каждого элементарного диполя,должна зависеть не только от его собственной энергии, но и от долидиполей, уже изменивших свою ориентацию. Иными словами, по мереизменения ориентации части диполей энергия, необходимая для переориентации оставшихся диполей, уменьшается тем значительнее, чембольше число уже переориентированных диполей. Можно представить155себе, ЧТО в ИСХОДНОМ СОСТОЯНИИ диполи "мешают" друг друrу изменитьориентацию под действием поля, а переориентированные диполи уже"не пугаются под ногами" у оставшихся.
В результате такого рода кооперативного эффекта проводимость канала очень быстро "лавинообразно"нарастает под действием приложенного электрического импульса. Заметим, что и конформационные перестройки в канале, сопровождающиесяповоротом диполей, могуг также приводить к скачкообразным изменениям проводимости в одиночном канале. Фактически во всех предложенных моделях речь идет о своего рода фазовых переходах в мембранах,лежащих в основе скачкообразных переходов канала между двумя состояниями.Распространение нервного импульса вдоль волокна происходитбез затухания с постоянной скоростью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
