Том 1 (1128361), страница 4
Текст из файла (страница 4)
1.4. Проницаемость искусственных лилидных бислоев для различных веществ по отношению к типу молекул, которые могут через них проходить. Существуют, например, калиевые, натриевые и кальциевые каналы, каждый из которых непроницаем практически для любого иона, кроме специфического. Такая избирательность обусловлена зарядом или структурой мест связывания в стенках канала, что облегчает транспорт специфической молекулы и предотвращает проникновение через канал других веществ (рис. 1,5,А) (1, 33. За поведением мембранных ионных каналов легко наблюдать, поскольку возникающий при движении ионов ток можно измерить, причем даже для одиночного канала.
Показано, что каналы спонтанно и с высокой частотой меняют свое состояние от открытого к закрытому. Для калиевого канала характерны импульсы тока амплитудой около 2 пА (2. 1О <з А) и длительностью в несколько миллисекунд (см. рис. 2.12, стр. 37) (33. За этот период через него проходят десятки тысяч ионов.
Переход белков из одной конформации в другую изучают методами рентгеновской дифракции, мессбауэровской спектроскопии и ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). Белки, таким образом, являются очень динамичными подвижными структурами, а канал, проходящий через белок, не:просто жесткая, наполненная водой трубка (рис. 1.5,А), но лабиринт бьютро двигающихся молекулярных групп и зарядов. Эта динамическая характеристика канала отражается в знергетпческом профиле канала, показанном на рис. 1.5, Б. Здесь по оси абсцисс представлена длина канала от внешнего раствора с концентрацией ионов со и потенциалом О до внутреннего раствора с концентрацией с, и потенциалом Е.
По оси орди- Янко Слава Спиблиотвка Гогг/Оа) 1! в1анваа«»уводах.гм 1! Пггр://уапко.иь.гм ГЛАВА ). ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОЙ ФИЗИОЛОГИИ Кепнеемн ненеп Мембрана 1 к'11 Рис. З.б. А. Схема белка. образующего калиевый канал, погруженный а липидный бислой плазматической мембраны.
Четыре отрицательных заряда зафиксированы иа «стенке» канала. Б. Схематический энергетический профиль канала, показанного иа рис. А. По оси ординат отложены величины кинетической энергии, необходимые для прохождения канала; по оси абсцисс— расстояния мюклу внутренней и наружной поверхностями мембраны. Энергетические минимумы соответствуют местам связывания положительно заряженных ионов с фиксированными отрицательными зарядами в стенке канала. Энергетические максимумы соответствуют препятствиям диффузии е канале. Предполагается, что конформация канального белка спонтанно осциллируег; варианты зиаргегических профилей изображена сплошными и штриховыми пиниями; эти осцилляции в значительной степени облегчают связывание ионов при преодолении энергетического барьера (по [14) с изменениями) наг представлены уровни энергии иона в местах связывания канала; пнк на графике представляет барьер проницаемосгн, который энергия иона должна превосходить для проникновения через канал, а «провал» графика- сравнительно стабильное состояние (связывание).
Несмотря на препятствие в виде энергетического пика, нон может проникнуть через канал, если энергетический профиль спонтан- но циклически меняется; нон, таким образом, может внезапно оказаться «по ту сторону» энергетического пика и может продолжить движение в клетку. В зависимости от заряда, размеров и степени гидратацни иона н его способности связываться со структурами стенок канала энергетический профиль канала варьирует для различных ионов, чем может объясняться избирательность отдельных типов каналов.
Диффузионное рввновесяе ионов. Диффузия различных ионов через мембранные каналы должна была бы привести к устранению различий в концентрациях между вне- и внутриклеточной средами. Как, однако, видно из табл. 1.1, такие различия сохраняются, следовательно, должно существовать некое равновесие между диффузией н другими процессамн транспорта через мембрану. Следующие два раздела касаются тех путей, с помощью которых такое равновесие устанавливается. В случае ионов на диффузионное равновесие влияет их заряд. Диффузия незаряженных молекул обеспечивается разностью ко)шентрапий бс, .и, когда концентрации уравниваются, собственно транспорт прекращается.
На заряженные частицы дополнительно влияет электрическое поле. Например, когда ион калия выходит нз клетки по градиенту своей концентрации, он несет один положительный заряд. Таким образом, внутриклеточная срела становится более отрицательно заря)венной, в результате чего на мембране возникает разность потенциалов.
Внутриклеточный отрицательный заряд препятствует выходу из клетки новых ионов калия, а те ионы„ которые асс же выйдут нз клетки, еше больше увеличат заряд на мембране. Поток ионов калия прекращается, когда действие электрического поля компенсирует диффузионное давление вследствие разности концентраций. Ионы продолжают проходить через мембрану, но в равных количествах в обоих направлениях.
Следовательно, для данной разности концентраций ионов на мембране существует равновесный потенциал Еи„, при котором поток ионов через мембрану прекращается. Равновесный потенциал может быть легко определен с помощью уравнении Нернста: К.Т Внеклеточная концентр щня иона Е,. = — 1пг.Р Внутриклеточная концентрация иона (4) где К -газовая постоянная. Т- абсолютная температура, г-валент)гость иона (отрицательная для анионов), а Р -число Фарадея. Если подставить в уравнение константы, то прн температуре тела (Т = 310К) равновесный потенциал для ионов калия Е„равен: ~К ')1 Е„= — 61 мВ (оя — '. (5) ~К+ 1 14 Янко Слава 1Библиотека РогГгоа) 11 в\акаввлвувлаех.го 11 Ьтоглггуалио.!1Охго ЧАСТЬ 1. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ ~К'~1 Если ' = 39, как это следует из табл.
1.1, тогда (К+ ~ Е» = — 61 мВ. 1ой 39 = — 61 мВ 1,59 = — 97 мВ. Действительно, было обнаружено, что все клетки имеют мембранг1ьпг патв1щиал; в мышечных клетках млекопитающих его уровень составляет около — 90 мВ. В зависимости от условий и относительных концентраций ионов клетки могут иметь мембранный потенциал в пределах от — 40 до — 120 мВ.
Для клетки в приведенном выше примере (табл. 1.1) потенциал покоя, равный примерно — 90 мВ, показывает, что потоки ионов калия через мембранные каналы находятся приблизительно в равновесии. Это неудивительно, поскольку в покоящейся мембране открытое состояние калиевых каналов наиболее вероятно, т.е. мембрана наиболее проницаема для ионов калия. Мембранный потенциал, однако, определяется потоками и других ионов. Легкость, с которой незаряженные частицы могут диффуцдировать через мембрану, количественно представлена в уравнении (3). Проницаемость для заряженных частиц описывается несколько более сложным уравнением: р К-Т Р= (6) д Р где р — подвижность иона в мембране, д — толщина мембраны, а й, Т и Р— известные термодинамические постоянные. Определенные таким образом значения проницаемости для различных ионов могут быть использованы для расчета мембранного потенциала Е„, когда ионы калия, натрия и хлора проходят через мембрану одновременно (с пронипаемоспю Рк, Рка и Ро соответственно).
При этом предполагается, что потенциал падает в мембране равномерно, так что напряженность поля постоянна. В этом случае применяется уравнение Голд- мана, или уравнение паетоянг1ага поля Гб, 123: й Т Рк(Кгзо+ Рн 1Ха+)о+ Ро1С1 )1 Е„= — 1 РхГК З1+ Рн Ь)та З1+ Рс1ГС1 Зо (7) Для большинства клеточных мембран Р„приблизительно в 30 раз выше, чем Р„, (см. также разд. 1.3). Относительная величина Р, сильно варьирует; для многих мембран Р, мала по сравнению с Р„, однако для других (например, в скелетных мышцах) Ро значительно выше, чем Р„.
Активный транспорт, иатриевый насос. В предыдущем разделе описаны пассивная диффузия ионов н образующийся вследствие этого мембранный потенциал прн заданных внутри- и внеклеточных концентрациях ионов. Однако в результате этого процесса концентрация ионов внутри клетки стабилизируется не автоматически, поскольку мембранный потенциал несколько более электроотрицателен, чем Е„, и намного — по сравнению с Енв (около + 60 мВ). Благодаря диффузии внутриклеточные концентрации ионов, по крайней мере калия и натрия, должны уравниваться с внеклеточными.
Стабильность градиента ионов достигается посредством активного транспорта: мембранные белки переносят ионы через мембрану против электрического и (или) концентрационного градиентов, потребляя для этого метаболическую энергию. Наиболее важный процесс активного транспорта--зто работа Ха/К-насоса, существующего практически во всех клетках; насос выкачивает ионы натрия из клетки, одновременно накачивая ионы калия внутрь клетки. Таким образом обеспечивается низкая внутриклеточная концентрация ионов натрия и высокая-калия (табл. 1.1).
Градиент концентрации ионов натрия на мембране имеет специфические функции, связанные с передачей информации в виде электрических импульсов (см. разд. 2.2), а также с поддержанием других активных транспортных механизмов и регулирования объема клетки (см. ниже). Поэтому неудивительно, что более 1/3 энергии, потребляемой клеткой„расходуется на Ха/К-насос, а в некоторых наиболее активных клетках на его работу расходуется до 70'lо энергии (1, 113. )Ча/К-транспортный белок представляет собой АТФазу. На внутренней поверхности мембраны она расщепляет АТФ на АДФ и фосфат (рис. 1.6).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
