Беркинблит, Глаголева - Электричество в живых организмах (Квант) - 1988 (947484), страница 16
Текст из файла (страница 16)
По вернемся к мембране. Поверхность всякого организма играет особую роль, так как это — место соприкосновения организма н среды, Именно на поверхности находится защитный слой (коя;а, панцирь, колючки и т, д.); на поверхности находятся органы чувств; через поверхность организм получает воду, лишу и кислород (пищеварительный тракт — это часть наруясной поверхности). Все эти соображения применимы и к отдельной клетке.
Через поверхностную т» мембрану клетка получает разные вещества, через нее же выводятся наружу продукты обмена. В мембрану встроены особые белки-рецепторы — «органы чувств» клетки. Но мембрана покрывает не только поверхность клетки, внутри клетки тоже имеется множество мембран, которые делит клетку на отсеки, окружают ее органеллы. Особой двухслойной ядерной мембраной окружено ядро клетки, свою мембрану имеют «энергетические станции клеткиа — митохондрии. В пузырьках из мембран — лизосомах — хранятся некоторые клеточные ферменты и т. д. Нро мембраны теперь известно так много, что возникла особая наука — мембракология; в нашей стране выходит специальный журнал «Биологические мембрапыа, а за рубежом ягурнал «Биология мембране.
Для подробного рассказа о мембранах нужно было бы написать отдельную книгу. Такие книги уже написаны н), поэтому мы расскажем здесь о мембранах лишь то, что будет нам совершенно необходимо для дальнейшего. Клеточная мембрана представляет собой жидкую пленку, обрааованную я«ироподобными веществами— липидами. Она состоит из двух слоев липидных молекул, в которые встроены молекулы белка.
Нас прежде всего будут интересовать, конечно, электрические характеристики мембраны, которые были определены с помощью самых разных методов. Эта работа была начата еще в 1910 г. в лаборатории Нернста и в ней принимал участие тот самый Гебер, который открыл влияние солей калия на потенциал мышц. Измерения проводились на суспензии клеток (взвеси клеток в электролите).
Основной метод измерения состоял в том, что через суспензию пропускали ток разной частоты и определяли ее удельное сопротивление. Была развита теория, которая позволяла отдельно определить сопротивления мембраны клетки и ее протоплазмы, так как их отношение апнисело от чнстоты пропускаемого тока. Развивая это направление, Г. Фрикке в 1925 г. показал, что мембрана ведет себя в опытах как параллельно соединенные сопротивление и емкость (рис. 15), т. е., как говорят, выяснял эквивалентну«о схему мембраны.
Схема эта первоначально была установлена для мембраны эритроцитов; Фрикке использовал при «) См напрсслсер, книгу: Бергсньсснсу. Д. Мембраны, молекулы, нл«тки.— Мл Наука, !982. 72 измерениях частоты до 4,5 МГц, так что успеху его работы способствовало развитие физических приборов — появление генераторов высокой частоты. В дальнейшем па самых разных клетках удалось измерить сопротивление мембраны, ее емкость, а также удельное сопротивление протоплазмы.
Г. Фрикке и Г. Кертис работали с эритроцитами, лейкоцитами, одноклеточной водорослью — хлореллой, дрожжамн (1925 — 1934 гг.); К. Кол работал с яйцеклетками иглокожих, мышечными и нервными клетками (1938 — 1939 гг.). (г С Оказалось, что удельная емкость мембраны у всех изученных клеток составляет примерно 1 мкФ(смз. Пе слишком сильно отличается у разных и клеток и удельное сопротивление протоплазмы, оно обычно близко к Рнс. 15.
Эквива- 100 Ом см, т. е. примерно такое же, лентнаясхемаиле- точной мембраньи как у морской воды. Напротив, удель- А — среда окру' ное сопротивление мембраны у разных жающан плетку, клеток оказалось весьма разным( Так, Б — цитоплавма например, у яйцеклеток морского ежа удельное сопротивление мембраны составляет всего 100 Ом.см', а у водоросли нителлы — 100 000 Ом см' о). Почему же у разных клеток мембрана имеет одинаковую удельную емкость и столь разное удельное сопротивление) Дело в том, что емкость мембраны определяется ее липндным слоем, который можно рассматривать как диэлектрик, находящийся между двумя пластинами конденсатора.
Формула емкости плоского конденсатора: С "ОЯ где е — диэлектрическая проницаемость вещества мембраны, е, — электрическая постоянная, Я вЂ” площадь мембраны, а г( — ее толщина. Поскольку и толщина, *) Обратите внимание на необычную раамерность удельного сопротивления мембраны: Ом смз) Обычно в етом месте в самых равных книгах встречается опечатка: смз стонт в знаменателе. Дело в том, что в злектрофизиологии удельным сопротивлением мембраны называется не сопротивление г см' вещества мембраны (р в' формуле (7=р ~ ), а сопротивление 1 см' мембраны, т е. произведение р) в той же формуле.
73 и диэлектрическая проницаемость биомолекулярных лнпидных слоев самых разных клеток очень сходны, совпадает и удельная емкость мембраны *). А вот сопротивление мембраны определяется не липидами, а теми молекулами белка, которые встроены в жидкий липидный слой и плавают в нем, как айсберги„ «прошпвая» мембрану насквозь. Эти молекулы в разных клетках отличаютсн и по числу, и по свойствам— отсюда и разное удельное сопротивление. Если убрать из липидного бислоя белок, то удельное сопротивление такой «чистой» мембраны оказывается весьма высоким— порядка 10» Ом см'.
С помощью изотопных и других методов было показано, что клеточная мембрана действительно явлнется полупроницаемой: она хорошо пропускает полох<ительные ионы калия, но не пропускает клеточные анионы (крупные органические молекулы и фосфаты). Но вернемся к мембранной теории. Опыты на «голой» мембране — торжество мембранной теории В 1961 г. А. Ходя<хин и его сотрудники Бекер и Шоу поставили очень красивый опыт. Еще когда 1Онг открыл гигантский аксон у кальмара, он заметил, что при надавливании на такой перерезанный аксон его содерпсимое выдавливается из него, как паста из тюбика, и остается пустан «шкурка». Вот с этой оболочкой, т.
е. мембраной аксона, и начали работать Ходжкик и его сотрудники. Они брали аксон, клали его на резиновую подложку, чтобы не повредить, и с е) Мы уя<е видели, что одна и та же форл<ула Нернста может попользоваться и для вычпслеаия ПП, н для определения концентрацви калия внутри клеток в аависпмости от того, какие величины ижестны. Точно так же мы использовали формулу емкости конден< атора, чтобы объяснять совпадение удельной емкости мембран равных клеток, а Фрикке а 1925 г. использовал ту же формулу длн определенна толщины мембраны, измерив удельную емкость и допустив, что диэлектрическая проницаемость равна 3, как и у других я<пров. Па основании полученной толщины мембраны он с <слал вывод, что она состоит из одного или двух слоев молекул. з'втер»оно, что в том же $925 г.
бимолекулярность мембран была пок ззка совершенно иначе: была измерена площадь некоторого 'п<сза з»итроцитов, затем их мембрану растворили и измерили площадь пятна, плава<ощего иа рас<ворителе,— онв была вдвое б<льше, чем у зритроцнтов, Считая, что пятно образовано моно"яжекулярным слоем, сделалц в»<вод, что мембрана бимолекулярна.
74 помощью резинового ролика выдавливали из него протоплазму. Получалась пустая трубка из одной мембраны. Эту трубку через пипетку, вставленную в торец, можно было заполнять разными растворами. Таким образом, появилась возмоясность работать на мембране нервного волокна, меняя произвольно концентрацию дмб ло' Рис.
10. Зависимость потеициала покоя перфузируемого аксоиа от градиента коицоятрации калия. По оси абсцисс— внутренняя коицеятрация калия, по оси ординат — мембраииый потенциал. Наружная кояцептрация калия (е милли- молях) со«та»ляле 540 дая кривой ! и «О для кривой !! -бп Л«7 «ЛО аЮ Ск,ммпаь веществ как снаружи, так и внутри аксона. Оказалось, что при заполнении аксона растворами, содеря«ащими такую же концентрацию К', как и протоплазма (снаруп«и была морская вода), в аксоне возникал нормальный потенциал покоя порядка 50 — 60 мВ («минус» — внутри волокна) (рис. 16). При этом выяснилось, что природа отрицательных ионов, которые вводилпсь в волокно вместе с калием, ие слишком существенна.
Если концентрация калия внутри волокна и в наружной среде была одинаковой, то потенциал покоя в полном соответствии с формулой Нернста не возникал (см. рис. (6). Если >ке внутрь волокна накачивали морскую воду, а в наружную среду — раствор с высокой концентрацией калин, то знак потенциала покоя менялся: внутри волокна возникал знак «плюс», а снаруя«и — «минус»; при этом величина ПП соответствовала формуле Пернета.
Таким образом, введение внутрь волокна солевых растворов разного состава подтвердило результаты, полученные ранее при изменении наружной концентрации ионов калия. Эти опыты показали, зо-первых, решающую роль мембраны в возникновении ПП вЂ” ведь протоплазма со всеми органелламп и белковыми молекулами попросту отсутствовала, а во-зторых, — решающую роль ионов калия в этом процессе. Мембрана нервного волокна работала так, как это предсказывалось мембранной теорией Бернштейна.
75 Мембранная теория требует уточнений Часто, когда теория достигает зрелости, получает признание, живет, начинает расти точность измерений и обнаруживаются отступления от теории, требующие объяснений. Законы Кеплера утверждали, что планеты движутся по эллипсам, но прн более точных наблюдениях обнаружилось, что орбиты не вполне эллипсы, что существуют возмущения, которые были объяснены как результат действия на планету силы притя«кения других планет. Именно учет возмущений позволил открыть планету Нептун. То >ке самое произошло н с мембранной теорией. Когда методы измерения ПП и ионных концентраций достигли достаточно высокой точности, обнаружилось, чго па самом деле измеряемый ПП всегда ниже, чем вычисленный теоретически по формуле Пернета. Ясно, что существовал какой-то «воамуща«ощийэ фактор, не учтенный теорией Бернштейна.
Найти причину расхождения эксперимента и теории помог опять-тани кальмар. Работая с гигантским аксоном, А. Ходжкин и Б. Катц установили, что ПП, измеряемый в опыте, окааывается ближе всего к теоретическому в одном особом случае: если из наружной среды убирается натрий. Но причем здесь натрий3 Если, как считал Верн- штейн, мембрана проницаема только для калия, то натрий вообще не должен влиять па ПП! А что если допущение Бернштейна ошибочно1 Что будет, если, посягнув на «основу основ» мембранной теории, предположить, что натрий тоже проходит через мембрануг Легко понять, чго тогда ионы натрия, которых снаружи клетки гораздо больше, чем внутри, будут идти по градиенту концентрации внутрь, создавая свой нернстовский потенциал, противоположный по анаку тому, который создаетсн калием, и значит, будут синя«ать ПП.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
