Шмидт, Тевс (ред.) - Физиология человека - т.1 (947488), страница 4
Текст из файла (страница 4)
На заряженные часпщы дополнительно влияет электрическое поле. Например, когда ион калия выходит из клетки по градиенту своей концентрации, он несет оден положительный заряд. Таким образом, внутриклеточная среда становится более отрицательно заряженной, в результате чего на мембране возникает разность потенциалов.
Внутриклсточный отрицательный заряд препятствует выходу из клетки новых ионов калия, а те ионы, которые все же выйдут нз клетки, еще 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 раввовесвый петеинвал Е-, при котором поток ионов через мембрану прекращается.
Равновесный потенциал может быть легко определен с помощью уравиевия Нераста: К. Т Внеклеточная концентрация иона )л Е х Е Внутрнклеточная концентрация иона (4) где К вЂ” газовая постоянная, Т вЂ” абсолютная температура, х — валентность иона (отрицательная для анионов), а à — число Фарадея. Если подставить в уравнение константы, то при температуре тела (Т = 310К) равновесньвй потенциал для ионов калин Е„равен: Ек = — 61 мВ.1ой (К'~, (5) ГК'1« 14 члсгь ь онщхя физиология клнтки (К+1,. Если — „- — ' = 39, как это следует из табл. 1.1, тогда [К")р Е„= — 61 мВ 1ой39 = — 61 мВ 1,59 = — 97 мВ.
Действительно, было обнаружено, что все клетки имеют мембранный погпвгв/иал; 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 неудивителъно, поскольку в покоящейся мембране открытое состояние калиевык каналов наиболее вероятно, т.е.
мембрана наиболее проницаема для ионов калия. Мембранный потенциал, однако, определяется потоками и других ионов. Легкос1ь, с которой незаряженные частицы могут диффунднровать через мембрану, количественно представлена в уравнении (3). Проницаемость для заряженных частиц описывается несколько более сложным уравнением: Р= р.й Т с1. Р (6) где р-подвижносгь иона в мембране, Й вЂ” 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 проницаемостью Р„, Рн, и Рс, соответственно). При этом предполагается, что потенциал падает в мембране равномерно, так что напряженность поля постоянна.
В этом случае применяется уравнение Голд- мана, нли уравнение постоянного полл 16, 121: к.Т Рк!К 3о+ Рм,Р(а~за+ РАГС! з; Е = —.!и Р Рк~К'),.+ Рьь(Ха'1~+ Рсз~С! 3о (л Для большинства клеточных мембран Р„приблизительно в 30 раз выше, чем Р„, (см. также разд. 1.3). Относительная величина Рс, сильно варьирует; для многих мембран Р, мала по сравнению с Рк, однако для других (например, в скелетных мышцах) Р„значительно выше, чем Р„. Активный транспорт, натриевый насос.
В предыдущем разделе описаны пассивная диффузия ионов и образующийся вследствие этого мембранный потенциал при 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 Е„„(около + 60 мВ).
Благодаря диффузии внутриклегочные концентрации ионов,по крайней мере калия и натрия, должнъ| 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 — это работа Ха/К-насоса, существующего практически во всех клетках; насос выкачивает ионы натрия нз 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 гюддержанием других активных транспортных механизмов и ре~улирования объема клетки (см. ниже). Поэтому неудивительно, что более! /3 энергии, потребляемой клеткой, расходуется на )ча/К-насос, а в некоторых наиболее активных клетках на его работу расходуется до 709о энергии 11, 113.
Иа/К-транспортный белок представляет собой АТФазу. На внутренней поверхности мембраны оиа расщепляет АТФ на АДФ и фосфат (рис. 1.6). На транспортировку трех ионов натрия из клетки и одновременно двух ионов калия в клетку используется энергия одной молекулы АТФ, т.е. суммарно за один цикл из клетки удаляется один положительный заряд. Таким образом, Ха/К-насос является злеитрогеииым (создает электрический тек через мембрану), что приводит к увеличению электроотрицательносги мембранного потенциала приблизительно на 10 мВ.
Транспортный белок выполняет эту операцию с высокой скоростью: от !50 до 600 ионов натрия в секунду. Аминокислотная последовательность транспортного белка известна, однако еще не ясен механизм этого сложного обменного транспорта. Данный процесс описывают с использованием энергетических профилей переноса белками ионов натрия или калия (рис. 1.5,6). По характеру изменения этих профилей, связанных с постоянными изменениями конформации транспортного белка (процесс, требующий затраты энергии), можно судить о сгехиометрии обмена: два иона калия обмениваются на три иона натрия.
Ха/К-насос, как и изолированная Иа'/К+-зависимая мембранная АТФаза, специфически ингибируется сердечным гликозидом уабаином (строфантином). Поскольку работа )ча/К-насоса представляет собой многоступенчатую химическую реакцию, она, подобно всем химическим реакциям. в значительной степени зависит от температуры, что проде- ГЛАВА !. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОЙ ФИЗИОЛОГИИ '1 (Е) / Наотмяая 100 С 50 ЗО 20 10 Я 5 Я юо зо 20 1О Рис. 1.6.
Схема На1К-насоса АТФаэы (погруженной в липидный бислой лпазматической мембраны), которая эа один цикл выносит из клетки три иона На' против градиентов потенциала и концентрации и приносит в клетку два иона К'. В ходе этого процесса одна молекула АТФ расщепляется на АДФ и фосфат. На схеме АТФаза показана как димвр, состоящий из большой (функциональной) и малой субъединигс в мембране она существует как тетрамер, образованный двумя большими и двумя малыми субъединицами монстрировано на рис. 1.7. Здесь поток ионов натрия из мышечных клеток показан относительно времени; практически зто эквивалентно потоку ионов натрия, опосредованному работой )ч(а7К-насоса, потому что пассивный поток ионов натрия против градиентов концентрации и потенциала крайне мал.
Если препарат охладить примерно на 18 'С, то поток ионов натрия нз клетки быстро уменьшится в 15 раз, а сразу после нагревания восстановится до исходного уровня. Такое уменьшение потока ионов натрия из клетки в несколько раз больше, чем то, которое бы соответствовало температурной зависимости процесса диффузии или простой химической реакции. Сходный эффект наблюдается, когда запас метаболической энергии истощается в результате отравления динитрофенолом (ДНФ) (рис. !.7, Б).
Следовательно. поток ионов натрия из клетки обеспечивается энергозависимой реакцией — активным насосом. Другой характеристикой насоса наряду со значительной температурной н энергетической зависимостью является наличие уровня насыщения (как и у всех других химических реакпий); зто означает, что скорость работы насоса не может возрастать бесконечно при повышении концентрации транспортируемых ионов (рис.
1.8). В отличие от этого поток пассивно днффундирующеп1 вещества растет пропорционально разности концентраций в соответствии с законом диффузии (уравнения 1 и 2). 50 100 150 200 250 аммк мяя 0 50 100 150 200 250 Рис. 1.7. Д, Б. Активный транспорт На'. Ось ординат: поток радиоактивного 1~На ' иэ клетки (имл. мин '). Ось абсцисс: время с начала эксперимента 4. Клетка охлаждена с 18,3' до О,б С, поток !Ча' из клетки в этот период заторможен. Б. Подавление потока На' из клетки динитрофвнолом (Г2нФ) в концентрации 0,2 ммоль л ' (по (13] с иэмвнвниями) Помимо Ха1К-насоса плазматнческая мембрана содержит по крайней мере еще олин насос-казьиигвырх зто насос откачивает ионы кальция (Са") из клетки и участвует в поддержании их внутриклеточной концентрации на крайне низком уровне (табл.
1.1). Кальциевый насос присутствует с очень высокой плотностью в сарьоцлазматическом ретнкулуме мышечных клеток, которые накапливают ионы кальция в результате расщепления молекул АТФ (см. Гл. 4). Воздействие (ч(а'К-насоса ва мембранньй потевпивл и объем клетки. На рис. 1.9 показаны различные компоненты мембранного тока и приведены внутриклеточные концентрации ионов, которые обе- !б ЧДСтЬ Ь ОВЫ!ДЯ ЧаИЗИОЛОГИЯ Кдйтнп ф й н Кенеентеаннн Чаенеаеяянруееаеа ааененулн Риа.1,8. Соотношение мшкду скоростью транспорта молекул и их концентрацией (а месте входа а канал или в месте салзмванил насоса) при диффузии через канал или при насосном транспорте.
Последний лри высоких хонцантаацилх насьнцаетсл (максимальная скорость. » ); значение ло аси абсцисс, соответствующее половине максимальной скорости насоса (» Я), яиляетсл равновесной концентрацией К„ рте+ 1 еез и»еле и т К+ Зле+ а ям -90 ив ЕК--ит а Ети ееа еи лс! =-ю "в Рис. 1.9. Схема, показывающая концентрации Иа', К+ и С! внутри и вне клетки и пути проникновения атих ионов через клеточную мембрану (через специфические ионные канали или с помощью й!а/К-насоса.
При данных концентрационных градиентах равновесные потенциалы Е„„Е„и Е, равны указанным, мембранный пошнциал Е„= -90 мВ сыечнвают вх существование. Через калиевые каналы наблюдается выходящий ток ионов калия, так как мембранный потенциал несколько более злектроположителеы, чем равновесный потенциал для ионов калии.
Общая проводимость натриевых каналов намного шока, чем калиевых, т.е. натрневые каналы открьпы намного реже, чем калиевые при потенциале покоя; однако в клетку входит примерно столько же ионов натрия, сколько выходит из нее ионов калия, потому что для диффузии ионов натрия в клетку необходимы большие градиенты концентрации и потенциала. Иа/К-насос обеспечивает идеальную компенсацию' пассивных диффузионных токов, так как переносит ноны натрия из клетка, а ионы калия — в ыее. Такым образом, насос является злектрогеиным за счет разшщы в числе перенесеныых в клетку и ыз клетки зарипов„что при нормальной скорости его работы создает мембранный ыотеыдиал, примерно па Ю мВ более электроотрнпательный, чем если бы он образовывался только за счет пассивных потоков ионов (см.
уравнение 7). В результате мембранный патеыпиал приближается к калиевому равновесному потенциалу, что уменьшает утечку ионов калия. Активность !т!а/К-насоса регулируется выутрнклеточыой концентрацией ионов натрия. Скорость работы пасоса замедляется при снижении концентрации ионов натрия, подлежашик вьпюду из клетки (рнс. 1.8), так что работа насоса и поток ионов натрия внутрь клетки уравновешивают друг друга, поддерживая внутрпклеточпую концентрацию ионов натрия на уровне примерно Ю ммоль л Чтобы лодаеркивать раянаяесие мепду насосными и пассивными мембранными таками, необходима намного больше молекул !Ча/К-пасоса, чем завальных белков для ионов калия и ветрил.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
