Меню

Трансмембранные ионные токи это

Трансмембранные ионные токи это

Потенциал действия. Потенциал действия (ПД), или потенциал возбуждения нервных клеток (волокон), возникает в ответ на достаточное по силе раздражение. ПД — очень быстрый, кратковременный электрический процесс, поэтому для его регистрации необходим катодный осциллограф с широкополосным усилителем.

Классическое исследование параметров и механизма ПД проделано на гигантском аксоне кальмара с внутриклеточным раздражением и отведением внутриклеточного потенциала (рис. 1.16). В это нервное волокно (диаметром 0,5—1 мм) вводили на всю его длину два тончайших проволочных электрода. Один из них был раздражающим: через него в волокно подавали толчки тока того или иного направления, другой регистрировал электрический потенциал. При подаче короткого и слабого толчка выходящего тока (его направление определяют для положительных зарядов) внутриклеточный электрод регистрировал кратковременное падение МП, по форме и силе соответствующее толчку тока, но со сглаженными передний и задним фронтами, что определяется емкостью мембраны. Это так называемый электротонический потенциал (ЭП).

При подаче несколько более сильного толчка выходящего тока возникает эффект подпорогового раздражения: к электротоническому потенциалу присоединяется дополнительная деполяризация, называемая подпороговым, или локальным, ответом (ЛО).

Рис. 1.16 Основные электрофизиологические феномены в нервном волокне

Аэт — анаэлектротон, КУД — критический уровень деполяризации, Кэт — катэлектротон, ЛО — локальный (подпороговый активный) ответ, МПП — мембранный потенциал покоя, ПД — потенциал действия, СП (отр и пол) — следовые потенциалы отрицательный и положительный (временные соотношения пика ПД и СП не выдержаны; отрицательный СП и особенно положительный СП значительно длительнее).

Локальным он называется потому, что и в экспериментальных, и в естественных уровнях этот потенциал не распространяется далеко. При усилении стимула и достижении порога раздражения, т. е. критического уровня деполяризации (КУД), возникает потенциал действия (рис. 1.16). При толчке входящего тока любой величины образуется только электротонический потенциал.

В потенциале действия различают пик (спайк) и следовые потенциалы.

Пик ПД представляет собой кратковременную инверсию внутриклеточного потенциала. Он имеет очень быструю восходящую фазу и несколько более медленный спад. Общая длительность пика в данном объекте составляет около 3 мс; амплитуда пика 110 мВ, т. е. превышает МПП (70 мВ) на 40 мВ. Эту разницу называют овершутом (от англ. overshoot — перелет). Вслед за пиком ПД регистрируются значительно более слабые и длительные отрицательный и далее положительный следовой потенциалы.

Потенциал действия имеет стандартные амплитуду и временнаые параметры, не зависящие от силы. стимула, вызвавшего данный ПД (правило «все или ничего»).

При раздражении гигантского аксона выходящим током через проволочный электрод, введенный на всю длину волокна, все точки этого нервного проводника раздражаются практически равномерно, так что в них одновременно возникает и развивается ПД. Такой ПД, по существу, не распространяется и называется мембранным. В естественных условиях ПД возникает локально, а затем распространяется (проводится) вдоль волокна. Это распространяющийся ПД. Мембранный ПД более удобен для анализа. (В миелинизированных волокнах мембранный ПД получают при работе на изолированном одиночном перехвате Ранвье.)

Потенциал действия — это электрический феномен, возникающий на плазматической мембране. Практически нормальный ПД возникает и в перфузируемом гигантском аксоне, лишенном аксоплазмы, при электрической стимуляции его мембраны.

Механизм потенциала действия. Причиной развития ПД является вызываемое критической деполяризацией мембраны открытие ее натриевых и калиевых каналов. Каналы, открываемые электрическим стимулом, называют потенциалозависимыми.

Открытие потенциалозависимых каналов приводит к пассивному движению соответствующих ионов по их электрохимическим градиентам.

Вход ионов Na + в волокно обеспечивает восходящую фазу пика ПД, т. е. деполяризацию и инверсию потенциала на мембране, а несколько запаздывающий выход ионов K + участвует в создании нисходящей фазы пика — реполяризации.

При развитии пика ПД отношение Р K : Р : pci становится 1 : 20 : 0,45 (в покое оно составляет 1 : 0,04 : 0,45). Связь развития пика ПД с током Na + доказывается прямой зависимостью амплитуды ПД от электрохимического градиента Na + на мембране и достоверным переходом меченого 24 Na из среды в волокно при его возбуждении, причем в количестве, пропорциональном числу ПД. Связь нисходящей фазы ПД с током К + доказывается зависимостью хода этой фазы от электрохимического градиента К + на мембране.

Подробный анализ изменений мембранной проницаемости для ионов Na + и К+ основанный на измерениях токов этих ионов, стал возможным благодаря использованию методики фиксации (кламп) (от англ. clump — связка, комок) электрического потенциала мембраны. В обычных условиях мембранные токи (при данных концентрационных градиентах) зависят и от ионной проницаемости (Р,K), и от мембранного потенциала (МП). Мембранные токи могут точно характеризовать изменения Р, к только при постоянном МП.

Для фиксации мембранного потенциала мембрана гигантского волокна (или какой—либо иной клетки) с помощью внутриклеточного и наружного электродов соединяется со специальной электронной схемой (рис. 1.17). Основной частью этой схемы является дифференциальный усилитель, сравнивающий МП с задаваемым от постороннего источника потенциалом Е. Ток I на выходе усилителя определяется по направлению и значению разностью (Е — МП), подаваемой на вход усилителя. Этот ток протекает через мембрану и создает на ней дополнительный скачок потенциала, который уменьшает абсолютную величину разности (Е — МП). При большом коэффициенте усиления дифференциального усилителя и малой величине R в цепи, подводящей ток, компенсирующий скачок потенциала на мембране может быть весьма приближен по величине к (Е — МП), так что в итоге МП может стать приблизительно равным Е.

В этой ситуации при достаточном быстродействии системы (при ее постоянной времени τ

Если фиксированный МП равен потенциалу покоя, то трансмембранного тока практически нет. Если МП скачкообразно повышают, то возникает только направленный внутрь очень краткий ток дозарядки мембранной емкости и за ним постоянный ток утечки. Но если МП скачком снижают, то вслед за током разряда мембранной емкости на фоне тока утечки, направленного наружу, дополнительно возникает краткий, быстрый ток внутрь и за ним более длительный медленный ток наружу. Последние два тока — это ионные токи, текущие через натриевые и калиевые каналы, которые открываются с помощью деполяризации.

При устранении натриевого градиента на мембране путем замены части Nа + на холин или доведения МП до величины Е = ЕNa картина преобразуется:

исчезает быстрый, направленный внутрь ток и выявляется в неосложненном виде медленный ток, направленный наружу. Того же можно добиться специфической блокадой натриевых каналов, применив тетродотоксин (ТТХ).

Таким образом, быстрый направленный внутрь токэто натриевый ток. Картина его развития может быть получена путем геометрического

Рис. 1.17 Методика фиксации мембранного потенциала (МП) и регистрации трансмембранных токов ( I м)

Ус — усилитель, реагирующий выходным током на разность между задаваемым «извне» потенциалом Е и МП. В силу конструкции системы ток I этого усилителя, проходя через сопротивление мембраны (Rм) изменяет МП так, что достигается равенство между МП и Е. При достаточном коэффициенте усиления усилителя и быстродействии системы МП практически фиксируется на уровне Е. При снижении Е и вслед за ним МП до КУД или более в мембране нервного волокна (кальмара) открываются потенциалозависимые натриевые и калиевые каналы, что порождает трансмембранные токи, которые и регистрируются на фоне поддерживаемого сниженного МП.

вычитания медленного ионного тока из суммарного (см. рис. 1.17). Натриевый ток пропорционален натриевому электрохимическому градиенту и натриевой проницаемости ( PNa ). Медленный (задержанный) ионный ток — это калиевый ток. Его значение пропорционально калиевому электрохимическому градиенту и рк. Установлено, что этот ток устраняется блокадой калиевых каналов тетраэтиламмонием (ТЭА), прилагаемым снаружи.

Быстрый входящий ina и медленный выходящий IK возникают практически одновременно, но INa быстрее развивается, достигая своего «потолка». Если МП возвращается к величине, характерной для покоя, то INa исчезает примерно в 10 раз быстрее, чем IK т. е. в массе натриевые каналы мембраны и активируются (деполяризацией), и деактивируются (реполяризацией) быстрее, чем калиевые.

Активация, деактивация и инактивация ионных каналов. Активация каналов определяется открытием их активационных ворот (соответствующим изменением конформации неких макромолекул), а деактивация — закрытием этих же ворот.

Возвращаясь к картине развития INa и IK длительной деполяризации (см. рис. 1.17) в условиях клампа, необходимо обратить внимание на то, что INa уже через 5 мс исчезает, несмотря на деполяризованное состояние мембраны ( Ik при этом сохраняется).

Этот феномен называют инактивацией натриевых каналов. Его связывают с закрытием специальных инактивационных ворот в натриевых каналах. То, что здесь действительно существует специальный макромолекулярный механизм, доказано избирательным нарушением инактивации PNa под влиянием фермента проназы. Схема срабатывания активационных ворот натриевых каналов, а также их инактивационных ворот при разных МП приведена на рис. 1.18.

Читайте также:  Способы освобождения пораженного от воздействия электрического тока меры личной безопасности реферат

Инактивация натриевых каналов, т. е. закрытие их инактивационных ворот, развивается вследствие деполяризации, как и активация, но позже, что

Рис. 1.18 Работа ворот потенциалозависимых натриевых каналов мембраны

А — зависимость процента открытых h — и т— ворот от мембранного потенциала (МП); Б — положение т— и h —ворот при покое ( J ), развитии пика ПД (II) и рефрактерности (III): т — активационные ворота, h — инактивациониые ворота, φ — потенциал, при котором открыты м—ворота у 50% каналов.

и делает возможным развитие INa ( a значит, и ПД в естественных условиях). Инактивация РNa — очень важный механизм, который способствует прекращению пика ПД, развитию временной невозбудимости — рефрактерности. Инактивация Na—каналов устраняется после реполяризации мембраны.

Ионные токи при развитии потенциала действия. Ионные токи формируют фазы пика ПД. Эти токи в общем сходны с токами, получаемыми при критической деполяризации в методике клампа, но развиваются и прекращаются они гораздо быстрее.

В процессе развития ПД действуют многие факторы, связанные прямыми и обратными связями. Например, на восходящей фазе ПД действует система факторов с положительной обратной связью (отмечена знаком «+»).

Здесь деполяризация увеличивает Р, а последняя порождает INa , усиливающий деполяризацию (пока и поскольку INa больше Ik + Iy ). В силу этих отношений INa и восходящая фаза ПД развиваются с ускорением, а амплитуда ПД быстро достигает некоторого максимума, более или менее приближенного к Е Na .

На спаде ПД при реполяризации для INa действует та же система факторов, но с обратными знаками эффектов, а для калиевого тока — система факторов с отрицательной обратной связью (отмечена знаком «—»). В итоге спад IK несколько затягивается.

Если скрупулезно учесть все эти факторы и их взаимодействие, то можно из значения токов, получаемых при фиксации мембранного потенциала на разных уровнях, рассчитать форму нормального ПД. Показано совпадение расчетных параметров ПД и показателей ПД, регистрируемых в опыте.

Взаимодействие некоторых из этих факторов можно наглядно представить эквивалентной схемой (см. рис. 1.8, В).

Отрицательный следовой потенциал связан с остаточным INa и с накоплением К + в межклеточных щелях; положительный следовой потенциал — с остаточным IK но главным образом с электрогенной работой натрий—калиевого насоса мембраны, активизируемого накоплением Na + под мембраной (из—за INa ПД), а К + — в межклеточных щелях. В некоторых нервных клетках сразу вслед за пиком развивается довольно значительный краткий положительный следовой потенциал. Его называют андершут (от англ. undershoot — недолет), он создается остаточным IK.

Расход ионов на пик одного проводящегося ПД в гигантском аксоне кальмара очень мал. Например, расход внутриаксонального К + при этом приблизительно равен одной миллионной доле внутреннего калиевого запаса.

Пик ПД — весьма экономичный сигнал, практически не нарушающий ионных градиентов на мембране, энергией которых он питается.

Ионные градиенты на мембране — это «пружина», энергии которой может хватить на 5—10 5 ПД без подзарядки. Но для длительной работы волокна ионные градиенты нужно восстанавливать, что и обеспечивает работа натрий—калиевого насоса мембраны.

Рассмотрим подпороговый локальный ответ (ЛО) в нервном волокне. Этот ответ обладает в основном тем же механизмом, что и ПД. Его восходящая фаза определяется входящим INa , а нисходящая — выходящим IK. Однако амплитуда ЛО (и его натриевый ток) пропорциональна силе подпорогового раздражения, а не стандартна, как у ПД, т. е. не подчиняется правилу «все или ничего».

Особенности потенциалов действия в соме нейрона. Необходимо остановиться на некоторых особенностях потенциалов действия в телах нейронов, подробно исследованных у моллюсков. Тела гигантских нейронов брюхоногих моллюсков — крупные образования, не имеющие на себе синапсов (синапсы у них находятся на так называемом центральном отростке). Большие размеры и однородность поверхности этих нейронов позволяют подробно исследовать электрические явления на их мембране. На препарате соматической мембраны при электрическом раздражении могут быть получены полноценные ПД. Удалось осуществить фиксацию потенциала такой мембраны, изучить трансмембранные токи при ее активации.

Мембранный потенциал покоя сомы невелик (—40, —50 мВ); потенциал действия имеет овершут и достигает 100 мВ и более, по форме он схож и аксонным. Однако ионные механизмы ПД мембраны сомы нейрона моллюска имеют существенные отличия от известных механизмов для нервных волокон. Главное отличие состоит в том, что ПД здесь генерируется не только за счет входящего INa (как в аксоне), но и за счет входящего ICa.

В соматической мембране нейронов находятся специальные кальциевые каналы, открываемые деполяризацией.

Ток ионов Са 2+ через них осуществляется по электрохимическому градиенту. Эти каналы не блокируются ТТХ, но инактивируются кобальтом, верапамилом и препаратом D —600.

Кальциевый ток развивается медленнее натриевого и гораздо медленнее инактивируется (много секунд!). Значение этого тока даже при сохранении высокого концентрационного градиента Са 2+ чрезвычайно зависит от внутренней концентрации Са 2+ . Этот ток полностью подавляется (инактивируется), если (Са 2+ )вн =5,8 •10 —8 моль/л. При (Са 2+ )вн = 5,8 • 10 —9 моль/л открываемая деполяризацией кальциевая проводимость максимальна. При обычных для среды значениях (Са 2+ )нар в этих условиях ЕCa приблизительно равен +130 или даже + 200 мВ.

Особенности ионных каналов соматической мембраны, вероятно, имеют значение не только для электрогенеза. Можно думать, что они существенны и для обеспечения интенсивно протекающих в соме метаболических реакций, чувствительных к (Са 2+ )вн.

Шумы ионных каналов. Каждый из ионных каналов мембраны, обладающих воротными механизмами, даже при постоянстве МП и химического состава среды не находится постоянно в однотипном положении: он то открывается, то закрывается. Эти переходы от закрытого состояния к открытому и обратно осуществляются по закону случая.

Хаотическое открытие и закрытие каналов, порождающее перемещение ионов, создает электрический шум. Для потенциалозависимых каналов соответствующее электрическое поле является фактором, резко увеличивающим вероятность их открытого состояния, что и создает эффект увеличения ионной проницаемости.

При исследовании динамики каналов определенного вида изучают электрический шум, создаваемый этими каналами в некотором небольшом участке мембраны в условиях фиксации МП и химической блокады прочих каналов. Например, в мембране гигантского аксона кальмара таким способом изучили шумы раздельно натриевых и калиевых каналов. Анализ этих шумов позволил рассчитать плотность расположения каналов в мембране и проводимость одиночного канала. Так, в гигантском аксоне кальмара плотность натриевых каналов оказалась равной 300 на 1 мкм 2 , средняя электрическая проводимость—

Рис. 1.19 Методика фиксации

потенциала в малом «лоскуте» мембраны (пэч—кламп) (от англ. patch — лоскут, клочок) Исследуемый участок мембраны ограничен краями кончика прилипшей к мембране микропипетки (микроэлектрода). Клетка(обозначена пунктиром) при этом может быть удалена (А). Если в исследуемом участке мембраны на короткое время открывается один натриевый канал, то его ток имеет относительно простую прямоугольную форму (Б).

4 пСм (пСм (р8) — пикосименс; сименс — величина, обратная ому). В перехвате Ранвье амфибий плотность натриевых каналов 2000 на 1 мкм 2 , а средняя проводимость канала равна 8 пСм.

При фиксации потенциала в изолированном очень малом участке мембраны удается регистрировать и токи одного канала (рис. 1.19). Так были обнаружены, например, токи одиночного натриевого канала и токи одиночного кальциевого канала. Эти токи имеют прямоугольную форму. Типичная плавная форма ПД является результатом неодновременного открытия и закрытия массы каналов.

Источник

Задача: исследование трансмембранных ионных токов

Живые клетки покрыты мембраной, структурную основу которой составляет двойной слой липидов, слабо проницаемый для воды и практически непроницаемый для ионов. Каждая клетка должна обмениваться с внешней средой различными веществами и в частности ионами. Перенос ионов через мембрану играет важную роль в процессах возбуждения клетки и передачи сигналов. Ионы проникают в клетку и выходят из нее через встроенные в мембрану белковые структуры — каналы и транспортеры.

Транспортеры — это мембранные белки, которые соединяются с переносимым веществом по одну сторону мембраны, переносят это вещество через мембрану и затем его освобождают. Такой перенос становится возможным потому, что в результате соединения с веществом транспортер меняет конформацию (т.е. форму, ориентацию). Бытовой аналогией транспортера является лифт, который «присоединяет» к себе людей, переносит их на другой этаж и «освобождает». Важнейший транспортер в клетках эукариот — это натрий-калиевый насос. Для работы этого насоса требуется энергия, которую он черпает из запасенной в клетке АТФ. За один цикл своей работы насос выводит из клетки 3 иона Na + и вводит в нее 2 иона K + . Одна молекула этого транспортера совершает примерно 10 3 циклов в секунду. Сходная частота циклов характерна и для других видов транспортеров.

Читайте также:  Простейшие схемы выпрямителей переменного тока

Каналы — это белки, которые выполняют функцию мембранных пор, так как формируют отверстия, сквозь которые могут проходить ионы. Мембранные каналыселективны — проницаемы только для определенных веществ. Селективность обусловлена радиусом пор и распределением заряженных функциональных групп в них. Существуют каналы, селективно пропускающие ионы натрия (натриевые каналы) и ионы калия (калиевые каналы), а также хлоридные каналы. Для каждого вида ионов существует не один, а довольно много видов каналов. Сквозь один канал за секунду проходит 10 6 — 10 7 ионов.

Несмотря на фундаментальные различия в механизме транспорта через каналы и транспортеры, они могут быть образованы высоко гомологичными белками. Так, недавно получены данные, что мутация единственной аминокислоты в белке транспортера двухвалентных металлов DMT1 приводит к его превращению в кальциевый канал . Кроме того, существует по крайней мере один транспортер (хлорид-бикарбонатный обменник эритроцитов), осуществляющий 10 5 переносов в секунду, что очень близко к скоростям, характерным для каналов, и заставляет предположить существование у него некоего «промежуточного» между каналами и транспортерами механизма.

Так как ионы — это электрически заряженные молекулы, при их переходе через мембранные каналы переносится и заряд, а значит, через мембрану течет электрический ток. Этот ток можно измерить. Чем больше разность потенциалов между сторонами мембраны, тем больше ток. Проводимость (отношение тока к разности потенциалов) одиночного канала в открытом состоянии варьируется в зависимости от вида канала, от 1-2 до 30-50 пикосименсов. Это значит, что при разности потенциалов равном 100 мВ через канал потечет ток в несколько пикоампер.

Решение: история вопроса.

Один внутриклеточный электрод. Измерение разности потенциалов.

Первоначально электрические явления на клеточных мембранах измеряли с помощью острых стеклянных микроэлектродов, вводившихся в клетку. Техника с одним внутриклеточным электродом позволяет измерять разность потенциалов или ток, но не даёт возможности фиксировать их на определенном уровне, так что во время исследования одновременно меняются оба параметра. Кроме того, классические острые микроэлектроды дают возможность измерения исключительно на целой клетке, которая имеет, как правило, различные типы белков и транспортеров. Все это, вместе взятое, сильно затрудняет интерпретацию данных, полученных таким методом.

Двухэлектродная фиксация потенциала.

Тот факт, что фиксация трансмембранного потенциала позволит измерять мембранную проводимость по изменениям тока при постоянном напряжении, был впервые осознан еще в 30-х гг. XX века, и тогда же английские исследователи Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли (Alan Hodgkin and Andrew Huxley) начали эксперименты с двухэлектродной фиксацией потенциала (>).

Суть метода состоит в следующем. В клетку вводятся два электрода, еще один — электрод сравнения — остается вне клетки. Первый внутриклеточный электрод служит для измерения трансмембранной разности потенциалов (то есть разности потенциалов между ним и электродом сравнения), второй может подавать ток. Специальное устройство — генератор сигнала — задаеткомандный потенциал, которому должен быть равен трансмембранный потенциал. Измеренный трансмембранный потенциал подается на вход устройства сравнения, которое вычитает измеренный потенциал из командного и, в зависимости от величины разности, подает ток на токовый электрод, так, чтобы скомпенсировать эту разницу. Монитор тока, в свою очередь, постоянно измеряет величину тока, которая для этого необходима. В 1930-х и 40-х годах, когда работали Ходжкин и Хаксли, не существовало микроэлектродов, поэтому в качестве внутриклеточных электородов использовались тонкие проволоки. Это определило выбор объекта — единственной животной клеткой, в которую можно было ввести две изолированные друг от друга проволоки, был гигантский аксон кальмара. На этом объекте методом двухэлектродной фиксации потенциала исследователи выполнили эксперименты, в которых была установлена ионная природа потенциала действия и впервые постулировано существование ионных каналов(Нобелевская премия 1963 г., поделена с Дж.Экклзом, получившим ее за исследования в области синаптической передачи). Двухэлектроднная фиксация потенциала применяется и в настоящее время, с использованием острых стреклянных микроэлектродов, однако даже с ними эта методика имеет существенные ограничения: во-первых, два электрода могут быть введены только в весьма крупную клетку (например, ооцит лягушки), во-вторых, она позволяет измерять проводимость всей клеточной мембраны, со всеми, как правило разнородными, каналами в ней.

Решение: patch-clamp, его варианты и конфигурации

Гигаомный контакт

В конце семидесятых годов XX в. E.Neher и B.Sakmann обнаружили, что если стеклянной пипеткой с диаметром 1-2 микрона коснуться клеточной мембраны, то на границе «мембрана — стекло» образуется контакт с сопротивлением в несколько гигаОм — это так называемый гигаомный контакт . Он позволяет изолировать от внешней среды и от остальной части мембраны тот ее фрагмент, который находится внутри пипетки. Отграниченный пипеткой фрагмент мембраны и называется patch — «заплатка», слово clamp (фиксация) в названии метода имеет два значения: (1) захват и изоляция этой «заплатки» и (2) фиксация трансмембранного потенциала или тока в изолированном фрагменте, или, как будет описано позже, целой клетке. В пипетку, заполненную раствором электролита, помещается хлор-серебряный электрод, второй электрод размещается внеклеточно, в омывающей жидкости. Отличие электрической схемы от ранее описанной для двухэлектродной фиксации заключается в том что один и тот же электрод используется как для измерения разности потенциалов, так и для подачи тока. В основе установки, тем не менее, по-прежнему лежат усилитель мембранного потенциала, блок сравнения и монитор тока.

На фото 1 показана часть такой установки.

Огромная сфера, часть которой видна на мониторе в центре фотографии — это клетка (ооцит лягушки Xenopus laevis), находящийся в данный момент на предметном столике микроскопа, к нему подведена patch-пипетка, ее диаметр у носика — около 3 микрон. После установления гигаомного контакта она изолирует фрагмент мембраны площадью приблизительно 7 мкм 2 , и если в этом фрагменте окажутся ионные каналы, их ток можно будет записывать.

Источник



Ионные токи через мембрану

Мембранная теория возбуждения основа на представление о том, что при раздражении возбудимой клетки в её поверхностной мембране происходит молекулярная перестройка, которая приводит к изменению проницаемости мембраны и появлению трансмембранных ионных токов. Источником энергии для этих токов служит постоянно существующее неравномерное распределение основных неорганических ионов между цитоплазмой и внеклеточной средой: накопление в клетке ионов K+ и выведение из неё ионов Na+ и Cl- Основные положения М. т. в. сформулированы немецким нейрофизиологом Ю. Бернштейном Бернштейн предположил, что поверхностная мембрана возбудимой клетки в покое обладает избирательной проницаемостью: ионы K+ проходят через неё гораздо легче, чем ионы Na+ и Cl-. Т. к. концентрация K+ в клетке выше, чем во внеклеточной среде, диффузия этих ионов через мембрану создаёт на ней разность потенциалов — т. н. потенциал покоя (ПП), причём внутренняя сторона мембраны оказывается заряженной отрицательно, а внешняя — положительно. (Зависимость ПП от ионов K+ подтверждается пропорциональным снижением его величины при увеличении содержания K+ во внеклеточной среде.) Чтобы объяснить, каким образом клетка поддерживает постоянный ионный состав и отрицательный внутренний потенциал, выводя ионы Na+ наружу, было выдвинуто предположение о возможности переноса ионов через мембрану не только под влиянием электрических сил и диффузии («пассивный» транспорт), но и посредством «активного» транспортного механизма — «натриевого насоса». В результате работы этого насоса, способного выталкивать Na+ против концентрационного и электрического градиентов, на каждый ион Na+, выбрасываемый через мембрану, клетка принимает один ион K + .

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник

Трансмембранные потоки ионов

Пассивное движение ионов через мембраны (без участия активных транспортных систем) происходит при наличии движущей силы – градиента электрохимического потенциала. Согласно основному уравнению электродиффузионной теории, ионный поток пропорционален движущей силе: , где c – концентрация иона в данной области, u – подвижность иона в данной среде, а – градиент электрохимического потенциала для данного вида ионов. Трансмембранный градиент электрохимического потенциала для ионов j представляют в виде:

где φ = φ2 – φ1 – мембранный потенциал, а – равновесный потенциал для данного вида ионов. Выражение характеризует движущую силу транспорта. Поток ионов J создает электрический ток I: . Коэффициент пропорциональности между величиной тока и действующей силой представляет собой проводимость g:

В случае идентичного состава растворов с обеих сторон мембраны, проводимость для иона j равна:

где Рj – проницаемость мембраны для данного вида ионов, с – концентрация ионов, а φ – мембранный потенциал. Формула (4.20) описывает зависимость проводимости от концентрации проникающего электролита и проницаемости мембраны. Она не применима для описания изменений проводимости, связанных с переходами каналов между открытым и закрытым состояниями.

Для описания изменений проводимости потенциал-зависимых ионных каналов удобна кинетическая модель с двумя состояниями (закрытым и открытым), переходы между которыми зависят от мембранного потенциала с константами a и b , .

Читайте также:  Виа преобразователь переменного тока в постоянный

В данной модели зависимость числа открытых состояний No от потенциала описывается сигмоидной (больцмановской) кривой

где N – общее число каналов, Ko = bo/ao – константа равновесия для переходов между двумя состояниями каналов при отсутствии мембранного потенциала, а ψ=φF/(RT) – мембранный потенциал в единицах RT/F (≈ 25 мВ при 20˚С).

Величина тока в системе потенциал-зависимых каналов определяется произведением общего числа каналов N, вероятности открытого состояния p=No/N, а также тока через одиночный канал i: , где i = g(φ – φo) – ток одиночного канала. Из уравнений (4.19, 4.21) видно, что изменения мембранного потенциала оказывают влияние как на движущую силу, так и на проводимость каналов. Поэтому, зависимость тока от напряжения на мембране в системе управляемых потенциалом каналов проявляет существенную нелинейность и может включать участок отрицательного наклона.

Участок с отрицательным наклоном характерен для возбудимых мембран. Такая вольт-амперная характеристика (ВАХ) появляется при условии, что область изменений проводимости g(φ), определяемая уравнением (4.21), сдвинута в сторону более отрицательных потенциалов по сравнению с равновесным потенциалом φo для данного вида ионов. Поэтому ВАХ для тока натриевых каналов (φo

+50 мВ) включает участок отрицательного сопротивления, а ВАХ для тока калиевых каналов в обычных условиях (φo –50 мВ, а наружная и внутренняя концентрации Nа + составляют соответственно 145 и 12 мМ. Температура 37°С.

Решение: В области –100 до –50 мВ канал закрыт, ток равен нулю. В области от –50 до 100 мВ зависимость линейна i = g(φ – φo), где φo=(RT/F)·ln(co/ci)= 66,5 мВ. Положительные значения тока при φ > φo соответствуют выходящему направлению (из клетки в среду), а отрицательные токи при φ + -тока составит i ≈ 5·10 –12 См·(–0,067 В) ≈ -0,33 пА. При потенциале открывания канала φ = –50 мВ, i ≈ 5·10 –12 ·(–0,05–0,067) ≈ -0,585 пА.

Суммарный ток, протекающий через мембраны, включает емкостную составляющую и ионный ток, состоящий из токов отдельных видов ионов: , где Il – ток утечки, для которого характерна линейная зависимость от напряжения на мембране. В физиологических условиях суммарный ток не выводится во внешнюю измерительную цепь и (при разомкнутой внешней цепи) равен нулю. В этих условиях ионный ток равен по абсолютной величине емкостному току.

Из (4.22) видно, что перенос ионов через мембрану вызывает изменение потенциала на мембране, представляющей диэлектрический слой (конденсатор) с емкостью Сm. В случае переноса определенного количества зарядов ΔQ (ΔQ =I·dt) изменение напряжения Δφ составит:

Эта формула позволяет оценить мембранный потенциал, создаваемый при переносе известного количества зарядов, или же оценить минимально необходимый ионный поток сдвигающий напряжение на мембране в период потенциала действия. По данным о количестве перенесенных зарядов можно оценить изменения ионных концентраций.

Пример 4.8. Найти минимальное количество n молей Сa 2+ , которое необходимо перенести через поверхность мембраны нейрона (в расчете на 1 см 2 ) для генерации потенциала действия с амплитудой 100 мВ. Емкость мембраны Сm = 1 мкФ/см 2 . Насколько изменится внутриклеточная [Сa 2+ ] при переносе найденного количества Са 2+ во время потенциала действия в нейроне диаметром 50 мкм? При расчете допустить, что клетка – сферическая, а внутриклеточный уровень [Са 2+ ] в покое составляет 100 нМ.

Решение: Найдем заряд, который необходимо перенести через мембрану, чтобы сдвинуть потенциал на 100 мВ: Кл/см 2 . Пересчитаем количество перенесенных зарядов на соответствующее количество молей вещества (z = 2) моль/см 2 . Изменение концентрации внутри клетки при переносе внутрь количества Са 2+ , равного n, составит , где (см пример 4.1): М. Расчет показывает, что поток Са 2+ во время потенциала действия вызывает многократное повышение исходного уровня Са 2+ .

Как видно из (4.22), емкость мембраны определяет скорость изменения мембранного потенциала за счет движения ионов по градиенту электрохимического потенциала. При подключении заряженного конденсатора C к резистору R в аналоговой модели мембраны, напряжение на конденсаторе снижается экспоненциально с постоянной времени τ = RC:

Поскольку удельная емкость биологических мембран Сm не претерпевает существенных изменений и составляет по разным оценкам от 0,5 до 1,0 мкФ/см 2 , анализ кинетики релаксации мембранного потенциала хлоропластов после короткой заряжающей мембрану вспышки света позволяют оценить проводимость тилакоидных мембран в различных условиях (на свету и в темноте, при действии мембрано-активных агентов, при разных концентрациях ионов в среде):

Размерность правой части (4.25) – сименс: [Ф/с] = [Кл/(В с)] = [А/В] = [Ом –1 ] = [См]. Во многих случаях размерности g и C отнесены к единице площади мембраны [Ф/см 2 ] и [См/см 2 ]. Сочетание (4.20) и (4.25) позволяет иногда оценивать проницаемость мембран по измерениям τ.

Пример 4.9. В приближении постоянного поля оценить удельные значения проводимости и сопротивления тилакоидной мембраны хлоропласта, окруженной растворами с одинаковым содержанием KCl (0,1 М), при условии, что основной вклад в проводимость связан с высокой проницаемостью мембран для К + (РК = 4·10 — 8 см/с). Какова постоянная времени мембраны t, если удельная емкость мембраны составляет 1 мкФ/см 2 ?

Решение: Проводимость мембраны оценивают по формуле (4.20), а емкость – по (4.25):

Пример 4.10. При измерениях кинетики спада индуцируемого вспышкой мембранного потенциала Δφ в тилакоидах хлоропластов найдено, что постоянная времени τ экспоненциальной кривой составляет после темновой адаптации хлоропластов 100 мс, а после предварительного освещения – 50 мс. В присутствии ингибитора Н + -АТФазы предварительное освещение хлоропластов не вызывало ускорения спада Δφ. Исходя из допущения, что снижение τ после предварительного освещения обусловлено активацией проводимости сопрягающего фактора CF1-CF, оценить проводимость одиночного канала Н + -АТФазы и стационарный поток Н + через одиночный канал при ΔрН

3,3. Плотность расположения Н + -АТФаз в мембране тилакоидов составляет 0,2∙10 –13 моль/см 2 .

Решение: Приращение проводимости, связанное по условию задачи с подключением на свету каналов Н + -АТФазы, составит:

Проводимость одиночного канала Н + -АТФазы находим с учетом плотности расположения АТФаз и числа Авогадро (

Для оценки потока протонов выразим протондвижущую силу в единицах напряжения:

Ток через одиночный канал составит , а количество переносимых H + составит . При стехиометрическом соотношении H + /АТФ = 3, поток H + соответствует скорости синтеза АТФ

400 c –1 на один комплекс, что соответствует времени оборота фермента

Источник

Трансмембранные ионные токи это

Проводимость мембраны. Ионные токи во время потенциала действия.

Во время потенциала действия происходит кратковременное изменение проницаемости мембраны для ионов, определяющих величину потенциала покоя. Когда речь идет об электрических свойствах мембраны, удобной мерой проницаемости мембраны для иона служит проводимость мембраны g(ion). Проводимость определяется отношением тока I(ion) к движущему потенциалу. При равновесном потенциале для рассматриваемого иона, E(ion) , движущий потенциал и суммарный ток равны нулю; следовательно, E(ion) является референтным потенциалом, и отклонение мембранного потенциала Е от E(ion) составляет ту разность потенциалов, которая создает ток I(ion) Следовательно, проводимость g(ion) описывается уравнением

Проводимость мембраны. Ионные токи во время потенциала действия.

Теперь мы можем продолжить описание ионных токов во время потенциала действия, пользуясь только что введенным понятием проводимости для индивидуальных ионов.

Ионные токи во время потенциала действия.

Потенциал действия. Временной ход потенциала действия. Реполяризация.Рис. 2.5. Временной ход потенциала действия в нейроне; показаны последовательные фазы потенциала действия, описанные в тексте

Потенциал покоя, как было показано в предыдущем разделе, очень близок к уровню равновесного потенциала для ионов калия (K), для которых мембрана в состоянии покоя наиболее проницаема. Если во время потенциала действия внутренняя среда клетки приобретает положительный заряд по отношению к внеклеточной среде, то проводимость мембраны для натрия (Na+) (gNa) должна возрастать, потому что только равновесный потенциал для натрия (Na+) имеет более положительное значение ( + 60 мВ), чем пик потенциала действия. Это заключение подтверждается экспериментальными данными, согласно которым потенциалы действия могут генерироваться только при высокой внеклеточной концентрации натрия (Na+).

При недостатке внеклеточного натрия (Na+) входящий натриевый ток не может нарастать, независимо о г того, в какой мере увеличивается gNa, и, следовательно, не может развиваться деполяризационная фаза потенциала действия. Таким образом, в основе возбуждения лежит повышение проводимости мембраны для натрия (Na+), вызываемое ее деполяризацией до порогового уровня. Однако в данном случае затрагивается также и проводимость мембраны для калия (K). Если повышение проводимости для калия (K) предотвратить некоторыми веществами, например тетраэтиламмонием, мембрана после потенциала действия реполяризуется гораздо медленнее. Это показывает, что повышение проводимости для калия (K) является важным фактором реполяризации мембраны. Итак, потенциал действия обусловлен циклическим процессом поступления натрия (Na+) в клетку и последующего выхода калия (K) из нее.

Источник