Концепції мембранного транспорту

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Потенціал дії (ПД) -- це короткочасні амплітудні зміни мембранного потенціалу спокою (МПС), що виникають при збудженні живої клітини. По суті це електричний розряд -- швидка короткочасна зміна потенціалу на невеликій ділянці мембрани збудливості клітини (нейрона або м'язового волокна), в результаті якого зовнішня поверхня цієї ділянки стає негативно зарядженою по відношенню до сусідніх ділянок мембрани, тоді як його внутрішня поверхня стає позитивно зарядженою по відношенню до сусідніх ділянок мембрани. Потенціал дії є фізичною основою нервового або м'язового імпульсу, який відіграє сигнальну (регуляторну) роль.

Потенціали дії можуть відрізнятися за своїми параметрами в залежності від типу клітини і навіть на різних ділянках мембрани однієї і тієї ж клітини. Найхарактерніший приклад відмінностей: потенціал дії серцевого м'яза і потенціал дії більшості нейронів. Усе ж, в основі будь-якого потенціалу дії лежать такі явища:

- мембрана живої клітини поляризована' -- її внутрішня поверхня заряджена негативно по відношенню до зовнішньої завдяки тому, що в розчині біля її зовнішньої поверхні знаходиться більша кількість позитивно заряджених частинок (катіонів), а біля внутрішньої поверхні -- більша кількість негативно заряджених часток (аніонів).

-мембрана має вибіркову проникність' -- її проникність для різних частинок (атомів або молекул) залежить від їх розмірів, електричного заряду і хімічних властивостей.

-мембрана збудливої клітини здатна швидко змінювати свою проникність'' для певного виду катіонів, викликається перехід позитивного заряду з зовніньої сторони на внутрішню.

Перші дві властивості характерні для всіх живих клітин. Третя ж є особливістю клітин збудливих тканин і причиною, за якою їх мембрани здатні генерувати і проводити потенціали дії.

Основною математичною моделлю, що описує генерацію та передачу потенціала дії, є модель Ходжкіна-Хакслі.

1. Мембранні потенціали і їх іонна природа

Мембранна теорія біопотенціалів була висунута ще в 1902 році Бернштейном. Але лише в 50-х роках ця теорія була по-справжньому розвинена і експериментально обгрунтована Ходжкиним, якому належать основні ідеї і теорії про роль іонних градієнтів у виникненні біопотенціалів і про механізм розподілу іонів між кліткою і середовищем.

Важливість цієї теорії полягає в тому, що потенціал спокою і потенціал дії є за своєю природою мембранними потенціалами, обумовленими напівпроникними властивостями клітинної мембрани і нерівномірним розподілом іонів між кліткою і середовищем, яке підтримується механізмами активного перенесення, локалізованими в самій мембрані.

1.1 Потенціал спокою, рівняння Нернста

Між внутрішньою і зовнішньою поверхнями клітинної мембрани завжди існує різниця електричних потенціалів. Ця різниця потенціалів, виміряна в стані фізіологічного спокою клітки, називається потенціалом спокою.

Причиною виникнення потенціалів кліток як у спокої, так і при збудженні є нерівномірний розподіл іонів калія і натрію між вмістом кліток і довкіллям.

Концентрація іонів калія усередині кліток в 20 - 40 разів перевищує їх вміст в рідині, що оточує клітку. Навпаки, концентрація натрію в міжклітинній рідині в 10 - 20 разів вище, ніж усередині кліток.

Такий нерівномірний розподіл іонів обумовлений активним перенесенням іонів - роботою калієвого для натрію насоса.

Як було встановлено, виникнення потенціалу спокою обумовлене, в основному, наявністю концентраційного градієнта іонів калія і неоднаковою проникністю клітинних мембран для різних іонів.

Згідно теорії Ходжкина, Хакслі, Катца, клітинна мембрана в стані спокою проникна, в основному, лише для іонів калія.

Іони калія дифундують по концентраційному градієнту через клітинну мембрану в довколишню рідину; аніони не можуть проникати через мембрану і залишаються на її внутрішній стороні.

Оскільки іони калія мають позитивний заряд, а аніони, що залишаються на внутрішній поверхні мембрани, - негативний, то зовнішня поверхня мембрани при цьому заряджає позитивно, а внутрішня - негативно(рис 1.).

Рис. 1 Вплив дифузії іонів калію, натрию та хлору на мембранний

Потенціал клітин.

Зрозуміло, що дифузія триває лише до того моменту, поки не встановиться рівновага між силами, виникаючого електричного поля і силами дифузії.

Якщо прийняти, що потенціал спокою визначається дифузією лише іонів калія з цитоплазми назовні, то його величина E може бути знайдена з рівняння Нернста:

, (1)

де [K]_i і [K]_e - активність іонів калія усередині і зовні клітки; F - число Фародея; T - абсолютна температура; E - зміна потенціалу; R - газова константа.

1.2 Стаціонарний потенціал Гольдмана - Ходжкина

Для кількісного опису потенціалу в умовах проникності мембрани для декількох іонів Ходжкин і Катц використовували уявлення про те, що потенціал спокою на рівноважний, а стаціонарний за своєю природою, тобто він відображає стан системи, коли через мембрану безперервно йдуть зустрічні потоки іонів K⁺, Na⁺, Cl^- і інших.

Сумарний потік позитивно заряджених часток через мембрани дорівнює сумі потоків одновалентних катіонів мінус сума потоків одновалентних аніонів.

Основний вклад в сумарний потік зарядів практично у всіх клітках вносять іони

Na⁺, K⁺ і Cl^-, тому (2)

Наявність сумарного потоку приведе до зміни потенціалу на мембрані; швидкість цієї зміни залежить від ємкості мембрани. Зв'язок між щільністю струму j , питомою ємкістю і потенціалом відома з курсу фізики: С питомою ємкістю і потенціалом відома з курсу фізики:

(В) питомою ємкістю і потенціалом відома з курсу фізики:

, (3)

де - швидкість зміни потенціалу . При цьому величина щільності струму " j " пов'язана з щільністю потоку одновалентних катіонів Ф, співвідношенням j = Ф F, где F - число Фарадея.

Рівняння потенціалу для трьох іонів має наступний вигляд:

(4)

(P - проникність)

Це рівняння називається рівнянням стаціонарного потенціалу Гольдмана - Ходжкина - Катца.

1.3 Рівняння електродифузії іонів через мембрану в наближенні однорідного поля

Розглянемо перенесення заряджених часток (іонів). У відсутність градієнта концентрації головна рушійна сила при перенесенні іонів - електричне поле. Якщо частка (іон) у водному розчині або усередині мембрани знаходиться в зовнішньому електричному полі з градієнтом потенціалу , то вона рухатиметься. Дотримання Ома для таких систем означає, що між швидкістю руху частки "" і силою, що діє є лінійна залежність:

(5)

де q - заряд частки, b - рухливість носія заряду (іона). Переходячи до щільності струму j = qn, де n - число часток в одиниці об'єму, отримуємо у напрямі осі "X":

. (6)

Потік часток "Ф" дорівнює потоку електрики "j", що ділиться на заряд кожної частки "q", тобто

(7)

Виразимо "Ф" як функцію градієнта термодинамічного потенціалу, оскільки q = ze (e - заряд електрона), таким чином, згідно E = z F(₂ - ₁ ), де E - енергія електричного поля, F - число Фарадея, z - заряд іона.

F = N_A e, E = z e N_A(₂ - ₁) = qN_A(₂ - ₁),

Тоді

, (G - вільна енергія), (8)

де NA - число Авогардо.

Зіставивши (7) і (8), отримуємо:

(9)

де - молярна концентрація часток (Кмоль/м ).

Це рівняння дотримується і для явищ дифузії, і для електрофорезу в однорідному розчиннику.

Теорелл (1954 р.) узагальнив цей вираз для випадку, коли змінюється не лише концентрація речовини "с" і потенціал "j", але і хімічна спорідненість іона до довкілля "m₀" (зокрема, до розчинника). Тоді рівняння потоку набирає наступного вигляду (рівняння Теорелла):

(10)

де - електрохімічний потенціал. Тобто потік дорівнює твору концентрації носія на його рухливість і на градієнт його електрохімічного потенціалу. Знак "-" вказує на те, що потік направлений у бік убування .

Для однорідного середовища і враховуючи значення , підставлене в (3) виходить електродифузне рівняння Нернсту - Планка:

(11)

де R - універсальна газова постійна, T - абсолютна температура.

(12)

1.4 Механізм створення і розповсюдження потенціалу дії

потенціал клітинний мембрана електричний

Всі клітини збудливих тканин при дії різних подразників достатньої сили здатні переходити в стан збудження. Обов'язковою ознакою порушення є зміна електричного стану клітинної мембрани.

Загальна зміна різниці потенціалів між кліткою і середовищем, що відбувається при пороговому і сверхпороговом порушення клітин, називається потенціалом дії.

Потенціали дії забезпечують проведення порушення по нервових волокнах і ініціюють процеси скорочення м'язів і секреції залізистих клітин.

На основі узагальнення великого експериментального матеріалу було встановлено, що потенціали дії виникають в результаті надмірного порівняно з спокоєм дифузії іонів натрію з навколишнього рідини всередину клітини.

Формування потенціалу дії обумовлено двома іонними потоками через мембрану: потік іонів натрію всередину клітини призводить до перезарядці мембрани, а протилежно спрямований потік іонів калію обумовлює відновлення вихідного потенціалу спокою.

Потоки приблизно рівні за розміром, але зрушені в часі. Завдяки цьому зсуву в часі і можлива поява потенціалу дії.

Потенціал дії, виникнувши в одній ділянці нервової клітини, швидко поширюється по всій її поверхні.

Поширення потенціалу дії обумовлено виникненням локальних струмів, циркулюючих між порушеними і не збудженому ділянками клітини.

У стані спокою зовнішня поверхня клітинної мембрани має позитивний потенціал, а внутрішня - негативний.

В момент порушення полярність мембрани змінюється на зворотну: її зовнішня поверхня заряджена негативно по відношенню до внутрішньої (рис 2).

Рис. 2 Момент порушення полярності мембрани зміна на зворотню

В результаті цього між порушеними і не збудженому ділянками мембрани (B & H) є різниця потенціалів. Наявність різниці потенціалів призводить до появи між цими ділянками електричних струмів, званих локальними струмами або струмами дії. На поверхні клітини локальний струм тече від непорушення ділянки до порушеній; всередині клітини він тече у зворотному напрямку.

Локальний струм, як і будь-який електричний струм, надає подразнююча дія на сусідні непорушення ділянки і викликає збільшення проникності їх мембран. Це призводить до зниження в них потенціалу спокою.

Коли деполяризація досягає критичного значення, в цих ділянках виникають потенціали дії, а в тій ділянці, який раніше був збуджений, у цей час вже відбуваються відновні процеси реполяризації. Знову збуджений ділянку, у свою чергу, стає електронегативним й виникає локальний струм дратує наступний за ним ділянку.

Цей процес повторюється багато разів і обумовлює поширення імпульсів порушення по всій довжині клітини в обох напрямках. В нервовій системі проходження імпульсів тільки в певному напрямку зумовлена наявністю синапсів, що володіють односторонньої провідністю.

Під впливом локальних струмів хвиля порушення поширюється по волокна без згасання (бездекрементное проведення). Це обумовлено тим, що локальні струми тільки деполяризуют мембрану до критичного рівня, а потенціали дії в кожній ділянці мембрани підтримуються незалежними іонними потоками, перпендикулярними до напрямку поширення порушення.

Швидкість зменшення мембранного потенціалу до критичного рівня залежить від різниці потенціалів між порушеними і не збудженому ділянками і від кабельних властивостей волокна: електричної ємності і опору мембрани, опорів аксоплазмы і навколишнього середовища.

Кабельні властивості волокна забезпечують деполяризацію мембрани до критичного рівня, а подальша дифузія натрію в клітку підсилює деполяризацію і забезпечує незатухающее проведення імпульсу.

Кількісно процес може бути представлений наступним чином. Швидкість розповсюдження потенціалу дії визначається в основному тим часом, яке необхідно для критичної деполяризації мембрани. Позначимо деполяризацію до критичного рівня " ". тоді" ", емність мембрани "с" та заряд "q", необхідний для деполяризації мембрани на " " будуть:

(13)

Заряд мембрани і її потенціал змінюється внаслідок протікання локального струму "I". Тоді час "t", протягом якого заряд мембрани змінюється на q, а потенціал на " " буде дорівнювати:

(14)

З рівнянь (13) та (14) одержимо:

(15)

Величина локального струму "I" за закону Ома визначається різницею потенціалів "U" між порушеними і не збудженому ділянками мембрани і опором "R" всіх ділянок, на яких протікає локальний струм: Опір "R" підсумовується з опорів всіх послідовних ділянок, на яких протікає локальний струм: мембрани, цитоплазми, навколишнього клітку рідини.

В основному воно визначається опором мембрани. Підставляючи значення " I " в рівняння (6), одержимо:

(16)

Враховуючи, що " " і "U" постійні величини, можна написати:

(17)

де k - коефіцієнт пропорційності.

Рівняння (17) показує, що час деполяризації мембрани і, отже, час проведення порушення пропорційні твору "RC", званого постійної часу мембрани. Тоді швидкість проведення порушення буде обернено пропорційна постійної часу мембрани.

Швидкість проведення імпульсу зростає із збільшенням діаметра волокна. Це пояснюється тим, що зі збільшенням діаметра зменшується опір, що приходиться на одиницю довжини волокна.

В нервових волокнах характер поширення порушення залежить від наявності або відсутності в них мієлінових оболонок. У безмякотных волокнах порушення поширюється безперервно уздовж всієї мембрани. Всі ділянки мембрани при цьому у свій час стають порушеними. У мякотных нервових волокнах порушення арспространяется трохи по іншому.

Мякотні нервові волокна мають товсті малинові оболонки, які через 1 - 3 мм переривається з утворенням так званих перехоплень Ранв'є (рис 3).

Рис. 3 Утворення перехоплень Ранв'є

В електричному щодо мієлін є ізолятором; його питомий опір в 10 млн разів перевищує питомий опір розчину Рінгера.

В результаті цього локальні струми через миелиновые оболонки протікати не можуть; вони циркулюють між перехоплення Ранв'є. При порушенні одного перехоплення Ранв'є між ним і наступним перехопленням виникають локальні струми і імпульс як би перескакує на другий перехоплення, з другого - на третій і т.д. Такий спосіб проведення нервового імпульсу називається сальтаторным.

При блокуванні одного перехоплення ранв ' є якихось анестезуючу речовиною, наприклад кокаїном, імпульс відразу передається на третій перехоплення. При блокуванні відразу двох перехоплень імпульс далі поширюватися не може: опір між першим і четвертим перехоплення велике, і локальний струм між ними не досягає граничного значення.

В результаті сальтаторного способу передачі швидкість поширення першого імпульсу в мякотных волокнах приблизно в 10 разів вище, ніж у безмякотных, при однаковому діаметрі волокон.

Крім цього, сальтаторный спосіб проведення порушення є більш економічним, оскільки в цьому випадку іонні потоки не проходять через всю поверхню клітини, як при безперервному розповсюдження, а тільки через поверхню в області перехоплень Ранв'є.

Висновки

Потенціал дії в більшості клітин виникає за рахунок короткочасного зростання натрієвої провідності, що прагне привести мембранний потенціал до рівня натрієвого рівноважного потенціалу й за яким треба збільшення калієвої провідності, що повертає мембрану в стан спокою.

Зростання провідностей виникає завдяки потенціалів залежності натрієвих і калієвих каналів: імовірність їхнього відкриття зростає при деполяризації.

Експерименти на аксоні кальмара з фіксацією потенціалу наддали детальну інформацію про потенціалзалежності й тимчасовий хід змін провідностей. При деполяризації мембрани натрієва провідність спочатку швидко активується, а потім інактивується. Калієва провідність активується із затримкою й залишається на високому рівні доти, поки не скінчиться деполяризація.

Часовий хід і потенціалзалежність змін натрієвих і калієвих провідностей у точності визначають амплітуду й часовий хід потенціалу дії, а також такі характеристики мембрани, як поріг активації й рефрактерний період.

Теоретично активація натрієвої й калієвої провідностей при деполяризації повинна бути зв'язана зі зсувом заряду усередині клітини.

Ці зсуви, названі воротними струмами, удалося виміряти експериментально.

Експерименти з використанням методу пэтч-кламп доповнили відомості, отримані в більше ранніх досвідах з фіксацією потенціалу, новими деталями про процес збудження. Так, наприклад, натрієві канали відкриваються на досить короткий час, і ймовірність їхнього відкриття в ході деполяризації спочатку зростає, а потім знижується, відповідно до активації й інактивацією натрієвої провідності в цілій клітині. Різні кінетичні моделі були запропоновані з метою опису процесів активації й інактивації каналів.

Кальцій відіграє важливу роль у збудженні. У деяких клітинах сааме вхід кальцію, а не натрію, відповідає за фазу росту потенціалу дії. Крім того, позаклітинний рівень кальцію визначає збудливість мембрани. Зниження позаклітинної концентрації кальцію призводить до збільшення збудливості.

Список літератури

1. Морф В. Принципы работы ионоселективных электродов и мембранный транспорт: Пер. с англ. М.: Мир, 1985. 280 с.,

2. Волькенштейн М.В. Общая биофизика: Монография. М.: Наука, 1978. 599 с.

3. Биофизика: Учебник / Тарусов Б.Н., Антонов В.Ф., Бурлакова Е. В. и др. М.: Высшая школа, 1968. 464 с.

4. Ю.А. Владимиров, Д.И. Рощупкин, А.Я. Потапенко, А.И. Деев Биофизика: Учебник. М.: Медицина, 1983.

5. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика: Учеб. для мед. спец. Вузов. М.: Высшая школа, 1999. 616 с.

Размещено на Allbest.ru