Конспект лекций по биофизике

градиента в обмен на сопряженный, пассивно поступающий в клетки поток ионов

Na+. Движущей силой является потенциальная энергия концентрационного

градиента ионов Na+.

Примеры:

1. Транспорт Ca2+ в обмена на Na+, осуществляется во многих типах клеток.

Уровень концентрации внутриклеточного Ca2+ 10–9 моля, внеклеточной – 10–6

моля. Мышечное сокращение, выделение нейромедиаторов синапсами

регулируется Са2+-зависимыми К+-каналами. Механизм: и ионы Nа+ и ионы

Са2+ имеют один и тот же переносчик, у внутренней поверхности мембраны,

обладающей высоким сродством к Са2+, у наружной – к Nа+. Са2+-насос

удаляет Са2+ из клетки.

2. Антипортная система клеток проксимальных отделов нефрона, обменивающая

Nа+ на Н+. Из мочи к клетки проксимальных отделов нефрона выделяется Nа+,

взамен выводится Н+. Система не совершает электрическую работу, поэтому

не надо тратить энергию. K-Na-насос сохраняет Nа+ в организме.

Визикулярный транспорт

происходит путем эндо- и экзоцитоза. Это вид

транспорта, при котором вещества перекачиваются внутрь

клетки или из нее внутри маленьких пузырьков или визикул.

Жидкие вещества – пиноцитоз, твердые вещества – фагоцитоз.

Когда переносятся гормоны или медиаторы, то вначале они

взаимодействуют с мембранными рецепторами. Рецепторы

обладают способностью к латеральной диффузии, при этом

образование комплекса рецептора с лигандом вызывает

перемещение этого комплекса в углубление мембраны.

Образуется окаймленная ямка. Внутренняя поверхность покрыта особым

белком – клатрином, он связывает занятую лигандом молекулу рецептора, затем

этот белок участвует в отшнуровывании визикулы от поверхности мембраны.

Визикулы разрушаются, но некоторые проходят насквозь, и тогда вещества

высвобождаются с другой стороны. Когда визикула разрушается внутри клетки

– эндоцитоз, вне клетки – экзоцитоз. Мембранный материал вновь включается в

клетку ( круговорот.

Потенциал покоя

это разница потенциалов между цитоплазмой и внеклеточной средой,

существующая в каждой живой клетке, находящейся в состоянии покоя.

Внутриклеточная среда заряжена отрицательно. Величина ПП может быть

различной, зависит от состояния клетки от –15 до –90 мВ у большинства

клеток.

Для того, чтобы измерить величину ПП

используется микроэлектродная техника.

Используется специальный вид электродов,

отличающийся намного меньшим диаметром

кончика (доли мкм, или 1 мкм). Бывают

стеклянные и металлические, по форме

напоминают копье, необходим раствор

электролита для хорошего проведения

электрического тока.

Основные теории ПП:

1. В 1848 г. Дюбуа-Реймон "теория электромоторных молекул" (теория

заряженных диполей). Дюбуа-Реймон предположил, что на мембране находятся

диполи, ориентированные отрицательным зарядом внутрь. При возбуждении

диполи поворачиваются на 1800, что приводит к положительному заряду

внутри клетки. Разность потенциалов в этой теории является

предшествующей.

2. В 60-е годы XIX в. – альтернативная теория Германа. В

состоянии покоя мембрана клетки не заряжена, и ПП

отсутствует. Однако при повреждении, в поврежденном

участке появляется избыток отрицательного заряда, в силу

наличия кислых продуктов. Поэтому между поврежденными и

неповреждеными участками возникает электрический ток.

Теория Германа исключала существование разности

потенциалов на мембране.

3. Теория полупроницаемой мембраны Берштейна. 1906 г. Положения:

~ мембрана обладает свойством полупроницаемости (в специальных

экспериментах в группе Пфейффера показали: при пропускании

электрического тока – поляризация мембраны и появление

концентрационной электро-двигательной силы.

~ наличие концентрационных градиентов на биологической мембране. В

исходном состоянии К+, Сl–, Na+ и другие распределены различно на

мембране. Берштейн обратил внимание на К+-концентрационный градиент по

направлению из клетки наружу.

Существуют механические насосы. Перемещение из

клетки через мембрану осуществляется по

градиенту; но выход не бесконечен, как только К+

выйдет из клетки, образуются силы,

противодействующие этому выходу. 1. Первый

положительный заряд на мембране препятствует

выходу остальных (электростатическое

отталкивание). 2. Крупные молекулы, которые не

могут проходить через мембрану, мембраны их не

пропускают, они не будут пропускать К+ мембранный

слой ионов К+ снаружи, слой анионов изнутри. При

повреждении мембраны анионы выходят наружу и

создается электрический ток.

Еm = RT/F * ln([K+]ant/[K+]in)

Еm – ПП, F- число Фарадея.

Эксперимент: кнаружи поверхности мембраны облицеров. соли К+ ( выход

ионов К+ из клетки затруднен ( величина ПП?

Результат: ампликация солей К+ к наружной поверхности мембраны приводит

к снижению величины ПП, степень снижения оказалась пропорциональной

концентрации К+ в облицеров. растворе.

Вывод: К+ имеет основное значение в генерации ПП.

Если удалить Na+ или изменить его концентрацию во внеклеточной жидкости,

это не толко не снизит величину ПП, но даже приведет к небольшой

дополнительной поляризации мембраны Na+ не играет существенной роли в

генерации ПП.

Прямые определения концентрации К+ в клетке и окружающей среде показали

хорошее соотношение с теоретически рассчитанными значениями ПП. После

Бернштейна данные подтверждались.

Джерард и Фурузава, 1930 г. Работали на нервах краба в условиях гипоксии

и апоксии (полное отсутствие О2). ПП прогрессивно снижался и, наконец,

исчез в нормальном целостном участке нерва.

Вывод: энергия, необходимая для генерации ПП берется из окислительных

процессов.

Современная мембранная теория

Ходжкин и Хаксли разработали в 30х годах ХХ в., используя

микроэлектродную технику на гигантских аксонах кальмара. ПП –50 мВ. При

возбуждении генерации ПД амплитуда до 100 мВ.

С позиции теории Берштейна. При возбужедении растет

проницаемость мембраны для всех ионов. При этом происходит

перераспределение этих ионов в сторону выравнивания

концентрации внутри и вне клетки, поэтому ПД = ПП (( –50 мВ) (

кризис мембранной теории Берштейна.

Основные положения современной мембранной теории

1. Клеточные мембраны обладают избирательной проницаемостью не только к

ионам состоянии К+, но и к Na+ и к другим.

2. Эти виды ионной проницаемости обнаруживают самостоятельную изменчивость

в зависимости от функционального состояния клетки.

В мембране диэлектриком явлется липидная фаза (конденсатор), чтобы

зарядить конденсатор до –75 мВ на 1 мм2 должно находиться 5000 пар ионов. В

генерации ПП участвует К+, концентрация внутри клетки в 20 раз выше (

концентрационный градиент для внутрь клетки (так как во внеклеточной среде

концентрация ионов Na+ в 5-15 раз больше, концентрация Сl– вне клетки в 20-

100 раз больше.

Чем больше проницаемость мембраны для иона, тем больше в клетку вносится

данного иона.

Р К+ : Р Na+ : Р Сl– = 1 : 0,04 : 0,045

Уравнение Гольдмана:

Em = RT/F * ln (PК+*[К+]out+ PNa+*[Na+]out+ PCl–*[Cl–]out)/(PК+*[К+]in+

PNa+*[Na+]in+ PCl–*[Cl–]in)

Потенцил Действия

1. Объясняется поворотом диполя на 1800.

2. Теория альтерации Германа. При возбуждении возникает избыток кислых

продуктов, которые несут отрицательны заряд, что приводит к разности

потенциалов между возбужденным и невозбужденым учаском.

3. Мембранная теория Берштейна. В возбужденном участке мембраны резко

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12