Загрузил Lisma Kay

Биофизика. Лекция: Биоэлектрические явления на клеточной мембране.

Реклама
Лекция 1.
Тема: Биоэлектрические явления на клеточной мембране.
Цель: изучить механизмы переноса ионов через клеточную мембрану, активный и
пассивный перенос, функции и виды ионных каналов.
План:
1. Активный перенос ионов через мембрану.
2. Результаты действия Na+, K+-АТФазы.
3. Ионные каналы.
Активный перенос ионов через мембрану
Клеточная мембрана имеет встроенные белки, которые могут обладать
ферментативной и рецепторной активностью. Наибольшее значение для
биоэлектрических явлений имеют строенные ферменты – АТФазы. Они расщепляют
АТФ (аденозинтрифосфат), получая при этом доступную энергию. За счёт этого
определённые ионы перемещаются через мембрану. Таким образом, происходит
трансмембранный активный перенос ионов с затратами энергии. В процессах
активного переноса может быть задействовано несколько видов ионов.
Переносимые ионы
Ионы
Направление транспорта
Затраты энергии (-E)
Na+
1 АТФ
K+
1 АТФ
Ca2+
1 АТФ
Cl-
1 АТФ
H+
1 АТФ
АТФазы специфичны, т.е. транспортируют только определённые ионы. Наибольшее
значение имеет Na+, K+-АТФазы. Она осуществляет одновременный встречный
транспорт ионов Na+ и K+.
3Na+ ↔ 2K+
Такой встречный транспорт ионов называется антипорт. Затраты: одна молекула АТФ
на перемещение 5 ионов.
Антипорт – совместное перемещение ионов через мембрану в противоположных
направлениях.
Симпорт – совместное перемещение ионов через мембрану в одном направлении.
H+, АТФаза, затрачивая энергию расщепления АТФ, перемещает ионы H+ из клетки
наружу. Корням растений это позволяет создавать кислую среду, воздействуя на
почву. Выведенный из клетки Na+ используется для симпорта, а также для создания
временных локальных потенциалов на мембране.
Результаты действия Na+, K+-АТФазы
Этот мембранный фермент ведёт себя как насос, перекачивающий ионы через
мембрану.
Ионный насос, ионная помпа, ионный обменник – молекулярная структура,
встроенная в биологические мембраны и осуществляющая перенос ионов в
сторону более высокого электрохимического потенциала.
В нейронах на работу ионных насосов затрачивается до 70% всей внутриклеточной
энергии, обеспечивающей её жизнедеятельность. В результате, клетка обедняется
натрием, но обогащается калием. Образно можно сказать так:
«Клетка любит калий»
Поэтому она «насильно» затаскивает внутрь калий и совершает неравный обмен –
отдаёт 3 (Na) иона за 2 (K). Неравный обмен приводит к тому, что клетка теряет
больше единичных положительных зарядов (ионов), чем получает. Это приводит к
появлению на внутренней стороне мембраны отрицательного электрического
потенциала.
Потенциал – возможность данного места переместить единичный заряд из
бесконечности или в бесконечность.
В электрофизиологии используют разность потенциалов между двумя точками, но
называют её потенциал. Антипорт Na+ и K+ создаёт электрический потенциал равный
–10мВ. Но на этом перемещение ионов не заканчивается. Мембрана имеет
специальные ионные каналы, через которые может перемещаться калий. Их отверстия
в норме открыты, поэтому избыточный калий начинает утекать через них из клетки
наружу.
Канал – малюсенькая белковая трубочка с порой (отверстием) внутри, которая
обладает избирательностью или селективностью.
Она пропускает через себя K+, но не пропускает Na+. Ионы натрия по размеру меньше
ионов калия, но не могут проходить через ионные каналы. Т.к. при нашей температуре
тела ионы Na+ покрыты «водяной шубой» (гидратированы), но в тех же условиях K+
теряет её. Каналы выхода K+ (каналы утечки) выпускают K+ из клетки. Химическая
сила, по градиенту концентрации (в клетки избыток K+), выталкивает K+ наружу. Это
пассивный перенос – протекает без энергетических затрат. При этом K+ уносит с
собой единичные положительные заряды. Но отрицательно заряженные анионы
(анионы органических кислот) не могут выйти за ним из клетки. Они имеют крупные
размеры – мембрана их не выпускает. В результате, на внутренней стороне мембраны
скапливаются отрицательные заряды, а на внешней – положительные. Мембрана
принимает вид конденсатора, имеющего электрический потенциал для «разряда».
Утечка K+ создаёт потенциал равный –60мВ. Работа АТФазы –10 мВ. В итоге,
мембрана имеет потенциал –70мВ. Это мембранный потенциал покоя. По величине он
может различаться у разных клеток, однако все живые клетки имеют отрицательный
электрический потенциал по отношению к внутренней стороне мембраны.
Потенциал покоя – нормальный мембранный потенциал клетки, когда она
находится в состоянии физиологического покоя.
Исключительно составляют эритроциты.
Ионные каналы
Мембрана пронизана ионными каналами, через которые ионы могут перемещаться в
обоих направлениях – внутрь клетки и наружу. Направление движения ионов задаётся
двумя силами:
1) химической – за счёт градиента (разности) концентрации ионов – перемещение от
большей концентрации к меньшей;
2) электрической – работает разность потенциалов – перемещение от большего
потенциала к меньшему: положительно заряженные ионы – к более
электроотрицательному; отрицательно заряженные ионы – к более
электроположительному.
Ионные каналы можно классифицировать различным образом:
1. По селективности – степени избирательной проницаемости к определённым ионам.
2. По строению – родству их химического строения и происхождения образующих их
белков.
3. По способу управления их состоянием.
4. По связывающимся с ними лигандам.
Для студентов наибольшее значение имеет классификация ионных каналов по способу
управления их состоянием.
«Управление ионными каналами» – означает их открытие или закрытие под
определёнными воздействиями.
Виды ионных каналов согласно функциональной классификации:
1. Неуправляемые – обычно находятся в открытом состоянии и обеспечивают
постоянный ионный ток через открытую пору канала как в клетку, так и из клетки.
Процесс перемещения ионов идёт пассивно за счёт диффузии под действием
химических сил и/или электрических сил. Если неуправляемые каналы различают
вещества только по размеру и пропускают через себя по градиенту концентрации все
молекулы меньше определённой величины, то их называют «неселективные каналы»,
или «поры». Селективные каналы, работают избирательно и обеспечивают перенос
только определённых ионов. Ионная селективность (избирательность) каналов
определяется их диаметром и строением внутренней поверхности канала.
2. Потенциал-управляемые. Так, потенциал-управляемые натриевые каналы
открываются под действием сдвига электрического потенциала мембраны,
превышающего критический уровень деполяризации. Поэтому при достижении
определённого порогового уровня деполяризации мембраны они открываются, а при
обратном снижении уровня деполяризации – оказываются закрытыми. Но важно знать
то, что ещё до обратного снижения уровня деполяризации эти каналы закрываются с
внутренней стороны специальными белковыми «пробками» и это происходит
автоматически, независимо от изменений деполяризации.
3. Хемо-управляемые – открываются при связывании с рецепторным участком канала
специфического лиганда (управляющего вещества).
4. Стимул-управляемые – открываются под воздействием специфичного и адекватного
для них стимула (раздражителя). Такие каналы обеспечивают сенсорное восприятие и
располагаются в мембране сенсорных рецепторов.
5. Совместно-управляемые – открываются одновременно как лигандами, так и
определённым электрическим потенциалом мембраны.
6. Опосредованно-управляемые – открываются и закрываются не под действием
прямых внешних сигналов, а вследствие опосредованного воздействия на них
внутриклеточных вторичных мессенджеров.
Скачать
Случайные карточки
15 основных стилей интерьера

15 Карточек Антон piter

Создать карточки