Мембранный потенциал, механизмы его происхождения. Методы регистрации.

Строение и функции цитоплазматической мембраны клеток. Ионные каналы мембран. Их классификация.

Цитоплазматическая клеточная мембрана состоит из трех слоев: наружного белкового, среднего бимолекулярного слоя липидов и внутреннего белкового. Толщина мембраны 7,5-10 нМ. Бимолекулярный слой липидов является матриксом мембраны. Липидные молекулы его обоих слоев взаимодействуют с белковыми молекулами, погруженными в них. От 60 до 75% липидов мембраны составляют фосфолипиды, 15-30% холестерин. Белки представлены в основном гликопротеинами. Различают интегральные белки. Периферическими белками являются хеморецепторы наружной поверхности мембраны.

Функции мембраны:

1. Обеспечивает целостность клетки, как структурной единицы ткани.

2. Осуществляет обмен ионов между цитоплазмой и внеклеточной жидкостью.

3. Обеспечивает активный транспорт ионов и других веществ в клетку и из нее

4. Производит восприятие и переработку информации поступающей к клетке в виде химических и электрических сигналов.

Все ионные каналы подразделяются на следующие группы:

1.По избирательности:

· а)Селективные, т.е. специфические. Эти каналы проницаемы для строго определенных ионов.

· б).Малоселективные, неспецифические, не имеющие определенной ионной избирательности.

2.По характеру пропускаемых ионов:

· а) калиевые

· б) натриевые

· в) кальциевые

· г) хлорные

3.По скорости инактивации, т.е. закрывания:

· а) быстроинактивирующиеся, т.е. быстро переходящие в закрытое состояние..

· б) медленноинактирующиеся..

4. По механизмам открывания:

· а) потенциалзависимые, т.е. те которые открываются при определенном уровне потенциала мембраны.

· б) хемозависимые, открывающиеся при воздействии на хеморецепторы мембраны клетки физиологически активных веществ (нейромедиаторов, гормонов и т. д).

Ионные каналы имеют следующее строение:

· 1.Селективный фильтр,.

· 2.Активационные ворота,.

· 3.Инактивационные ворота.

Неспецифические ионные каналы не имеют ворот.

Селективные ионные каналы могут находиться в трех состояниях(рис):

· 1.Закрытом, когда активационные закрыты, а инактивационные открыты.

· 2.Активированном, и те и другие ворота открыты.

· 3.Инактивированном, активационные ворота открыты, а инактивационные закрыты.

В 1924 г. английский физиолог Донанн установил, что разность потенциалов внутри клетки и вне ее, т.е. потенциала покоя или МП, близка к калиевому равновесному потенциалу. Это потенциал, образующийся на полупроницаемой мембране разделяющий растворы с разной концентрацией ионов калия, один из которых содержит крупные непроникающие анионы. Его расчеты уточнил Нернст. Экспериментально механизмы возникновения разности потенциалов между внеклеточной жидкостью и цитоплазмой установили в 1939 году Ходжкин и Хаксли. Они исследовали гигантское нервное волокно (аксон) кальмара и обнаружили, что внутри клеток имеется избыток калия, а вне их натрия и кальция. Это обусловлено тем, что в клеточную мембрану встроены ионные каналы, регулирующие проницаемость мембраны для ионов натрия, калия, кальция и хлора.

Суммарная проводимость для того или иного иона определяется числом одновременно открытых соответствующих каналов. В состоянии покоя открыты только калиевые каналы и закрыты натриевые. Поэтому мембрана избирательно проницаема для калия и очень мало для ионов натрия и кальция, за счет неспецифических каналов. Ионы калия поступают в цитоплазму и накапливаются в ней. Когда их количество достигает определенного предела, они по градиенту концентрации начинают выходить через открытые калиевые каналы из клетки. Однако уйти от наружной поверхности клеточной мембраны они не могут. Там их удерживает электрическое поле отрицательно заряженных анионов, находящихся на внутренней поверхности. Поэтому на наружной поверхности мембраны скапливаются положительно заряженные катионы калия, а на внутренней отрицательно заряженные анионы. Возникает трансмембранная разность потенциалов.

Выход ионов калия из клетки происходит до тех пор, пока возникший потенциал с положительным знаком снаружи не уравновесит концентрационный градиент калия, направленный из клетки. Т.е. накопившиеся на наружной стороне мембраны ионы калия не будут отталкивать внутрь такие же ионы. Возникает определенный потенциал мембраны, уровень которого определяется проводимостью мембраны для ионов калия и натрия в состоянии покоя.

Так как мембрана в состоянии покоя незначительно проницаема для ионов натрия, необходим механизм выведения этих ионов из клетки. Этот механизм называется натрий-калиевым насосом. Натрий-калиевый насос - это фермент натрий-калиевая АТФ-аза. Его белковые молекулы встроены в мембрану. Он расщепляет АТФ и использует высвобождающуюся энергию для противоградиентного выведения натрия из клетки и закачивания калия в неё. За один цикл каждая молекула натрий-калиевой АТФ-азы выводит 3 иона натрия и вносит 2 иона калия.

В мембране имеются следующие механизмы трансмембранного транспорта ионов и других веществ:

· 1.Активный транспорт. Он осуществляется с помощью энергии АТФ.

· 2.Пассивный транспорт. Передвижение ионов осуществляется по градиенту концентрации без затрат энергии.

· 3.Сопряженный транспорт. Противоградиентный перенос ионов без затрат энергии..

Мембранный потенциал регистрируется с помощью микроэлектродного метода. Для этого через мембрану, в цитоплазму клетки вводится тонкий, диаметром менее 1 мкМ стеклянный микроэлектрод. Он заполняется солевым раствором. Второй электрод помещается в жидкость, омывающую клетки. От электродов сигнал поступает на усилитель биопотенциалов, а от него на осциллограф и самописец (рис).

Дата добавления: 2017-02-01